高中拓展 · 硬科幻模型 · 航行 · 火箭方程

燃料加倍,速度增量也翻倍吗?

真空无外力、恒定有效排气速度,质量比含燃料消耗;不含引力与气动损失。增加燃料质量比,比较可获得的速度增量。

问题的来处1903年 · 齐奥尔科夫斯基的火箭方程

火箭质量账本:问题从哪里来?

飞向太空必须携带自己的推进剂。齐奥尔科夫斯基用变质量运动说明:即使排气速度不变,越来越高的速度增量仍需要迅速增长的质量比。

读一段背景,带着问题动手

飞向太空必须携带自己的推进剂。齐奥尔科夫斯基用变质量运动说明:即使排气速度不变,越来越高的速度增量仍需要迅速增长的质量比。

本页只做理想速度增量账本,不包含大气和重力损失。把燃料加倍,并不会在所有起始条件下让速度增量加倍。

现在,换你来试增加燃料质量比,比较可获得的速度增量。 固定其他条件,亲手将初末质量比分别设为2和4,各核验一次;翻倍质量比带来固定倍数还是固定增量?

火箭质量账本

C25 / 航行
今天的问题

翻倍质量比带来固定倍数还是固定增量?

独立探索要做什么?

增加燃料质量比,比较可获得的速度增量。 固定其他条件,亲手将初末质量比分别设为2和4,各核验一次;翻倍质量比带来固定倍数还是固定增量?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从20到1 逐步改变初末质量比;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。
透明剖视 · 金色体积表示可消耗推进剂占比理想速度增量4.9438 km/s0中线 · 各量独立标定

排气速度改变速度增量,不改变给定质量比的燃料占比。 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。

青体:末态干质量金体:推进剂占比红线:排气方向
看这里 · 理想速度增量4.9438 km/s

理想Δv=4.944 km/s;实际任务还需扣除损失并考虑分级。 排气速度改变速度增量,不改变给定质量比的燃料占比。

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。

理想速度增量
4.9438 km/s
推进剂初始质量占比
66.6667 %

理想Δv=4.944 km/s;实际任务还需扣除损失并考虑分级。 排气速度改变速度增量,不改变给定质量比的燃料占比。

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

不消耗推进剂时,火箭方程给出多少Δv?

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

Δv=vₑ ln(m₀/mf);质量比为指数代价,不能用普通恒质量F=ma直接累计。

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

翻倍质量比带来固定倍数还是固定增量?

换个条件,再试一次

不消耗推进剂时,火箭方程给出多少Δv?

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

先认识航行 · 火箭方程涉及的量与单位:初末质量比(无量纲)、有效排气速度(km/s)。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:增加燃料质量比,比较可获得的速度增量。

再做定量:保持其他条件,比较初末质量比与理想速度增量(km/s),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

Δv=vₑ ln(m₀/mf);质量比为指数代价,不能用普通恒质量F=ma直接累计。

对照核验提示:质量比2:初末质量比 2 ;质量比4:只改变初末质量比 4 。按这些题设自己操作并比较理想速度增量,不把参考情景当个人完成。

适用范围:理想Δv=4.944 km/s;实际任务还需扣除损失并考虑分级。 排气速度改变速度增量,不改变给定质量比的燃料占比。

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。