目标公式:
适用范围/假设: 圆轨道(
★ 真题相关: 地球同步卫星(geostationärer Satellit)的轨道半径推导是已证实的真题。
用到的公式
| 公式 | 名称 | Formelnheft |
|---|---|---|
| Zentripetalkraft(向心力) | ✅ S. 2 („Zentripetalkraft") | |
| Gravitationsgesetz(万有引力定律) | ✅ S. 2 („Gravitationsgesetz") | |
| Bahngeschwindigkeit(轨道速度) | ✅ S. 2 („Bahngeschwindigkeit") | |
| Winkelgeschwindigkeit(角速度) | ✅ S. 2 („Winkelgeschwindigkeit") | |
| Frequenz/Schwingungsdauer(频率与周期) | ✅ S. 2 („Frequenz/Schwingungsdauer";与同页 | |
| Durchschnittsgeschwindigkeit——用于 | ✅ S. 2 („Durchschnittsgeschwindigkeit") | |
| 轨道速度 / 同步轨道半径 | ❌ 不在 Formelnheft——考场需由 |
推导(Schritt für Schritt)
A)圆轨道速度
- 物理出发点。 卫星沿圆轨道运行需要向心力(H04),而这里唯一向内拉的力是引力——引力担当向心力的角色:
- 代入两个公式(均为 Formelnheft S. 2):左边
,右边 : - 约掉卫星质量
(两边同除以 ,允许因为 ): 关键一步:轨道速度与卫星质量无关——同一轨道上羽毛与卡车同速(艾森豪威尔之问:由轨道数据算不出卫星质量)。 - 两边同乘
(右边约掉一个 : ): - 开平方(取正根,速度大小
): 「越高越慢」: 在分母 ⇒ 越大 越小。
B)周期
- 匀速圆周运动中速率恒定,可用
且 。 - 取一整圈:$\Delta s = $ 轨道周长
(圆周长公式), :
C)算例:ISS(独立验算)
(与讲义一致。贴地轨道
D)★ 地球同步卫星
思路: 这里给定的不是
- 出发点同 A 第 4 步(引力担当向心力的结果):
- 把
换成角速度( ,S. 2;即 ): - 两边同乘
(右边的 消去,左边幂次合并为 ): - 把
用 表示。 一整圈 = 在时间 内转过 : (由 与 ,均在册)。平方后代入: - 解出
(两边同乘 ): - 开立方:
- 算例(独立验算)。
s(整 24 h 近似;精确恒星日 s 只改变结果约 80 km): 距地面 km ✓。顺带 km/s——远慢于 ISS 的 km/s,再次印证「越高越慢」。 考试陷阱: 一定要换算成秒! 另两个条件:轨道在赤道上空(轨道平面必须过地心)、与自转同向。
变量表
| 符号 | 含义 | SI 单位 |
|---|---|---|
| 轨道速度 | m/s | |
| 轨道半径(从地心算起);同步轨道半径 | m | |
| 卫星质量(推导中约掉) | kg | |
| 中心天体质量;地球质量 | kg | |
| 引力常数 | N·m²/kg² | |
| 地球半径 | m | |
| 向心力;引力 | N | |
| 周期(同步卫星:1 恒星日 | s | |
| 角速度 | rad/s | |
| 频率 | Hz | |
| 轨道周长 | m | |
| 距地面高度 | m |