巧解第34屆全國(guó)中學(xué)生物理競(jìng)賽復(fù)賽第二題

楊祖華

(貴陽(yáng)市第一中學(xué) 貴州 貴陽(yáng) 550081)

(1)彗星先后兩次穿過(guò)地球軌道所用的時(shí)間；

(2)彗星經(jīng)過(guò)C,D兩點(diǎn)時(shí)速度的大小.

已知積分公式

式中的C是任意常數(shù).

圖1 題圖

解：(1)由題意可知，彗星的軌跡方程為

(1)

如圖2所示，彗星運(yùn)動(dòng)到地球軌道的C點(diǎn)時(shí)有

r=Re

(2)

θ+φ=π

(3)

(4)

CD=2rsinφ

(5)

圖2 彗星運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)分析圖

拋物線的弓形CDA的面積S1為

(6)

△CDS的面積S2為

(7)

在C→D過(guò)程中，彗星與太陽(yáng)連線掃過(guò)面積S為

S=S1-S2

(8)

令彗星在近日點(diǎn)A的速度為vA，由開(kāi)普勒第二定律可知，彗星與太陽(yáng)的連線在單位時(shí)間間隔內(nèi)掃過(guò)的面積S′為

(9)

彗星先后兩次經(jīng)過(guò)地球軌道所用的時(shí)間為

(10)

因?yàn)殄缧沁\(yùn)動(dòng)的軌跡是拋物線，所以彗星與太陽(yáng)構(gòu)成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒且為零.彗星在近日點(diǎn)A有

(11)

由式(1)～(11)可得

(12)

由式(12)代入數(shù)據(jù)計(jì)算得

t=6.40×106s

(13)

(2)彗星在C點(diǎn)的速率等于在D點(diǎn)的速率，由機(jī)械能守恒且為零可得

(14)

即得

(15)

由式(15)代入數(shù)據(jù)計(jì)算得

vC=vD=4.22×104m/s

(16)

上文中的式(1)和式(6)是利用圓錐曲線的特性直接寫(xiě)出的，式(9)是利用開(kāi)普勒第二定律考慮極短時(shí)間間隔內(nèi)的情況寫(xiě)出來(lái)的，其他的式子屬于基本的幾何、物理或能量關(guān)系式.下面，我們介紹本題涉及到的圓錐曲線的特性和式(9)的來(lái)源.

1 圓錐曲線的極坐標(biāo)方程

2 拋物線與坐標(biāo)軸圍成圖形的面積公式

如圖3所示，拋物線的方程為y=kx2(k>0)，拋物線與x軸及平行于y軸的輔助線圍成的圖形Ox1Q的面積為

(17)

則拋物線與y軸及平行于x軸的輔助線圍成的圖形Oy1Q的面積為

(18)

圖3 拋物線

只要從拋物線的頂點(diǎn)算起，式(1)和式(2)對(duì)任意形式的拋物線均適用[式(16)利用到了式(2)的結(jié)論].

3 行星與太陽(yáng)連線掃過(guò)面積的變化率