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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."

  1. 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……)。
  2. 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(FZP=FG),解释其中每一个物理量,并说出同步卫星的三个条件
  3. Ableitung durchführen:FZP=FG 出发,推导轨道半径 r=GMT24π23
  4. 单位换算 + Rechenbeispiel: T 要用什么单位?代入数字计算 rME=5,9741024 kg,T86400 s),并求离地面的高度
  5. 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."

  1. 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)
  2. Ableitung durchführen: 推导圆轨道速度 v=GMr卫星质量为什么不出现在结果里?
  3. 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?
  4. Rechenbeispiel: 计算 ISSh=400 km,RE=6370 km)的轨道速度与周期。r 代什么——常见错误是什么?
  5. 概念: 什么是第一宇宙速度(erste kosmische Geschwindigkeit)?为什么 ISS 比它稍慢?
  6. 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."

  1. Erkläre: 精确定义逃逸速度(Fluchtgeschwindigkeit)——「无穷远处」发生什么?
  2. Ableitung durchführen:能量守恒推导 vF=2GMr
  3. Rechenbeispiel: 计算地球与月球的 vF(月球:M=7,351022 kg,r=1,74106 m)。
  4. 关系: vF 与同高度圆轨道速度是什么关系?为什么恰好是 2
  5. 总能量三分类: Eges=mv22GMmr正负如何决定轨道是椭圆、抛物线还是双曲线?
  6. 弯钩(通往主题 11): 若某天体表面 vF>c0 会怎样?由此写出史瓦西半径。另:为什么发射场都靠近赤道、向发射?

考官追问链 / Nachfragen-Kette

  1. „Wohin zeigt Ihre Satellitenschüssel zu Hause — und warum?"
  2. „Warum ein Sterntag und nicht 24 Stunden?"
  3. „Sie haben T in Stunden eingesetzt — was geht da schief?"
  4. „Kann ein Satellit über Wien stehen bleiben?"
  5. „Eisenhowers Frage: Höhe und Geschwindigkeit bekannt — Masse berechenbar?"
  6. „Auf der ISS schweben die Astronauten — gibt es dort keine Gravitation?"
  7. „Je höher die Bahn — schneller oder langsamer?"
  8. „Warum genau 2?"
  9. „Die Reibung bremst den Satelliten — warum wird er dann schneller?"
  10. „Was passiert, wenn vF größer als die Lichtgeschwindigkeit wird?"
  11. „Warum startet man Raketen nach Osten?"
  12. „Was bedeutet eine negative Gesamtenergie?"

§§ANTWORTEN

Zettel 1

  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
  2. 定律:引力提供向心力,FZP=FG,即 mv2r=GMmr2。物理量:m…卫星质量(kg,会约掉)、M…地球质量(kg)、G…引力常数(6,6741011 N·m²/kg²)、r从地心算起的轨道半径(m)、v…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
  3. v2=GMr(约掉 m 后),代 v=ωrω2r2=GMrω2r3=GM;代 ω=2πT4π2T2r3=GMr3=GMT24π2r=GMT24π23。→ 讲义 §2.3 推导
  4. T 必须换算成T=243600=86400 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:(4,22107)3=7,521022 ✓)高度:h=rRE42200637035800 km。顺带:v=2πrT3,1 km/s。
  5. ——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

  1. 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
  2. mv2r=GMmr2 → 两边约掉 mv2=GMrv=GM/r。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
  3. 不能——正因 m 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
  4. r=RE+h=6370+400=6770 km =6,77106 m(常见错误:只代飞行高度 h!)。$$v = \sqrt{\frac{6{,}674\cdot10^{-11}\cdot5{,}974\cdot10^{24}}{6{,}77\cdot10^6}} = \sqrt{5{,}89\cdot10^7} \approx 7670\ \text{m/s} \approx 7{,}7\ \text{km/s}$$ $$T = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi\cdot6{,}77\cdot10^6}{7670} \approx 5546\ \text{s} \approx 92\ \text{min}$$(验算:76702=5,88107 ✓)每天约绕 16 圈。
  5. 第一宇宙速度:贴近地面圆轨道(r=RE)所需的速度 7,9 km/s——绕地圆周运动的最小速度。ISS 高 400 km,r 更大 → v 略小(7,7 km/s):「轨道越高越慢」。
  6. 有引力——400 km 处仍约为地表的 89%(6370/6770)2)。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

  1. vF 是在天体表面永远摆脱其引力场所需的速度。精确:以恰好 vF 出发,经无限长时间、在无限远处速度恰好变为 0。→ 讲义 §2.4
  2. 出发:Eges=mvF22;无穷远:动能耗尽、全部转入势能。令相等:mvF22=mgh → 约掉 m、乘 2:vF2=2gh;代 g=GMr2h=rvF2=2GMrvF=2GM/r。(严谨版:令表面总能量为零,12mvF2GMmr=0,同样结果。)→ 讲义 §2.4 推导
  3. 地球vF=26,67410115,97410246,37106=1,2510811200 m/s 11,2 km/s。月球vF=26,67410117,3510221,74106=5,641062370 m/s 2,4 km/s。(验算:112002=1,25108 ✓;23702=5,6106 ✓)
  4. vF=2v。两式并排:v2=GMrvF2=2GMr——唯一区别是根号下的因子 2;相除即得 2
  5. Eges<0被束缚(圆/椭圆,开普勒轨道);Eges=0 → 恰好 v=vF抛物线Eges>0 → 带剩余速度逃逸,双曲线。→ 讲义 §2.5
  6. vF>c0 → 连光都逃不出——黑洞。令 vF=c0R=2GMc02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 0,46 km/s——向东发射把它当「免费首付」省燃料。

追问链速答

  1. ——卫星在赤道上空,北半球看它在正南方向。
  2. 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。
  3. 量纲错乱——G 的单位含T 必须用秒,否则 r 错几个数量级。
  4. 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)。
  5. 不能——m 在方程两边约掉,轨道数据不含质量信息。
  6. 有(约 89%)——失重 = 与空间站一起自由落体
  7. 越慢v=GM/rr 大则 v 小);同步轨道 3,1 km/s < ISS 7,7 km/s。
  8. 根号下多一个因子 2vF2/v2=2
  9. 摩擦减少总能量 → 轨道变低 → r 小则 v :下落释放的势能多于摩擦消耗,盈余成动能。
  10. 黑洞——事件视界处 vF=c0,由此得史瓦西半径 R=2GM/c02
  11. 地球自西向东转,地面自带向东速度(赤道 0,46 km/s)——免费的初速度。
  12. 物体被束缚在势阱里(圆/椭圆轨道)——能量不够逃到无穷远。