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EXP_01

🪐 克卜勒定律

實驗介紹

本實驗模擬行星繞太陽的軌道運動。您可以調整半長軸和離心率,觀察:

  • 軌道形狀:從圓形(e=0)到高度橢圓(e→1)
  • 面積掃過率:金色扇形面積代表「等時間扫過等面積」
  • 速度變化:近日點最快,遠日點最慢

物理知識與公式

克卜勒第一定律(軌道定律)

所有行星繞太陽的軌道都是橢圓,太陽位於其中一個焦點。

\[\frac{r}{a} = \frac{1 - e^2}{1 + e\cos\theta}\]

其中:

  • $r$:行星到太陽的距離
  • $a$:半長軸
  • $e$:離心率(0 = 圓,0~1 = 橢圓)
  • $\theta$:真近點角

克卜勒第二定律(面積定律)

行星與太陽的連線在相等時間內扫過相等的面積。

\[\frac{dA}{dt} = \frac{1}{2} r^2 \frac{d\theta}{dt} = \text{const}\]

結論:近日點速度最快,遠日點速度最慢。

克卜勒第三定律(週期定律)

行星公轉週期的平方與半長軸的立方成正比。

\[T^2 \propto a^3\]

或寫成: \(\frac{T^2}{a^3} = \frac{4\pi^2}{GM}\)

離心率與軌道形狀

離心率 e 軌道形狀
0 正圓
0 ~ 0.3 接近圓的橢圓
0.3 ~ 0.7 明顯橢圓
0.7 ~ 1.0 高度扁長的橢圓

行星數據(太陽系)

行星 半長軸 (AU) 離心率 週期 (年)
水星 0.39 0.21 0.24
金星 0.72 0.01 0.62
地球 1.00 0.02 1.00
火星 1.52 0.09 1.88
木星 5.20 0.05 11.86
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📊 實驗探究思考

  1. 離心率 e = 0 時軌道是什麼形狀?e 接近 1 時呢?
  2. 行星在近日點和遠日點的速度哪個比較快?
  3. 面積掃過率為什麼是恆定的?
  4. 試用 T² ∝ a³ 驗證:a 加倍時,T 變為原來的多少倍?