考试不提供,需记忆。
用途
Orbital velocity of a satellite 用于万有引力(SPM 物理中四)。每一行运算都要带 SI 单位。 万有引力
符号与 SI 单位
| 符号 | 含义 | SI 单位 |
|---|---|---|
| v | 轨道速度 | m s⁻¹ |
| G | 万有引力常数 | N m² kg⁻² |
| M | 行星质量 | kg |
| r | 轨道半径 | m |
公式变形
v² = GM / rr = GM / v²M = v²r / G
解题示例
常见陷阱
理解卫星的轨道速度
公式 v = √(GM / r) 给出卫星维持圆形轨道所须保持的速率。其中 v 是轨道速度,单位为米每秒(m s⁻¹);G 是万有引力常数,6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻²;M 是行星质量,单位千克(kg);r 是轨道半径,单位米(m),从行星中心量起。
此关系由令引力等于向心力导出,因此卫星自身质量会相消。求其他量时,把两边平方得 v² = GM / r,再整理为 r = GM / v² 或 M = v²r / G。
半径越大,轨道速度总是越慢。
分步解题示例
一卫星以半径 r = 4.2 × 10⁷ m 绕地球(M = 6.0 × 10²⁴ kg)运行,接近地球同步高度。取 G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻²。
写出公式:v = √(GM / r)。代入并带单位:v = √((6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻² × 6.0 × 10²⁴ kg) / 4.2 × 10⁷ m)。
先算分子:GM = 4.00 × 10¹⁴。除以 r:4.00 × 10¹⁴ / 4.2 × 10⁷ = 9.53 × 10⁶。
开平方:v = √(9.53 × 10⁶) = 3.09 × 10³ m s⁻¹。故卫星速度约为 3090 m s⁻¹,取三位有效数字。
常见错误与考法
主要陷阱是从行星表面量 r。r 必须从中心量起,所以要把行星半径加上高度。
轨道速度也与卫星自身质量无关,考官常用一个干扰质量值来测试这一点。
其他错误:最后忘记开平方,把答案留作 v²;在 G 与 M 相乘前就相除;以及把以千米计的 r 与以米计的 r 混淆。务必先换算为米。
在命令词计算下,须展示代入与单位。在解释下,可能要你说明为何更高的轨道意味卫星更慢,或为何质量相消。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English), Sijil Pelajaran Malaysia: Format Pentaksiran mulai 2021, Fizik (4531) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)