一直下落,却没有落到地面

你能把卫星,
送进一条轨道吗?

卫星已在地表上方 1500 km。给它一次速度,此后不再开动引擎。太慢会怎样?太快又会怎样?

问题的来处1728 年 · 牛顿《宇宙体系》出版

一直在下落,为什么还能绕着地球飞?

牛顿设想从高山上水平发射炮弹:速度越来越大,落点越来越远,能否一直绕着地球下落?这是思想实验,并非真的用大炮发射卫星。

读一段背景,带着问题动手

牛顿设想从高山上水平发射炮弹:速度越来越大,落点越来越远,能否一直绕着地球下落?这是思想实验,并非真的用大炮发射卫星。

这一设想出现在牛顿去世后于 1728 年出版的《宇宙体系》中,把地面抛体与天体轨道联系起来。轨道运动不是摆脱引力,而是运动方向不断被引力改变。本页忽略大气等因素,用一次初速度探索理想引力下的运动。

现在,换你来试保持发射位置和方向,逐渐提高初速度,比较坠落、绕行与逃逸。绕行时,当前速度方向和引力方向有什么不同?

先观察一圈,再亲手发射

圆轨道半径几乎不变;椭圆轨道里,离地球近时更快。对照下方能量和半径曲线。

地心引力 · 发射轨迹VIEW ±20000 km

① 设定初速度 → ② 观察引力和轨迹 → ③ 用下方图表检验预测。

地球
卫星轨迹初始速度(浅色)当前速度当前引力方向
模拟时间
0 min
距地心
7871 km
当前速率
7.12 km/s
比机械能
−25.32 km²/s²

轨道背后的证据

速度与高度之间的能量交换

ε = v²/2 − μ/rε = 25.32 − 50.64 = −25.32 km²/s²

条长比较绝对值,势能是负数。动能与势能相互转换,总和在理想模型中保持不变。

负总能量对应有界二体轨道,但仍要检查是否穿过地球。

偏心率 e(圆为 0)
0.000
当前引力加速度
6.43 m/s²

距地心随时间变化

近地点 / 远地点高度:1500 / 1500 km

理想周期:115.8 min

速度和引力箭头分别缩放,用于观察方向,二者长度不能直接比较。曲线纵轴为距地心,不是离地高度。

绕行,是不断错过地面的下落

引力一直把卫星拉向地心;切向速度让它同时向前走。速度合适时,地球表面“弯走”的速度与卫星下落配合,就形成轨道。

挑战:不用圆轨道预设,调出一条不撞地球、也不逃离的椭圆轨道。能量为负是有界轨道的必要条件,但轨道仍可能穿过地球。

模型边界

二维牛顿引力,地球为球对称中心天体,忽略大气、月球、推力与卫星对地球的影响。卫星从高空获得一次初速度,不模拟火箭从地面升空。数值积分固定步长 3 秒,每次单步推进 15 秒。

逃逸参考速度表示比机械能达到零;页面在能量非负且向外飞出发射半径 8 倍后结束观察。轨迹显示有长度上限,视图会自动缩放。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

同一高度把速度提高,卫星一定更快落地吗?

换个条件,再试一次

比较同一方向下圆轨道速度和逃逸速度,结合能量解释结果。

看哪里?

二维轨迹与能量负责计算证据;三维检查地球和轨道位置。

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。

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先修与两种探索深度

认识速度方向与引力;定量层需要能量与平方根。

先看现象:只改变发射速度,然后发射

再做定量:v圆=√(μ/r),v逃=√(2μ/r);ε=v²/2−μ/r。

模型、来源与核验边界

v圆=√(μ/r),v逃=√(2μ/r);ε=v²/2−μ/r。

解析核验提示:同一半径v逃/v圆=√2;切向圆速应近似保持半径。

适用范围:二体牛顿引力;忽略大气阻力与地球非球形;仅保存发射条件,恢复重新发射。

MacTutor · Isaac Newton(引力与天体运动的历史)(历史/延伸阅读;解析关系见本卡,尚未获外部审阅) ↗

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。

同一装置,换个角度

空间观察台

上方二维实验负责接线、构造和测量;这里同步呈现当前几何。平面对象置于空间台面,厚度、球体大小及变形显示均为示意,不新增测量值。

三维按需打开;拖动旋转、滚轮缩放,也可用方向键。二维与测量始终可用。