Matura 2027 · fizyka, poziom rozszerzony

Prawa Keplera: orbita eliptyczna, II i III prawo Keplera i moment pędu planety

Podstawa programowa wymaga, żebyś jakościowo analizował wpływ siły grawitacji Słońca na niejednostajny ruch planet po orbitach eliptycznych, interpretował II prawo Keplera jako konsekwencję zasady zachowania momentu pędu, a III prawo Keplera jako konsekwencję prawa powszechnego ciążenia i stosował je do obliczeń dla orbit kołowych i eliptycznych. Tak przygotujesz się do tej części matury z fizyki na poziomie rozszerzonym.

Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadania 5.1, 5.2 i 5.3), 2025 (zadania 5.1, 5.2 i 5.3), 2026 (zadania 5.1, 5.2, 5.3 i 5.4).

W skrócie

najważniejsze w kilku zdaniach
  • Planeta porusza się po elipsie, a przyciągająca ją siła zawsze wskazuje Słońce, czyli ognisko elipsy.
  • Półoś wielka orbity to a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}, gdzie rPr_P i rAr_A to najmniejsza i największa odległość od Słońca.
  • II prawo Keplera: promień wodzący zakreśla w równych czasach równe pola. Wynika z tego, że moment pędu planety jest stały.
  • W peryhelium i aphelium wektor prędkości jest prostopadły do promienia wodzącego, więc vPvA=\frac{v_P}{v_A} ={}rArP \frac{r_A}{r_P}.
  • III prawo Keplera: T2a3\frac{T^2}{a^3} ma jedną wartość dla wszystkich ciał krążących wokół tego samego centrum; dla Słońca T=a3/2T = a^{3/2} w latach i au.

Egzamin maturalny z fizyki na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. Zadania zamknięte dają około 20% punktów, otwarte — około 80%; za zadanie otwarte można otrzymać od 1 do 4 punktów. Podczas egzaminu korzystasz z linijki, kalkulatora naukowego i „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”.

Orbita eliptyczna i siła grawitacji Słońca

Planeta obiega Słońce po elipsie, w której jednym z ognisk jest Słońce. Punkt orbity najbliższy Słońcu to peryhelium, najdalszy to aphelium; odległości od Słońca w tych punktach oznaczamy rPr_P i rAr_A. Półoś wielka elipsy to połowa jej najdłuższej średnicy, a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}. Tylko dla orbity kołowej ta wielkość jest zwykłym promieniem.

Siła grawitacji, którą Słońce działa na planetę, jest skierowana wzdłuż prostej łączącej ich środki, czyli do ogniska elipsy, a nie do jej środka. Dlatego ruch jest niejednostajny: gdy planeta zbliża się do Słońca, składowa siły wzdłuż toru ma ten sam zwrot co prędkość i planeta przyśpiesza, a gdy się oddala, składowa jest skierowana przeciwnie i planeta zwalnia. Tak samo opisujesz ruch księżyca wokół planety, bo wyznacza go przede wszystkim siła grawitacji tej planety.

SłońcePAS₁S₂Fv

II prawo Keplera i moment pędu

Odcinek łączący planetę ze Słońcem zakreśla w równych odstępach czasu równe pola: ΔSΔt=\frac{\Delta S}{\Delta t} ={}const \mathrm{const}. Na rysunku oba zacieniowane wycinki odpowiadają równym czasom, więc mają równe pola. Łuk przy peryhelium jest dłuższy niż przy aphelium, bo przy mniejszym promieniu planeta musi pokonać dłuższą drogę, a więc poruszać się szybciej.

Przyczyną jest to, że siła grawitacji Słońca ma kierunek promienia wodzącego, więc jej moment względem Słońca jest równy zeru i moment pędu planety L=mrv⊥L = m r v_{\perp} się nie zmienia. W peryhelium i aphelium wektor prędkości jest prostopadły do promienia wodzącego, stąd mrPvP=mrAvAm r_P v_P = m r_A v_A i vPvA=\frac{v_P}{v_A} ={}rArP \frac{r_A}{r_P}. Planetoida z rP=r_P ={}0,50 au 0{,}50\ \mathrm{au} i rA=r_A ={}2,00 au 2{,}00\ \mathrm{au} jest w peryhelium cztery razy szybsza niż w aphelium. Nie myl tego stosunku z jego kwadratem: prędkość zmienia się odwrotnie do odległości, a nie do jej kwadratu.

III prawo Keplera i orbity kołowe

Dla ciał krążących wokół tego samego centrum iloraz T2a3\frac{T^2}{a^3} ma jedną wartość, gdzie aa jest promieniem orbity kołowej albo półosią wielką elipsy. Dla orbity kołowej wynika to z prawa ciążenia: rolę siły dośrodkowej pełni grawitacja, więc 4π2aT2=\frac{4\pi^2 a}{T^2} ={}GMa2 \frac{GM}{a^2}, czyli T2a3=\frac{T^2}{a^3} ={}4π2GM \frac{4\pi^2}{GM}. Stała zależy od masy centrum MM, a nie od masy krążącego ciała.

Dla ciał krążących wokół Słońca porównujesz je z Ziemią (a=1 aua = 1\ \mathrm{au}, T=1T = 1 rok). Gdy wyrażasz półoś wielką w jednostkach astronomicznych, okres w latach ziemskich wynosi T=a3/2T = a^{3/2}. Dla planetoidy z poprzedniego bloku a=a ={}0,50+2,002 au= \frac{0{,}50 + 2{,}00}{2}\ \mathrm{au} ={}1,25 au 1{,}25\ \mathrm{au}, więc okres wynosi około 1,401{,}40 roku. W układzie SI stała dla Ziemi wynosi 4π2GMZ=\frac{4\pi^2}{GM_Z} ={}9,90⋅10−14 s2/m3 9{,}90 \cdot 10^{-14}\ \mathrm{s^2/m^3}.

Zastosujmy to do satelity, którego okres obiegu Ziemi jest równy 24 h24\ \mathrm{h}. Z r3=r^3 ={}GMZT24π2 \frac{GM_Z T^2}{4\pi^2} wychodzi r≈4,22⋅107 mr \approx 4{,}22 \cdot 10^7\ \mathrm{m} od środka Ziemi, czyli około 3,59⋅107 m3{,}59 \cdot 10^7\ \mathrm{m} nad jej powierzchnią, a prędkość v=v ={}2πrT≈3,07 km/s \frac{2\pi r}{T} \approx 3{,}07\ \mathrm{km/s}.

aa, auTT, lataT2T^2, lata2\mathrm{lata^2}a3a^3, au3\mathrm{au^3}
0,250,1250,0156250,015625
1111
486464
927729729
166440964096

Pojęcia

siła grawitacji
Siła przyciągania między dwoma ciałami; w ruchu planety jest skierowana do Słońca i jest siłą dośrodkową na orbicie kołowej.
moment pędu
Wielkość opisująca ruch obrotowy względem osi lub punktu; dla ciała o masie mm w odległości rr od punktu odniesienia L=mrv⊥L = m r v_{\perp}, a w polu siły centralnej jest stała względem centrum tej siły.
II prawo Keplera
Odcinek łączący planetę ze Słońcem zakreśla w równych odstępach czasu równe pola; wynika z zachowania momentu pędu.
III prawo Keplera
Iloraz kwadratu okresu obiegu i sześcianu półosi wielkiej orbity, T2a3\frac{T^2}{a^3}, jest taki sam dla wszystkich ciał krążących wokół tego samego centrum.
peryhelium
Punkt orbity planety najbliższy Słońcu; odległość od Słońca w tym punkcie oznaczamy rPr_P.
aphelium
Punkt orbity planety najdalszy od Słońca; odległość od Słońca w tym punkcie oznaczamy rAr_A.
półoś wielka
Połowa najdłuższej średnicy elipsy, a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}; w III prawie Keplera zastępuje promień orbity kołowej.
jednostka astronomiczna
Jednostka długości używana w Układzie Słonecznym, w przybliżeniu równa średniej odległości Ziemi od Słońca: 1 au=1\ \mathrm{au} ={}1,496⋅1011 m 1{,}496 \cdot 10^{11}\ \mathrm{m}.

Zadanie z matury

źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura

Matura 2025, fizyka (poziom rozszerzony), zadanie 5.3

Zadanie 5.3. (0–3)

Planetoida Chiron obiega Słońce po orbicie eliptycznej, a Ziemia obiega Słońce po orbicie, którą w przybliżeniu możemy potraktować jako kołową. Poniżej podano niektóre dane dotyczące ruchu orbitalnego Chirona oraz Ziemi względem Słońca (podane odległości są zaokrąglone do części dziesiętnych jednostki astronomicznej): • najmniejsza odległość Chirona od środka Słońca jest równa rP=r_P ={}8,5 au 8{,}5\ \mathrm{au} • największa odległość Chirona od środka Słońca jest równa rA=r_A ={}18,9 au 18{,}9\ \mathrm{au} • odległość Ziemi od środka Słońca jest równa aZ=a_Z ={}1,0 au 1{,}0\ \mathrm{au} • okres obiegu Ziemi dookoła Słońca wynosi TZ=1,00T_Z = 1{,}00 rok ziemski. W zadaniu pomijamy wpływ innych ciał (oprócz Słońca) na ruch Chirona oraz na ruch Ziemi. Orbitę Chirona (z zachowaniem skali elipsy) zilustrowano na rysunku poniżej. RysunekPASłońceChironrPrAaC = ½|PA|(długość półosi wielkiej)Oblicz okres obiegu Chirona wokół Słońca. Zapisz obliczenia. Wynik podaj w latach ziemskich.

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2025, fizyka, poziom rozszerzony (arkusz MFAP-⁠R0-⁠100-⁠2505), zadanie 5.3. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE

Zadanie z arkusza CKEmatura

Matura 2023, fizyka (poziom rozszerzony), zadanie 5.2

Zadanie 5.2. (0–1)

Sagittarius A* (Sgr A*) to bardzo masywny obiekt znajdujący się w centrum naszej galaktyki. Gwiazda znana jako S2 obiega obiekt Sgr A* po wydłużonej orbicie eliptycznej. Parametry tego ruchu orbitalnego są następujące: • okres obiegu S2 dookoła Sgr A* wynosi TS2=16T_{\mathrm{S2}} = 16 lat ziemskich • najmniejsza odległość środka S2 od centrum Sgr A* jest równa rP=r_P ={}120 au 120\ \mathrm{au} • największa odległość środka S2 od centrum Sgr A* jest równa rA=r_A ={}1820 au 1820\ \mathrm{au}. Przyjmij, że Sgr A* się nie porusza, oraz pomiń wpływ innych ciał na ruch S2. Opisaną sytuację przedstawiono na rysunku 1. Ponadto oznaczono wektor v⃗\vec{v} prędkości środka S2 w przedstawionym położeniu na orbicie.Wartość prędkości środka S2 w punkcie PP orbity (rysunek 1. na stronie 12) oznaczymy jako vPv_P, a wartość prędkości środka S2 w punkcie AA orbity oznaczymy jako vAv_A. Prędkość środka S2 w punkcie PP lub w punkcie AA jest prostopadła do promienia wodzącego (odcinka łączącego środki S2 i Sgr A*). Dokończ zdanie. Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych. Iloraz vPvA\frac{v_P}{v_A} jest równy (w zaokrągleniu do trzech cyfr znaczących)
PASgr A*S2vrPrA½|PA|(długość półosi wielkiej)Rysunek 1.PASgr A*S2Rysunek 2.

Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, fizyka, poziom rozszerzony (arkusz MFAP-⁠R0-⁠100-⁠2305), zadanie 5.2. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE

Sprawdź się

sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: rozwiązanie zadania otwartego ocenia się etapami — za pokonanie zasadniczych trudności dostajesz co najmniej połowę punktów, więc niedokończone obliczenie też warto zapisać. Wynik bez jednostki albo z błędną jednostką nie daje maksymalnej liczby punktów, a gdy polecenie podaje liczbę cyfr znaczących, wynik musi ją mieć.
zadanie Kleksy

Zadanie 1. (0–1)

Dokończ zdanie. Wpisz właściwą liczbę w wykropkowane miejsce. Planetoida obiega Słońce w czasie T=3,00T = 3{,}00 lat ziemskich. Dla Ziemi aZ=a_Z ={}1,00 au 1{,}00\ \mathrm{au} i TZ=1,00T_Z = 1{,}00 roku. Półoś wielka orbity planetoidy, zaokrąglona do trzech cyfr znaczących, jest równa a=……a = \ldots\ldots
au

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 2. (0–1)

Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych. Kometa obiega Słońce po elipsie. Jej najmniejsza odległość od Słońca wynosi 1,0 au1{,}0\ \mathrm{au}, a największa 11 au11\ \mathrm{au}. Okres obiegu komety, wyrażony w latach ziemskich, jest równy

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 3. (0–1)

Dobierz do każdego opisu (1–3) prawo (A–D), z którego ten opis wynika.

Prawo

  1. AI prawo Keplera.
  2. BII prawo Keplera.
  3. CIII prawo Keplera.
  4. DZasada zachowania pędu.

Opis

1. Promień wodzący planety zakreśla w jednakowych odstępach czasu jednakowe pola.
2. Dla wszystkich ciał krążących wokół Słońca iloraz kwadratu okresu i sześcianu półosi wielkiej orbity ma tę samą wartość.
3. Planeta porusza się po elipsie, w której jednym z ognisk jest Słońce.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

zadanie Kleksy

Zadanie 4. (0–1)

Planeta porusza się po orbicie eliptycznej wokół Słońca. Pomiń wpływ innych ciał. Oceń prawdziwość poniższych stwierdzeń. Wybierz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
W punkcie orbity leżącym na końcu półosi małej siła grawitacji Słońca działająca na planetę jest prostopadła do jej prędkości.
Planeta, której aphelium leży trzy razy dalej od Słońca niż peryhelium, ma w peryhelium prędkość o wartości trzykrotnie większej niż w aphelium.

Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.

Więcej zadań: rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z maja 2026 roku

Częste pomyłki

tu najłatwiej stracić punkt
  • Wstawianie do III prawa Keplera skrajnej odległości od Słońca zamiast półosi wielkiej. Dla elipsy bierzesz a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}.
  • Zakładanie, że siła grawitacji jest skierowana do środka elipsy. Zawsze wskazuje Słońce, czyli ognisko.
  • Odwracanie stosunku prędkości. Planeta jest szybsza bliżej Słońca, więc vPvA=\frac{v_P}{v_A} ={}rArP \frac{r_A}{r_P}, a nie rPrA\frac{r_P}{r_A}; i nie kwadrat tego ilorazu.
  • Mieszanie jednostek w T2a3\frac{T^2}{a^3}. Wzór T=a3/2T = a^{3/2} wolno stosować tylko dla aa w jednostkach astronomicznych i TT w latach, przy porównaniu z Ziemią.
  • Utożsamianie równych pól z równymi łukami. W równych czasach równe są pola wycinków, a łuk przy peryhelium jest dłuższy.

Zapamiętaj

  • Półoś wielka: a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}.
  • II prawo: ΔSΔt=\frac{\Delta S}{\Delta t} ={}const \mathrm{const}, czyli L=constL = \mathrm{const} i rPvP=rAvAr_P v_P = r_A v_A.
  • III prawo: T12a13=\frac{T_1^2}{a_1^3} ={}T22a23 \frac{T_2^2}{a_2^3}; dla orbity kołowej T2r3=\frac{T^2}{r^3} ={}4π2GM \frac{4\pi^2}{GM}.
  • Dla Słońca: T=a3/2T = a^{3/2} (lata, au).
  • Siła grawitacji wskazuje Słońce, a nie środek elipsy.

Pytania i odpowiedzi

  1. 1.Czy III prawo Keplera obowiązuje dla orbit eliptycznych?+
    Odp.:Tak, jeśli w miejsce promienia wstawisz półoś wielką elipsy aa. Prawo mówi, że T2a3\frac{T^2}{a^3} ma tę samą wartość dla wszystkich ciał krążących wokół tego samego centrum, niezależnie od mimośrodu orbity. Dla orbity kołowej półoś wielka jest po prostu jej promieniem.
  2. 2.Dlaczego planeta porusza się szybciej w peryhelium?+
    Odp.:Planeta ma względem Słońca stały moment pędu, a w peryhelium promień jest najmniejszy, więc prędkość musi być największa: mrPvP=mrAvAm r_P v_P = m r_A v_A. Od strony energii planeta zbliżając się do Słońca traci energię potencjalną grawitacji i zyskuje kinetyczną.
  3. 3.Jak z prawa ciążenia wyprowadzić III prawo Keplera?+
    Odp.:Dla orbity kołowej przyrównaj siłę grawitacji do siły dośrodkowej, GMmr2=G\frac{Mm}{r^2} ={}m4π2rT2 m\frac{4\pi^2 r}{T^2}. Masa mm się skraca i zostaje T2r3=\frac{T^2}{r^3} ={}4π2GM \frac{4\pi^2}{GM}: prawa strona zależy tylko od masy centrum. Dla elipsy rachunek jest dłuższy, a wynik ma tę samą postać z aa zamiast rr.
  4. 4.Jak obliczyć półoś wielką, gdy znam peryhelium i aphelium?+
    Odp.:Dodaj obie skrajne odległości od Słońca i podziel przez dwa: a=rP+rA2a = \frac{r_P + r_A}{2}. Suma rP+rAr_P + r_A jest długością najdłuższej osi elipsy, więc jej połowa to półoś wielka. Pamiętaj, że odległości mierzysz od środka Słońca, nie od jego powierzchni.
  5. 5.Czy równe pola oznaczają, że planeta przebywa równe drogi?+
    Odp.:Nie. W równych odstępach czasu promień wodzący zakreśla równe pola, ale droga planety jest dłuższa tam, gdzie promień jest krótszy, bo przy peryhelium wycinek jest szeroki i płaski. Dlatego planeta jest tam szybsza.

Zadanie ostatnie.

Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z fizyki (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.