高中物理 · 万有引力

万有引力与卫星计算 · 一个 GM 打通全章

选天体后自动带入质量与半径,算表面重力加速度、第一宇宙速度、任意高度卫星的环绕速度与周期,以及同步卫星的轨道高度。

F = GMm/r²g = GM/R²v = √(GM/r)T = 2π√(r³/GM)
天体与轨道内置三种天体

半径、高度单位是 km;自定义天体质量用 ×10²⁴ kg。

AI 讲解需人机验证
算法会算,AI 会讲为什么
计算结果等待输入
环绕速度 v
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表面重力加速度
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环绕速度
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运行周期
—
轨道半径
—
计算过程
  1. 填入数据后点「计算」,这里给出代入过程。
常用天体数据
天体质量 M半径 R
地球5.97×10²⁴ kg6.37×10³ km
月球7.35×10²² kg1.74×10³ km
太阳1.99×10³⁰ kg6.96×10⁵ km
地球同步轨道—约 4.22×10⁴ km(高度 3.59×10⁴ km)

一条主线:万有引力提供向心力

卫星做圆周运动时,GMm/r² = mv²/r = mω²r = m(4π²/T²)r。三个等式从左到右分别解出 v、ω、T,考试只需记住这一条主线。

「黄金代换」gR² = GM 是把天体表面重力加速度与 GM 联系起来的桥:题目不给 M 只给 g 和 R 时,用 GM = gR² 代换即可。

三个高频结论

  • 第一宇宙速度 v₁=√(gR)≈7.9 km/s,是最大环绕速度、最小发射速度
  • 轨道越高,v 越小、T 越大(「高轨低速大周期」)
  • 同步卫星只能在赤道上方,高度约 3.59×10⁴ km,周期 24 h

常见问题

第一宇宙速度为什么既是最大环绕速度又是最小发射速度?

轨道半径越小环绕速度越大,贴地飞行的速度就是 v₁,所以它是最大环绕速度;要离开地面进入轨道,发射速度至少要达到 v₁。

同步卫星可以定点在北京上空吗?

不可以。同步卫星的向心力必须指向地心,只有赤道上空才能与地球自转同步。

卫星变轨时速度怎么变?

加速做离心运动进入高轨道,减速做向心运动进入低轨道。变轨瞬间速度突变,稳定后按新轨道重新满足 v=√(GM/r)。

为什么高轨道卫星反而慢?

由 GMm/r²=mv²/r 得 v=√(GM/r),r 越大 v 越小。高轨道需要更大的势能,动能反而更小。

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