Въведение в проблематиката
Законите на Кеплер са три физически закона, които описват движението на планетите в Слънчевата система. Въпреки, че законите на Йохан Кеплер са формулирани изключително за планетите, обикалящи около Слънцето, те са по-общи и описват движението на всяко едно тяло в централно гравитационно поле. Пример е движението на спътник около Земята или на комета около Слънцето. Няколко десетилетия по-късно Исак Нютон показва, че Законите на Кеплер са резултат от неговата теория за гравитацията и механиката. Тук ще бъдат формулирани трите закона на Кеплер и ще бъде обяснено значението им.
Преди да формулираме законите на Кеплер, да погледнем историята. Измерванията на датския астроном Тихо Брахе (1546 – 1601), който е направил много точни астрономически измервания на планетните позиции през втората половина на 16 век, са изиграли ключова роля при формулирането на законите за движението на планетите. Това се е случило през далечната 1599 г., когато той се преместил в двора на император Рудолф II в Прага, където се срещнал и си е сътрудничил (до смъртта си през 1601 г.) с немския астроном и математик Йохан Кеплер. Понякога за него се говори като за най-големия експериментатор и теоретик на своето време. Анализирайки данните на Брахе, Кеплер открил моделите за движение на планетите, които сега се наричат закони на Кеплер именно в негова чест.
Има много формулировки на законите на Кеплер, които се различават по своята обобщеност. На първо място ще представим най-честите формулировки на законите, като постепенно ще ги уточняваме.
За да разберем целия контекст, ще са ни необходими някои знания по математика и физика, които не се преподават в началните училища. Тук ще направим едно бързо обяснение на степенуването и коренуването, ще опишем елипсата, а от гледна точка на физиката ще разгледаме закона за гравитацията на Нютон; ще спрем вниманието си върху центробежната сила и центростремителната сила.
Степен и степенуване. Корен и коренуване
Първоначално ще дефинираме степените и степенуването, и ще продължаваме с мотивационни примери, за да се запознаем с правилата за работа с тях. Ще продължим с корените и коренуването, и тяхното отношение спрямо степените и степенуването. Ще илюстрираме как с помощта на степените можем да записваме числата в научен формат и защо степените и корените са важни във физиката.
Определение на степента
В уроците по математика използваме умножаването, за да напишем сумата от няколко еднакви числа, например:
Цифрата „5“ казва какво се повтаря, а цифрата „4“ - броят на повтарянията. Разбира се, може да се твърди, че това е просто още едно обозначение на цифрата „20“. Ако заместим събирането с умножение, многократното умножаване по едно и също число се записва така:
Това се нарича степенуване, цифрата „5“ е основата на степента, а цифрата „4“ е показателят на степента. Основата на степента ни казва какво се умножава, а показателят колко пъти се умножава. Трябва да осъзнаем това, защото , по-точно .
Използването на този запис може да бъде използвано и за по-сложни изрази:
Друг пример може да бъде:
Това също може да бъде записано като:
И двата начина на записване са равностойни, използват се само различни основи на степенуването.
Заслужава да се отбележи, например, че числото 10 бихме записали като 101, т.е 10 = 101. Също1 = 100 = 50 = 1,50. Това означава, че в израза на числото 10, съответно 5 и съответно 1,5 то се среща „нула пъти“, т.е. изобщо не присъства.
Разсъждения за избрани свойства на степените
Ще се опитаме да илюстрираме с примери валидността на тези отношения:
където u и v са произволни реални числа, с които учениците биха могли да се срещнат в своето изследване (не искаме да говорим за реални показатели, защото реалните числа не са част от учебната програма на началните училища).
В горните операции, приемаме, че а > 0. За a < 0 правилата за операции със степени също имат смисъл, но тъй като примерите в случая няма да са от полза, няма да се задълбочаваме допълнително с разглеждането на тази проблематика.
a) Нека вземем числото 10 000 и се опитаме да го запишем с помощта на степените на числото 10:
Ако се вгледаме в показателите, можем да видим, че показателите на равните степени се събират:
В общия случай, за показатели u и v на основа a, записваме:
б) Нека сега напишем числото 100, използвайки числата 1000 и 10, както и използвайки степенуването с основа 10:
За да се приложи уравнението , показателите трябва да се извадят: 3 – 1 = 2.
Ето още един пример:
Следователно, за показателите важи:
В общия случай:
в) Сега ще напишем числото 1 000 000, използвайки степените с основа 10, както и използвайки по-горе изведеното правило a):
За показателите важи:
В общия случай:
г) Нека напишем числото 10 като произведене 2 · 5, а после нека го степенуваме и напишем със степените на тези числа:
В общия случай:
Ако въведем , тогава бихме написали горното равенство по следния начин:
Научно записване на числата, използвайки степенуване
В науката записването с помощта на степенуването с основа 10 е широко разпространено. Нека посочим няколко конкретни примера:
■ средно разстояние между Земята и Слънцето:
■ маса на Земята:
■ гравитационна константа:
Корен, коренуване
Изразът за изписване на числото 100 със степени е . Корен квадратен на числото 100 бихме нарекли изразът , който е равен на 10. Квадратният корен ни дава отговор на въпроса каква би трябвало да бъде основата на степента, за да можем при показател 2 да получим числото 100.
Ето още примери:
Квадратният корен на 4 е 2 (т.е. ), защото .
Квадратният корен на 25 е 5 (т.е. ), защото .
Квадратният корен на 64 е 8 (т.е. ), защото .
Кубичният корен на 8 е 2 (т.е. ), защото .
Кубичният корен на 27 е 3 (т.е. ), защото .
Ако степенуваме числото 10 на втора степен, а после вземем корен квадратен от резултата, отново бихме получили 10. Валидно е и обратното:
Съгласно точка г) в част 1.2 получаваме:
Следователно, коренуването може да се изрази и като дробна степен, като числителят е степенният показател, а знаменателят е коренът, например
Затова, предишният пример можем да запишем така:
Следователно, общата формула е следната:
където n и m са реални числа, а основата приемаме за положителна (за по-лесно).
Пример
За даденото равенство трябва да изразим а:
Първо записваме за:
Решението за а се получава като кубичен корен от израза , или: