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Orbital velocity of a satellite 公式,SPM 物理

公式:v = √(GM / r)。考试不提供,需记忆。

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Orbital velocity of a satellite
v = √(GM / r)

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 / r
  • r = GM / v²
  • M = v²r / G

解题示例

一卫星以 r = 7.0 × 10⁶ m 绕地球(M = 6.0 × 10²⁴ kg)运行(G = 6.67 × 10⁻¹¹)。 v = √(GM / r) = √((6.67 × 10⁻¹¹ × 6.0 × 10²⁴) / 7.0 × 10⁶) = 7.56 × 10³ m s⁻¹。

常见陷阱

r 从行星中心量起,而非表面。轨道速度与卫星自身质量无关。

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 / v²M = 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)

作者 spmphysics.com.my 编辑团队.· 更新于 2026年9月5日

常见问题

考试会给这个公式吗?
不会。SPM 物理试卷不提供公式表,因此需要记住。
为什么公式中没有卫星的质量?
引力提供向心力,故 mv²/r = GMm/r²。卫星质量 m 在两边相消,留下 v² = GM/r。相同半径处的两颗卫星,无论质量多少,轨道速度相同。
r 是离地面的高度吗?
不是。r 是从行星中心到卫星的距离。代入前要把行星半径加到轨道高度上,并全部换算为米。
如何由 v 求轨道周期?
卫星每一周期走一个周长,故 T = 2πr / v。先用 v = √(GM / r) 求 v,再用周长 2πr 除以该速度。

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