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掠面速度

作者:爱百科

掠面速度是物理学和天文学中的物理量。掠面速度是矢量,在经典力学中,掠面速度的大小等于质点沿曲线运动时,该质点位置矢量所扫过的面积随时间的变化率,其方向垂直于质点的位置矢量和速度矢量所在的平面。在天文学中,掠面速度的大小为行星和恒星之间的连线在单位时间内扫过的面积。掠面速度用公式表示为nA=r×v/2。掠面速度也称扇形速度。

掠面速度定义

如图,质点沿一曲线轨迹运动,分别用rv表示其位置矢量和速度。vdt表示质点在时间dt内的位移。利用三角形面积公式,dt内位置矢量r扫过的面积为

,其中θrv的夹角。由矢量外积的概念,|r×v|=rvsinθ。于是dt内位置矢量r扫过的面积大小可用|r×vdt/2|表示。由上式也可以得到,位置矢量扫过的面积随时间的变化率为

,即掠面速度的大小等于|r×v/2|。r×v/2的方向恰与rv所在平面垂直,若它的方向不变,则可以以表示质点的轨道在一平面内。于是称r×v/2为掠面速度。

掠面速度性质

掠面速度掠面速度不变

如图,质点在直线

上作匀速直线运动,速度为v,其在相等时间间隔Δt内经过的距离vΔt都相等。在

旁选取一点

作为参考点,从

引位置矢量r到质点所在位置。在相等时间间隔

内,r扫过的小三角形具有相同的高h,它们的面积相等,都等于

rv之间的夹角为

,则

,小三角形面积为

位置矢量r的掠面速度为

=常量。掠面速度的方向与由参考点和运动所在直线所决定的平面垂直。

掠面速度面积速度定理

质点在有心力作用下,掠面速度守恒。这就是面积速度定理,也称等面积定律。

证明1:牛顿力学方法

如图,设质点在极小的时间间隔

内,从A运动到B,在B点速度为v1;在B点是受到指向BO方向的力,第二个

后它运动到C点,在C点速度为v2。从BC,速度的偏转方向与其加速度a平行;由牛顿第二定律,该方向与质点在B点所受的力平行,则CC'∥OB。于是,△OBC与△OBC'的高相等,则面积相等。即,只要力指向中心O,位置矢量的掠面速度恒定。

证明2:分析力学方法

在有心力场中,质点的角动量

守恒,因此在运动过程中,位矢r始终垂直于常矢量L,质点的位置始终在一个垂直于L的平面上。因此,质点在有心力场中的运动是平面运动。

为方便起见,一般建立以力心为原点的球坐标系,并选取角动量的方向为极轴,使质点运动平面落在φ=0平面内。

当选择球坐标系时,质点的拉格朗日函数为:

质点的拉格朗日函数的中不包含变量θ,说明θ是循环坐标,与其相对应的广义动量(即角动量)守恒。广义动量为:

对于任意的平面运动,角动量pθ有明确的几何意义。在t时刻作位矢r(t),经过Δt后,它到达r(tt),这一位矢扫过的部分可以用一直角三角形近似地表示,其两个直角边长度分别是rrΔθ,面积为:

除等式两边,取

的极限,得到:

这表明,当粒子作平面运动时,角动量pθ除以2m等于位矢r在单位时间扫过的面积。对于有心力场中的运动,角动量pθ守恒,因此掠面速度为常数:

即:有心力场中运动的质点的位矢在相等时间内扫过相等的面积。

掠面速度轴矢量

掠面速度是一个轴矢量。轴矢量也称为赝矢量,指的是在瑕旋转下,除了随之反射外,还会再上下翻转的矢量。极矢量和轴矢量都是广义上的矢量,在一般旋转下的特性相同。

在三维空间中,轴矢量p可以表示为两个极矢量ab的外积:

在掠面速度的公式中,rv均为极矢量,以此方式计算的以此方式计算的掠面速度是轴矢量。

掠面速度应用

开普勒第二定律的表述为:在相等时间内,恒星和围绕其运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。即行星围绕恒星运动的掠面速度为一常量。

可由万有引力定律推导开普勒第二定律:

在参考系中,记恒星和行星的质量分别为Mm,位置矢量分别为r1r2,行星相对于恒星的位置矢量为

,且

二体间引力作用为:

两式相减,得:

简记为:

以位置矢量r叉乘上式两边,可使右边成为零向量,即:

上式左边是可积的,即:

对其积分得:

其中,h是行星单位质量的动量矩(角动量),称为比角动量;上式称为动量矩积分,是二体运动的角动量守恒定律。

而行星的位置矢量在时间dt内扫过两边分别为rvdt的三角形,其面积nAdt为:

由此有:

即:行星关于其所围绕的恒星的位置矢量在相等时间内扫过的面积相等。行星的掠面速度正比于其角动量。

掠面速度掠面速度和角动量

由上面的推导过程可知,质点位置矢量的掠面速度dA/dt正比于其角动量L,二者有如下的关系:

在中心力场中,质点的掠面速度守恒是普遍性质。在经典力学中,掠面速度守恒与角动量守恒等价。它们的区别在于,掠面速度

基本是个几何量,而角动量中包含了质点的质量

,已是个动力学量。

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