从开普勒定律到万有引力定律

从开普勒定律到牛顿万有引力定律

[摘要]：在高中阶段甚至大学的普通物理中，从开普勒三定律到万有引力定律的推导都是在简化之后的圆轨道上进行的。本文从椭圆轨道出发，推导出了万有引力定律。

[关键词]：万有引力定律、开普勒定律、行星运动、椭圆轨道、极坐标 [正文]

高中阶段，由于缺少数学知识，从开普勒定律到万有引力的推导只能在简化之后的圆轨道上进行。甚至大学阶段，普通物理的教材中，也采用了这个方法。本文力图从原始的椭圆轨道入手，导出万有引力定律。当然，这个过程不可能不涉及高等数学的知识。首先我们做一个准备工作，然后再集中考虑推导的过程。如果“准备”中的知识已完全清楚，则可以直接考虑定律的推导了。

第一部分 准备

一、极坐标中的椭圆方程

椭圆定义为到定点的距离与到定直线的距离之比为常数e 的点的集合。

如图1所示，在极坐标中，Ox 为极轴l 是垂直于极轴的定直线，它与O 点的距离为p 。由椭圆的定义可知：

e r p r

=+θ

cos

整理可得：

θ

cos 1e pe

r -=

(1)

二、极坐标中的位置矢量

x

O θ

图1

l

r

极坐标中，r 表示从原点到曲线上一点的距离，如果我们以原点O 为参考，则r 实际上只表示出了位置矢量的大小。为了明确其方向，我们沿着r 所在的直线做出单位矢量i 作为径向单位向量。另外，将i 旋转2

π

得到j 作为横向单位向量。显然物体的位置矢量可表示为：

ri =r (2)

上式中等号右边的r 表示的是位矢的大小，i 表示的位矢的方向。但是应当注意的是，不管是r 还是i ，都不一定是常量。这和直角坐标系中的单位向量是常量是有区别的。

另外，r 和i 都是θ的函数，在运动学中θ又是时间t 的函数。所以，r 和i 都是时间t 的函数，所以我们也可以说位置矢量r 是时间的函数。

在这里，我们必须清楚的是，极坐标中的矢量表示和用极坐标表示函数关系并不完全是一回事。若用极坐标表示数量关系，我们只需要用标量式()θr r =即可，在表示矢量时，我们不得不在这个基础上加上了单位向量i 。

三、极坐标中的速度和加速度

下面我们先求单位向量对时间的导数。

在图3中，以Ox 方向为x 轴，O 为原点，垂直Ox 向上为y 轴建立直角坐标系，用ξ、

η表示沿x 轴、y 轴的单位向量，则i 、j 可分别表示为：

θηθξsin cos +=i

x

图3

r

i

j

θd θ

O Δi

θd x

O θ

图2

r

i

j

θηθξηπθξπθcos sin 2sin 2cos +-=⎪⎭⎫ ⎝

⎛

++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=j

因此

()()()dt

d dt d d d dt d dt di θ

θηθξθθθηθξθηθξcos sin sin cos sin cos +-=⋅+=+= 对比j 的表达式有，

j dt

di θ

=……………………………………………（3） 其中θ 表示θ对时间的导数dt

d θ

。

同理可知：

i dt

dj θ -=……………………………………………（4） 下面我们对位矢函数ri =r 求导，这样可以得到在极坐标系中的速度公式。

j r i r dt

di r i r dt d θ +=+==

r v ……………………………………………（5） 将上面得到的速度公式再次求导可以得到加速度的表达式：

()()

()(

)

j r r i r r i r j r j r j r i r dt dj r j r j r dt di r i r dt

j dr dt i r

d dt d θθθ

θθθθθθθθ 222++-=-+++=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝

⎛+=+

==v a 其中

2θ

r r a r -=……………………………………………（6） θθ

θ r r a 2+=……………………………………………（7） 分别表示径向加速度和横向加速度。

第二部分 推导

开普勒定律的内容是：

开普勒第一定律，也称椭圆定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。

开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过

的面积都是相等的。

开普勒第三定律，也称调和定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。

由（7）式可知：

()

()

dt

r d r r r r r r r a θθθθθθ 221212=+=+=

由开普勒第二律可知：

常数=θ

2r 故上式中

()

02=dt

r d θ

这就是说，

02=+θθ

r r ……………………………………………（8） 由椭圆方程θcos 1e pe

r -=

可得：

θcos 1e r

pe

-=……………………………………………（9） 对时间t 求导可得：

θθ sin 2=-

r

p r ……………………………………………（10） 由（10）式可得：

θθ sin 2

p

r r

-=……………………………………………（11） 再次对时间求导可得：