旋轉和公轉

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簡介

物體繞自身軸線旋轉的運動稱為旋轉。物體的軌道運動，以任何其他物體為中心，稱為公轉。地球圍繞自身旋轉，產生晝夜交替。這是旋轉的一個例子，當它沿著特定路徑繞太陽執行時，這被視為公轉過程。

旋轉的描述

基於特定物體的中心，旋轉是一種重要的圓周運動。旋轉的兩個最重要的要素是整個旋轉的中心和特定的旋轉角度（Kure & Sakai，2021）。角度有助於確定旋轉範圍。

旋轉軸是一個重要的組成部分，它連線著物體的旋轉路徑。在地球上，地球、其他行星和月球持續旋轉的假想線稱為旋轉軸。在軸線穿過物體質心的一段時間內，物體自轉並繞自身旋轉 (Kotlan, Karban & Doležel, 2018)。旋轉主要有三種類型：固有旋轉、進動和章動。

公轉的描述

軌道公轉是地球公轉的重要組成部分和相關概念。在公轉過程中，一個天體圍繞另一個天體執行。在這個過程中可以建立一條假想線 (Fan, 2019)。例如，地球不是圍繞自身軸線旋轉，而是圍繞太陽旋轉，而月球圍繞地球旋轉。地球自西向東旋轉，即逆時針方向。它的執行速度約為 30 公里/秒^-1。

圖 2：公轉和自轉

旋轉和公轉的主要特徵

地球以 23.5 度的傾角繞太陽自轉。地球的自轉是逆時針方向的。自轉導致晝夜交替。一次自轉大約需要 24 小時。離心力的概念與這些特徵相關。地球的公轉軌道呈橢圓形。地球公轉速度 = 每小時 68000 英里。一次公轉需要一年的時間，即 365.25 天。

旋轉和公轉的力

物體的旋轉和公轉與離心力緊密相關。這種力是一種慣性力，會影響處於旋轉過程中的特定物體。整個旋轉運動都與之相關。這種力向外作用。在這種型別的力中，會發現與旋轉軸平行的軸線 (Mallama & Hilton, 2018)。這種型別的軸通常穿過特定系統的原點。

圖 3：地球繞太陽旋轉

表示離心力的公式為“F = mω2r”。在這個公式中，m 表示物體的質量。符號 ω 表示角速度的範圍和值。物體到原點的距離用 r 表示。

行星運動：開普勒定律

約翰內斯·開普勒首先介紹並描述了行星圍繞太陽執行的軌道。行星運動可以用三個重要的定律來解釋 (Guo, Liu & Ding, 2018)。開普勒還引入了橢圓軌道的概念。開普勒還解釋了行星在靠近太陽時速度範圍較大。第一定律指出，包括地球在內的所有行星都沿橢圓軌道繞太陽執行。根據開普勒第二定律，在相等的時間間隔內，連線太陽和行星的直線覆蓋相等的面積。第三定律指出，特定行星的平均距離的立方等於時間的平方 (Lai et al. 2020)。這段時間是行星完成一次公轉所需的時間。時間與平均距離之間的關係成正比。

旋轉和公轉的區別

公轉	自轉
地球的軌道呈橢圓形。	自轉傾角為 23.5°，導致全年出現不同的季節。
完成一次公轉需要 365 天。	一次自轉持續時間接近 24 小時。
地球持續且有規律地圍繞太陽執行。	它基於地球自身軸線。
由於地球具有外部軸線，因此在公轉過程中，地球的位置不斷變化。	在地球自轉過程中，地球的位置保持不變。

表 1：旋轉和公轉的區別

結論

旋轉和公轉與地球的圓周運動概念緊密相關。在物理學中，物體的旋轉也取決於特定的軸線。公轉會影響物體的各種特徵。離心力幫助物體沿著特定線並在一定範圍內旋轉。根據與行星運動相關的開普勒定律，可以分析旋轉和公轉成分。

常見問題

Q1. 地球是否曾經改變過自轉速度？

A1. 地球過去曾根據地球的質量分佈及其大氣變化改變自轉速度。空氣的不同運動、水的運動以及地震的數量和型別也對地球的自轉速度變化起著重要作用。

Q2. 地震是否曾經影響過地球的自轉？

A2. 美國宇航局 (NASA) 針對印度尼西亞地震撰寫了一份報告。在這份報告中，發現一天的長度比以前縮短了，並且北極略微移動了幾釐米。這次地震也略微改變了地球的形狀。

Q3. 什麼是春分？

A3. 在特定時間，太陽穿過天球赤道。此時，夜晚和白天的時間長度相等。這段時間稱為春分。每年有兩個春分。

Q4. 哪個因素主要促使地球自轉？

A4. 太陽對地球的吸引力是地球自轉的主要原因。發現太陽會對地球產生旋轉力，從而幫助地球自轉。