天体运动模型分析

天体运动模型分析

刘叶睿

深圳市方方乐趣中英文学校

摘要：现如今，我国的天文学有了很大进展，在高考中，万有引力定律也是必考的知识点。题目常源于国家发展、科技进步等背景,体现高考试题的应用性及“价值引领”作用,因此成为命题的热点。然而,天体运动的描述量多、公式多,综合性强,学生解题时常常混淆公式。因此,天体运动的分析成为学生解题的难点。本文就天体运动模型进行研究，以供参考。

关键词：万有引力；万有推力；地球自转

引言

近代天文学的发展中，物理天文学扮演核心角色。其兴起成为天文学革命乃至科学革命的关键因素，进而导致天文学的“范式”转换:此前欧洲的天文学主要为数理天文学———通过构建天体运动的几何模型来实现“数”与“理”统一。物理天文学则不同，至20世纪之前，物理天文学主要关注三方面的核心问题:(1)天体的物质构成及其自然属性;(2)天体的运行及其力学模式;(3)地面的规律是否适用且如何用于解释天体的运行与演化。因此，判定诸如地球是否静止、地球的位置等问题，成为近代天文学的新谜题。

1万有引力与万有推力星球运动模型

为了让人们更形象地了解自然、认识宇宙，我们根据磁性具有相吸与相斥、两磁因相对位置改变导致磁极变化的原理，设计了“万有引力与万有推力星球运动模型”，并于2007年6月6日获得中国国家专利授权。万有引力与万有推力星球运动模型的结构为：在一个大圆盘上放置两个空心球体，两个空心球体中各置一块磁石。一个球固定在圆盘中间模拟恒星，另一球放在圆盘边缘模拟行星，圆盘就是行星绕恒星公转的轨道平面。恒星的南北极左右横置，与公转轨道面平行，而行星南北极与公转轨道面斜交，两球磁极轴有一定夹角。模型结构设计符合科学家对地球与太阳磁场的设想和描述：第一，根据开普勒设想，太阳发射的磁力流像轴承一样在黄道上绕太阳自转；第二，观测表明，太阳的黑子分布在日面纬度±40°范围内，反映出太阳磁场在其赤道平面附近强度较大，因此可以将磁场的N、S极置于“太阳赤道”面附近；第三，研究表明，相对于地球，太阳磁场是一个倾斜的偶极场，同样，相对于太阳，地球也是一个倾斜的偶极场，由此可以认为地球与太阳的磁力线是相互交叉的。

2匀速圆周运动模型与自转运动模型

两模型动力学分析不同:前者是万有引力充当向心力,后者是万有引力与地面支持力的合力充当向心力。两模型运动有联系:地表静止物体与同步卫星,具有相同的角速度和周期,因此线速度和向心加速度都与运动半径成正比．地表静止物体与近地卫星,具有相近的运动半径,但向心力和向心加速度都不同,比较它们的运动状态需要借助同步卫星进行转换．当天体自转的周期等于它近地卫星的周期时是它瓦解的临界态。

2.3物质、运动与力的关系

物质、运动与力及其相互关系的阐述，构建了笛卡尔宇宙论的机械论基础。三元素说与三微粒说是笛卡尔宇宙论之物质理论的根本。宇宙万物均由它们构成，且都受力和运动规律的支配。力是物质运动的一种表现形式———万物具有“运动的力”。至于如何衡量力的大小，笛卡尔只是含糊地认为力与物质的数量关系并不一定成正比，“就如同船随水流，速度不会比水快，大小、重量不同的船速度也不同”。

2.4“三星”模型

宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽略其他星体对它们的引力作用．已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为Ｒ的圆轨道上运行；另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行．对于三星模型，无论哪种构成形式，都是某颗星所受另外两颗星万有引力的合力等于这颗星围绕中间某一点做匀速圆周运动的向心力。

2.5模型的运行及典型天体运行方式的模拟

通过对“恒星”和“行星”磁极方向、夹角和相对空间位置的调整，可以模拟各种方式的天体运动。譬如：（1）行星磁极轴倾斜20度左右，模型运转出现了与自然界中地球绕太阳运转相吻合的现象：行星在自转的同时，还沿椭圆轨道绕恒星运动，有近日点和远日点，一年四季分明，北极始终指向北斗。（2）调整两球的磁极，将恒星的磁极轴方向调至与行星磁极轴平行的方向。这时，两球体处于相互排斥状态，行星磁极轴倾斜，沿椭圆轨道绕恒星公转，有自转（两球的赤道不会在一个水平线上），也没有四季之分，只有在近日点或远日点处北极才指向北斗。（3）把行星磁极南北上下颠倒过来，使之与恒星磁极相反，这时两球处于相吸引状态，行星出现垂直运动，走纯圆轨道，不自转，没有四季之分。（4）把恒星和行星SN极置于在一个水平线上，该行星垂直运动走椭圆轨道，有近日点和远日点，但无四季之分。根据以上的四种试验可以推断，星球运动大概有如下四种模式：（1）两球相对排斥；（2）两球相对吸引；（3）两球吸引与排斥并存；（4）两球的SN极在一个水平线上；（5）介于以上几种模式之间。

2.6匀速圆周运动模型与双星运动模型

两模型都是万有引力充当向心力,但前者引力距离等于轨道半径,后者引力距离等于轨道半径的和．两模型运动有联系:当m1的质量远大于m2的质量时,系统的质心就在m1上,m１几乎不动,m2绕m1做匀速圆周运动的半径就等于引力距离,它们的总质量就近似为m1的质量．因此可以认为匀速圆周运动模型规律是双星运动模型规律的近似结果．

3几点启示

（1）关于宇宙运动的动力：宇宙处在电磁场中，除了偶极场外，宇宙中还有其它形式的磁场，宇宙运动的基本动力是电磁力，“万有引力与万有斥力”并存，电磁力维持着宇宙的平衡。有关银河系磁场的研究印证了上述推想。（2）关于星球自转和运动平衡：两球的磁力正负摩擦、切换造成了行星的自转，而行星的驻留现象在两球正负极切换的交叉点上出现。星球间的运动平衡主要受星球间磁场引力与斥力的控制。这一认识能够较好地解释星球的自转与公转运动的动力问题，比康德、拉普拉斯的“星云说”以及麦克斯韦的“灾变说”更合理。（3）关于万有引力与电磁力的关系：运动的电荷会产生磁场，反之，在磁场中，电荷的运动速度也会发生变化，电荷的质量随其运动速度的增加而增加，这是科学研究已经揭示的事实。质量是物质在万有引力场中表现出的性质，而物质的质量由于与磁场相关，据此可以认为，“万有引力”是物质在磁场中运动过程中表现出的一种效应，宇宙的原动力是电磁力。

4 布置查阅物理学史的课题作业，实现多元评价方式

首先在双新背景下编写的上海物理教材是一套图文并茂、由浅入深、可以让学生自学的教材，主编们在很多章节中都花了大量的笔墨去介绍一些经典的物理学史，但限于篇幅的限制，还有很多引人入胜的史学材料却没法搬到其中。所以教师可以布置自学预习教材、阅读课外读物或查阅文献资料等课题作业，让学生们事先对本章或本节内容相关的物理学史做一个广度的查阅，在课堂上以读书报告的形式交流汇报，各课题小组可以自评互评师评，发挥教师和学生不同角色在评价中的作用，实现多元的评价方式。

结语

总而言之，物理学史就像一块蕴藏着巨大财富的宝地，值得我们去开垦去挖掘。关于天体运动的模型研究，不仅具有一定的理论意义，而且还具有一定的实际意义。

参考文献

[1]赵树智，宋汉阁.科学的突破[M]北京:科学出版社,1999.55

[2]林亨国.中国青少年自然科学丛书———天文卷[M]沈阳:辽宁人民

出版社,1998.11

[3]夏丽．关于多维度地设计高中物理作业的几点思考［Ｊ］．中学物理教学参考，2012（12）：40－43．