按 Prof. Linhart 真实出卷风格的三套 Zettel(Zettel 1 为旁听证实的真题 ★)+ 考官追问链 + 答案钥匙——内容锚点以 讲义主题 2 为准。口试约 10 分钟,先在纸上写推导与数字,再围绕卷面讨论。
Zettel 1 — 地球同步卫星 ★(真题卷)
范式定位: „Im Paradigma der klassischen Mechanik genügt ein einziger Gedanke für die ganze Raumfahrt: Die Gravitation liefert die Zentripetalkraft."
- ★ Erkläre: 卫星(Satellit)的意义与应用——举出至少四类(电视、电信、气象、侦察/导航……)。
- ★ 物理定律: 地球同步卫星(geostationärer Satellit)背后的物理定律是什么?写出 ansatz(
),解释其中每一个物理量,并说出同步卫星的三个条件。 - ★ Ableitung durchführen: 从
出发,推导轨道半径 。 - ★ 单位换算 + Rechenbeispiel:
要用什么单位?代入数字计算 ( kg, s),并求离地面的高度。 - ★ Alltagsbeispiel 收尾: 你家屋顶的**卫星天线锅(Satellitenschüssel)**朝哪个方向?为什么?(北半球)
Zettel 2 — 圆轨道与 ISS
范式定位: „Im Paradigma der klassischen Mechanik fällt ein Satellit ständig — er verfehlt nur immerzu den Boden."
- Erkläre: 引力一直作用在卫星上,它为什么不掉下来?(牛顿山顶思想实验)
- Ableitung durchführen: 推导圆轨道速度
。卫星质量为什么不出现在结果里? - 追问(轶事): 1957 年 Sputnik 之后,艾森豪威尔总统问顾问:已知高度与轨道速度,能算出卫星质量吗?
- Rechenbeispiel: 计算 ISS(
km, km)的轨道速度与周期。 代什么——常见错误是什么? - 概念: 什么是第一宇宙速度(erste kosmische Geschwindigkeit)?为什么 ISS 比它稍慢?
- 误区弯钩: ISS 上的宇航员「失重」——那里没有引力吗?(提示:400 km 高度引力仍约 89%)
Zettel 3 — 逃逸速度与轨道形状
范式定位: „Im Paradigma der klassischen Mechanik entscheidet allein die Gesamtenergie, ob ein Körper gebunden bleibt oder entkommt."
- Erkläre: 精确定义逃逸速度(Fluchtgeschwindigkeit)——「无穷远处」发生什么?
- Ableitung durchführen: 用能量守恒推导
。 - Rechenbeispiel: 计算地球与月球的
(月球: kg, m)。 - 关系:
与同高度圆轨道速度是什么关系?为什么恰好是 ? - 总能量三分类:
的正负如何决定轨道是椭圆、抛物线还是双曲线? - 弯钩(通往主题 11): 若某天体表面
会怎样?由此写出史瓦西半径。另:为什么发射场都靠近赤道、向东发射?
考官追问链 / Nachfragen-Kette
- ★ „Wohin zeigt Ihre Satellitenschüssel zu Hause — und warum?"
- „Warum ein Sterntag und nicht 24 Stunden?"
- „Sie haben T in Stunden eingesetzt — was geht da schief?"
- „Kann ein Satellit über Wien stehen bleiben?"
- „Eisenhowers Frage: Höhe und Geschwindigkeit bekannt — Masse berechenbar?"
- „Auf der ISS schweben die Astronauten — gibt es dort keine Gravitation?"
- „Je höher die Bahn — schneller oder langsamer?"
- „Warum genau
?" - „Die Reibung bremst den Satelliten — warum wird er dann schneller?"
- „Was passiert, wenn
größer als die Lichtgeschwindigkeit wird?" - „Warum startet man Raketen nach Osten?"
- „Was bedeutet eine negative Gesamtenergie?"
§§ANTWORTEN
Zettel 1
- 应用:卫星电视、电信、气象卫星、侦察卫星;再加导航(GPS)、地球观测。意义:全球通信与观测的基础设施——同步卫星「挂」在天上不动,天线不必跟踪。→ 讲义 §2.3
- 定律:引力提供向心力,
,即 。物理量: …卫星质量(kg,会约掉)、 …地球质量(kg)、 …引力常数( N·m²/kg²)、 …从地心算起的轨道半径(m)、 …轨道速度(m/s)。三个条件:周期 = 一个恒星日(Sterntag);轨道在赤道上空;与地球自转同向。→ 讲义 §2.3 - 由
(约掉 后),代 : → ;代 : → → 。→ 讲义 §2.3 推导 必须换算成秒: s(精确恒星日 86 164 s 只差约 80 km)。代入:$$r = \sqrt[3]{\frac{6{,}674\cdot10^{-11}\cdot5{,}974\cdot10^{24}\cdot86,400^2}{4\pi^2}} = \sqrt[3]{\frac{3{,}99\cdot10^{14}\cdot7{,}46\cdot10^{9}}{39{,}48}} = \sqrt[3]{7{,}54\cdot10^{22}} \approx 4{,}22\cdot10^{7}\ \text{m} \approx 42,200\ \text{km}$$(验算: ✓)高度: km。顺带: km/s。 - ★ 朝南——同步卫星只能在赤道上空,从北半球(奥地利约北纬 48°)看,赤道方向就是正南,所以天线锅固定朝南、且不必转动。德语关键句:„Auf der Nordhalbkugel zeigt die Schüssel nach Süden — zum Satelliten über dem Äquator." → 讲义 §2.3
Zettel 2
- 卫星其实一直在下落,只是横向速度太快,地球表面在它下方以同样速度弯曲离开——它永远「错过」地面(牛顿山顶大炮,见 主题 11 §11.1)。→ 讲义 §2.2
→ 两边约掉 → → 。卫星质量在等式两边出现、被约掉——同一轨道上羽毛和卡车速度相同。 - 不能——正因
被约掉,轨道数据里不含任何质量信息;质量只能通过相互作用(如碰撞 + 动量守恒)测定。→ 讲义 §2.2 km m(常见错误:只代飞行高度 !)。$$v = \sqrt{\frac{6{,}674\cdot10^{-11}\cdot5{,}974\cdot10^{24}}{6{,}77\cdot10^6}} = \sqrt{5{,}89\cdot10^7} \approx 7670\ \text{m/s} \approx 7{,}7\ \text{km/s}$$ $$T = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi\cdot6{,}77\cdot10^6}{7670} \approx 5546\ \text{s} \approx 92\ \text{min}$$(验算: ✓)每天约绕 16 圈。 - 第一宇宙速度:贴近地面圆轨道(
)所需的速度 km/s——绕地圆周运动的最小速度。ISS 高 400 km, 更大 → 略小(7,7 km/s):「轨道越高越慢」。 - 有引力——400 km 处仍约为地表的
( )。失重是因为宇航员与空间站一起处于自由落体(freier Fall)——绕行就是永远落不到地面的下落。这正是主题 11 的等效原理:自由落体 ≡ 失重。→ 讲义 §2.2 · 主题 11 §11.5
Zettel 3
是在天体表面永远摆脱其引力场所需的速度。精确:以恰好 出发,经无限长时间、在无限远处速度恰好变为 0。→ 讲义 §2.4 - 出发:
;无穷远:动能耗尽、全部转入势能。令相等: → 约掉 、乘 2: ;代 、 : → 。(严谨版:令表面总能量为零, ,同样结果。)→ 讲义 §2.4 推导 - 地球:
m/s km/s。月球: m/s km/s。(验算: ✓; ✓) 。两式并排: 、 ——唯一区别是根号下的因子 2;相除即得 。 → 被束缚(圆/椭圆,开普勒轨道); → 恰好 ,抛物线; → 带剩余速度逃逸,双曲线。→ 讲义 §2.5 → 连光都逃不出——黑洞。令 : (史瓦西半径,详见 主题 11 §11.7)。发射场:地球自西向东自转,赤道地面速度约 km/s——向东发射把它当「免费首付」省燃料。
追问链速答
- ★ 朝南——卫星在赤道上空,北半球看它在正南方向。
- 恒星日 = 地球相对恒星转一整圈(23 h 56 min);「悬停在同一地点上方」看的是真正自转,太阳日多出的 4 分钟来自绕日公转。
- 量纲错乱——
的单位含秒, 必须用秒,否则 错几个数量级。 - 不能——轨道平面必须过地心;绕维也纳纬度圈的圆心在地轴上而非地心,引力给不出这种向心力(从地面看只能画「8」字)。
- 不能——
在方程两边约掉,轨道数据不含质量信息。 - 有(约 89%)——失重 = 与空间站一起自由落体。
- 越慢(
, 大则 小);同步轨道 3,1 km/s < ISS 7,7 km/s。 - 根号下多一个因子 2:
。 - 摩擦减少总能量 → 轨道变低 →
小则 大:下落释放的势能多于摩擦消耗,盈余成动能。 - 黑洞——事件视界处
,由此得史瓦西半径 。 - 地球自西向东转,地面自带向东速度(赤道
km/s)——免费的初速度。 - 物体被束缚在势阱里(圆/椭圆轨道)——能量不够逃到无穷远。