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闡述牛頓力學三大定律

牛頓力學三定律：第一定律說明了力的含義：力是改變物體運動狀態的原因；第二定律指出了力的作用效果：力使物體獲得加速度；第三定律揭示出力的本質：力是物體間的相互作用。

曾經，我們拋出一枚足球，在草地上滾動一段時間就停下來了。有學者說，是因為受力，足球才會運動，拋出后，沒有手給它力，所以足球不一會兒就停下了。今天的我們很容易理解是摩擦力的作用使得足球停下來了，力不是維持物體運動狀態的原因，而是改變物體運動狀態的原因，這就是牛頓力學第一定律所描繪的事情。

那么力是怎么改變物體運動狀態的呢？原來，力改變的是物體的加速度，我們聯想到力的國際單位是N,也就是牛頓，能夠讓1KG的物體產生1m/s^2的加速度的力我們定為1N。因此，看到F=ma時，我們知道相同的力能夠讓不同質量的物體產生不一樣的加速度。（有興趣的小伙伴可以查一下質量的定義哦！）

力，究竟是什么？騎自行車的時候，我們用力去蹬腳踏板，這個力是這里我們要講的力嗎？力是物體與物體之間的相互作用，這是我聽到的最能接受的定義，力不會脫離物體而存在，同時，它也是一種相互作用，即作用雙方的力是相互的，是大小相等的，是對稱的。（有興趣的小伙伴可以思考一下力是真實存在的嗎？力是我們抽象出來的一個模型，是對這種物體與物體之間相互作用的描述，這種描述我們不能說它是對是錯，“力”這一模型這種描述便于我們理解“物體與物體間的相互作用”，但盡可能不要被這個描述所束縛。當然，也不能好高騖遠，先理解模型，再理解更深層次的東西）

深挖天體運動萬有引力

衛星、行星，乃至恒星星系，這些運動規律我們用“萬有引力”這一模型進行描述，先理解模型，再理更深層次的東西。

我們知道“亞里士多德”是一個經常“犯錯”的科學家，地心說中也有他的功勞，然后哥白尼提出了日心說，觸怒權威，被處死了。之后，不得不提的一個人，一位望遠鏡發明之前最偉大的星空觀測者，他就是第谷，這個人很有才話，觀測了很多星空天體運行的數據，但是理論思維著實差了些。憑著他對星空的了解，他當然知道“地心說”的荒謬，不過他也不完全支持哥白尼的“日心說”，因為依據他的觀測數據，“日心說”也不能完美解釋漫天星辰，他自己提出了一種介于地心說和日心說之間的學說，可是這更加讓他糊涂，連他自己都說服不了。

第谷去世后，他的徒弟開普勒研究他的數據。在群星之中，最神秘莫測的就是火星軌道，火星的觀測數據最豐富，但是和地心說日心說的理論推導差別也最大，因此第谷創造了自己的學說，這些學說中哪個才是正確的呢？這就要靠開普勒來驗證了。

地心說第一個出局了，日心說呢？也有些問題，那么第谷自己的理論呢？這個理論更亂，問題出在了哪里了呢？問題就出在了最基本的假設上，無論托勒密還是哥白尼，包括第谷，都認為行星的軌道是圓形的，而且做勻速圓周運動，這個假設就是錯的。

經過四年的磨礪，開普勒發現火星的軌道并不是圓形，而是橢圓，太陽就位于橢圓的一個焦點上，這就是開普勒行星第一定律。

天文資料還顯示出：火星速度不是均勻的，火星近日點速度快，遠日點速度慢。有了橢圓軌道的概念，研究橢圓曲線的性質，開普勒就想到太陽在橢圓的一個焦點上時，行星的速度很可能與行星與太陽的距離有關。經過反復和第谷的實驗數據比較，在橢圓軌道上運行的行星速度不是常數，確實在離太陽遠時慢，離太陽近時快。尋找其規律，開普勒最終得到了行星和太陽的直線在相等的時間內掃過的面積相等。

開普勒感覺行星的運行周期應該和軌道之間有某種關聯，可是并不知道行星軌道的具體數據，開普勒想了一個巧妙的辦法，他把地球和太陽的平均距離作為一個距離單位來計算各個行星軌道的半徑，同時把地球的公轉周期作為時間單位來計算行星的公轉周期，我們來看他得到的數據：

至此，開普勒已經勘破了星空的奧秘，從一個星空觀察者成為了“天空立法者”。

開普勒的行星運動定律距離萬有引力只是一步之遙，如果假設行星軌道是圓形的話，我們用中學知識就可以推導出萬有引力定律，可是行星軌道是橢圓，要想推導出萬有引力定律就需要運用到微積分知識，而微積分要等到牛頓出世才會有，所以開普勒只是指出了行星運動規律，而沒有指出其背后的原因。

終于到了我們的重頭戲，萬有引力定律：

這張公式圖算是比較經典的，告訴你速度、角速度、周期以及加速度與運動半徑r的關系，也給出了近地軌道和黃金代換式GM=gR。各種各樣的公式數不勝數，但我們只要記住一句話：萬有引力提供向心力（F=ma）其中“F=GMm/r^2”“a=?”,關于a的表達式此處就不再展開了。

引力常量G是亨利·卡文迪許測得的，但他的貢獻不止于此，有興趣的小伙伴可以深入了解一下啊，集智慧與容貌于一體。

我們從能量的角度思考天體運動的另一半問題，有人管它叫逃逸。如何理解加速減速對軌道高低的影響？

物體的機械能有兩種形式：動能和勢能

由GMm/r^2=mv^2/r，得衛星的動能Ek=1/2mv^2=GMm/2r

若取無窮遠為0勢能面，衛星的勢能Ep=-GMm/r

衛星的機械能E=Ep+Ek=-GMm/2r

通過上面是式子，我們知道：運動半徑r越大，E值越大，應該是這樣說，當衛星向后噴氣時，對衛星做正功，衛星的機械能增加，因此，運動半徑會增加，故而遠離地球。

衛星回收的時候我們需要怎么做呢？這是一個反過程，向前噴氣，機械能減小，衛星軌道就會變低，直至進入大氣層。部分衛星在服役過程中機械能損失變小后，就會被地球捕獲，不用擔心，在大氣層中就已經燒成灰了。返回艙有熱保護，因此可以成功返回。

讓人類飛向太空的是知識，物理教會我們如何認識身邊的世界。

但即便是我開動腦筋想，也有很所瑣碎細節的地方沒能說到，如果大家有興趣的話可以留言討論哦！

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