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高中物理:解三體問題的辦法

2020-12-09 18:20 作者:帆雨動畫  | 我要投稿

著名的三體問題已經(jīng)被證明“不可解”,但是我們可以用中學(xué)物理知識,求出它的數(shù)值解。

這里所說的“不可解”,通俗地說,就是我們無法找到一個(gè)數(shù)學(xué)公式來描述它們的運(yùn)動軌跡。但如果知道了三個(gè)星體的質(zhì)量、位置和初始速度,我們可以通過數(shù)值計(jì)算,給出它們在任意時(shí)刻的位置。

?我們先來看有兩個(gè)星體的情況:

A、B兩個(gè)星體,已知它們的質(zhì)量(Ma,Mb),以及某一時(shí)刻它們的位置(positionA,positionB)和速度(Va,Vb)。

那么由萬有引力定律,我們就能求出它們所受的力。

?我們知道力的作用是相互的,所以它們所受的力是等大反向的。

由牛頓第二定律,F=ma,我們又得到了它們加速度:

a=F/m

我們已經(jīng)知道了它們的初始位置,可以根據(jù)位移公式

求出它們經(jīng)過一個(gè)很小的時(shí)間間隔?t后的位移(Sa,Sb)。


這里只是列出了基本公式,如果我們用矢量來計(jì)算的話,原來的位置加上位移,就得到了新的位置:

positionA’=positonA+Sa

positionB’=positionB+Sb

這里的位置position,是一個(gè)以原點(diǎn)為起點(diǎn),當(dāng)前位置為終點(diǎn)的矢量。而位移S,是以當(dāng)前位置為起點(diǎn),?t后所在的位置為終點(diǎn)的矢量。它們加起來,就是一個(gè)以原點(diǎn)為起點(diǎn),?t后所在的位置為終點(diǎn)的矢量。

有了新的位置,我們又可以算出它們在下一個(gè)?t的位置。
如此循環(huán)下去,我們就能得到它們的運(yùn)動軌跡。雖然運(yùn)算量很大,但我們可以編個(gè)程序,讓計(jì)算機(jī)來完成。

這樣計(jì)算雖然是有誤差的,但我們可以減小時(shí)間間隔?t,來提高精確度。比如讓?t1000倍,那么精確度就會提高一百萬倍。因此,借助計(jì)算機(jī),哪怕是許多行星的極端復(fù)雜的運(yùn)動,也能以我們所希望的任意高的精確度計(jì)算出來。


我們再來看三個(gè)星體的情況:
每一個(gè)星體會受到另外兩個(gè)星體的引力,我們分別計(jì)算這兩個(gè)力,再加起來。

然后我們又能算出它的加速度,進(jìn)而得到它在?t之后的位置。

每個(gè)星體都算完之后,我們又可以進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),計(jì)算它們下一個(gè)?t的位置。這樣一步一步地進(jìn)行下去,我們就能描繪出它們的運(yùn)動軌跡。


現(xiàn)在我們還可以擴(kuò)展到n體問題,比如計(jì)算太陽和八大行星的運(yùn)動軌跡。類似的,對于某一個(gè)星體,我們需要計(jì)算出其他星體對它的引力,全都加起來,然后按照上面的步驟計(jì)算就可以了。

假如我們要計(jì)算水星的運(yùn)動軌跡,并考慮其他行星所引起的引力攝動,借助計(jì)算機(jī)的幫助,我們也可以輕松計(jì)算出來。



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