高中拓展 · 硬科幻模型 · 轨道 · 引力势阱

离开星球,究竟需要多快?

孤立球形地球,半径6371 km;表面以上高度,无空气和自转。把起点移到高轨道,比较圆轨道与逃逸速度。

问题的来处牛顿引力 · 从炮弹到逃逸

逃逸速度:问题从哪里来?

牛顿的高山炮弹思想实验把落地、环绕和飞离放进同一个引力图景。逃逸不是“引力突然消失”,而是机械能足以到达无限远。

读一段背景,带着问题动手

牛顿的高山炮弹思想实验把落地、环绕和飞离放进同一个引力图景。逃逸不是“引力突然消失”,而是机械能足以到达无限远。

本页取球对称天体和无大气近似,比较初速度与逃逸速度。持续推进的火箭与一次瞬时给速的抛体不是同一种过程。

现在,换你来试把起点移到高轨道,比较圆轨道与逃逸速度。 固定其他条件,亲手将地表高度分别设为0和20000km,各核验一次;两条速度曲线始终相差什么比例?

逃逸速度

C12 / 轨道
今天的问题

两条速度曲线始终相差什么比例?

独立探索要做什么?

把起点移到高轨道,比较圆轨道与逃逸速度。 固定其他条件,亲手将地表高度分别设为0和20000km,各核验一次;两条速度曲线始终相差什么比例?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从40000到0 km逐步改变地表高度;这是条件比较,不是物理时间。暂停后可亲手调整。

尚未开始;也可直接使用装置旁的参数控件。
孤立球体 · 不含大气损耗与自转逃逸速度11.1862 km/s0中线 · 各量独立标定圆轨道速度7.9098 km/s0中线 · 各量独立标定

中心质量改变速度尺度;相同高度的示意轨道半径不变。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

蓝球:星球青环:所在半径金线:引力势井示意
看这里 · 逃逸速度11.1862 km/s

此处逃逸速度11.186 km/s;圆轨道速度更低,但沿轨道持续受引力。 中心质量改变速度尺度;相同高度的示意轨道半径不变。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

逃逸速度
11.1862 km/s
圆轨道速度
7.9098 km/s
两速度之比
1.4142

此处逃逸速度11.186 km/s;圆轨道速度更低,但沿轨道持续受引力。 中心质量改变速度尺度;相同高度的示意轨道半径不变。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

质量变为两倍,逃逸速度也翻倍吗?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

v逃=√(2GM/r),v圆=√(GM/r),二者比恒为√2。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

两条速度曲线始终相差什么比例?

换个条件,再试一次

质量变为两倍,逃逸速度也翻倍吗?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识轨道 · 引力势阱涉及的量与单位:地表高度(km)、星球质量/地球(无量纲)。高中拓展 · 硬科幻模型为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:把起点移到高轨道,比较圆轨道与逃逸速度。

再做定量:保持其他条件,比较地表高度与逃逸速度(km/s),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

v逃=√(2GM/r),v圆=√(GM/r),二者比恒为√2。

对照核验提示:地表:地表高度 0 km;高轨:只改变地表高度 20000 km。按这些题设自己操作并比较逃逸速度,不把参考情景当个人完成。

适用范围:此处逃逸速度11.186 km/s;圆轨道速度更低,但沿轨道持续受引力。 中心质量改变速度尺度;相同高度的示意轨道半径不变。

NASA Science · 天文与行星科学阅读(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。