掠面速度是物理学和天文学中的物理量。掠面速度是矢量,在经典力学中,掠面速度的大小等于质点沿曲线运动时,该质点位置矢量所扫过的面积随时间的变化率,其方向垂直于质点的位置矢量和速度矢量所在的平面。在天文学中,掠面速度的大小为行星和恒星之间的连线在单位时间内扫过的面积。掠面速度用公式表示为nA=r×v/2。掠面速度也称扇形速度。
,其中θ为r与v的夹角。由矢量外积的概念,|r×v|=rvsinθ。于是dt内位置矢量r扫过的面积大小可用|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
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。在质点在有心力作用下,掠面速度守恒。这就是面积速度定理,也称等面积定律。
证明1:牛顿力学方法
如图,设质点在极小的时间间隔证明2:分析力学方法
在有心力场中,质点的角动量
为方便起见,一般建立以力心为原点的球坐标系,并选取角动量的方向为极轴,使质点运动平面落在φ=0平面内。
当选择球坐标系时,质点的拉格朗日函数为:
质点的拉格朗日函数的中不包含变量θ,说明θ是循环坐标,与其相对应的广义动量(即角动量)守恒。广义动量为:
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
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。
掠面速度是一个轴矢量。轴矢量也称为赝矢量,指的是在瑕旋转下,除了随之反射外,还会再上下翻转的矢量。极矢量和轴矢量都是广义上的矢量,在一般旋转下的特性相同。
在三维空间中,轴矢量p可以表示为两个极矢量a和b的外积:
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。
可由万有引力定律推导开普勒第二定律:
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
两式相减,得:
简记为:
以位置矢量r叉乘上式两边,可使右边成为零向量,即:
上式左边是可积的,即:
对其积分得:
其中,h是行星单位质量的动量矩(角动量),称为比角动量;上式称为动量矩积分,是二体运动的角动量守恒定律。
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。
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:
在中心力场中,质点的掠面速度守恒是普遍性质。在经典力学中,掠面速度守恒与角动量守恒等价。它们的区别在于,掠面速度