太陽系的行星運動

在這個小單元中我們先簡單的介紹行星運動的規律,那就是克卜勒的行星運動三大定律,然後我們用Vpython模組,將行星運動的規律用動畫的形式表現出來,增強同學們對這些天體運動規律的理解。在下一個單元當中,我們會帶著同學試著寫出一個可以做軌道運動模擬的程式,以及在做這些數值計算時所要用到的數值方法。

  1. 克普勒(Kepler)行星運動定律

  2. 太陽系的行星數據

  3. 行星繞日的軌道是橢圓形
  4. 克卜勒的行星運動第一定律表示:任何行星繞日運動時的軌道是橢圓軌道,而太陽就在橢圓的兩個焦點其中之一,因此行星繞日運動時有所謂的遠日點和近日點,橢圓的離心率就在標示出這個軌道和圓的軌道有多大的差異。大部分的行星繞日的軌道都非常接近圓,也就是離心率接近於0,對於彗星的軌道而言離心率就非常的大,我們所熟知的哈雷彗星其離心率約為0.967,週期約為75.3年,其軌道離開太陽的距離(遠日點=35.1 AU, AU=astronomical unit=天文單位,地球至太陽的距離)可以達到海王星(30 AU)與冥王星(39 AU)之間。我們可以利用程式模擬的方式來顯現出行星繞日運動的橢圓軌道,行星運動的動力就是牛頓的重力定律,而運動的法則就是牛頓第二運動定律:\[\vec{F}=m\vec{a}, \frac{d\vec{v}}{dt}=\frac{\vec{F}}{m}=-\frac{GM_s}{r^3}\vec{r}, \frac{d\vec{r}}{dt}=\vec{v} \]
    運動的差分近似 \[ \vec{v}(t+dt) \simeq \vec{v}(t)+\vec{a}(t)dt \] \[ \vec{r}(t+dt) \simeq \vec{r}(t)+\vec{v}(t)dt \]






    程式樣本1, 以Vpython模擬行星運動



  5. 等面積定律:
  6. 行星至太陽間的連心線在相同的時間內掃過相同的面積


    程式樣本2, 哈雷彗星與等面積定律


  7. 克卜勒的行星運動第三定律:週期的平方正比於距離的三次方(自檔案讀入數據範例)
  8. 在下面這個例子當中,我們要從外部的檔案名稱為(solar.txt)的檔案讀進我們太陽系8個行星的數據,透過這些數據我們可以檢驗克卜勒的行星運動第三定律:週期的平方正比於距離的三次方。


    程式樣本3, 克卜勒的行星運動第三定律