- 中文名
- 掠面速度
- 外文名
- areal velocity [1]
- 所属学科
- 物理学、天文学
- 别 名
- 扇形速度 (sector velocity) [1]
- 定 义
- 单位时间内质点位置矢量扫过的面积
- 标矢性
- 矢量 [2]
- 公 式
- r×v/2
- 量 纲
- L2T-1
如图,宙体巴质点沿一曲线轨迹运动,分别用r和甩促项v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 ,其陵乌中θ为r兵促趋与v的夹角。由矢量外积的概念,|r×v|=rvs循钻inθ。于是dt内位置矢量r扫过催局格的面积大小可用|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泪少和×v/2|。r×v/2的方向恰与r和煮朽祝验v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。 [2]
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 。令r与v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。 [4]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。 [4]
面积速度定理
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B到C,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。 [4]
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(t+Δt),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r和rΔθ,面积为:
用 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。 [6]
轴矢量
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。
在参考系中,记恒星和行星的质量分别为M和m,位置矢量分别为r1和r2,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:
上式左边是可积的,即:
对其积分得:
而行星的位置矢量在时间dt内扫过两边分别为r和vdt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。 [3] [5]
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: