空间站是如何绕地飞行的?探讨万有引力下的运动
来源:粤科网2022-03-20

空间站的飞行轨迹是怎样形成的?卫星是如何绕地飞行的?3月18日12时,《张朝阳的物理课》第三十六期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,回归经典力学,推导空间站的飞行轨道等问题。他先从牛顿力学出发,为网友们解答了卫星为什么能在天上运行而不掉下来,接着带领大家复习了第一、第二宇宙速度的计算以及同步卫星的概念,在课程结尾演示了万有引力下的能量守恒定律和卫星轨迹方程的求解。

 

为便于理解,在本次直播中张朝阳先带网友复习了第一、第二宇宙速度的计算,并且介绍了同步卫星的概念。为此,张朝阳先根据牛顿第二运动定律F=ma写出卫星做圆周运动的方程。张朝阳解释道,做匀速圆周运动的物体,其速度大小虽然没有改变,但是速度的方向是在不断变化的,因此这个物体具有加速度。

 

张朝阳介绍,第一宇宙速度就是地球表面附近的卫星绕着地球做圆周运动时的速度。这个速度的值是7.9km/s。而对于地球同步卫星,其公转周期与地球自转周期相同,即其公转角速度应等于地球的自转角速度。

 

而所谓第二宇宙速度,就是物体从地球表面出发逃逸到无穷远处至少所需的初速度。他先考虑了物体沿径向运动的情况。假设物体刚好以第二宇宙速度从地球表面沿径向逃逸,到了无穷远处这个物体的速度必须是零,否则它的初速度就不是最低要求的速度了。这个速度大小是11.2 km/s。


张朝阳推导引力场下的能量守恒定律.jpg

 

随后,张朝阳又进行了万有引力下的能量守恒定律的推导,揭示卫星在引力场中的总能量由动能和引力势能两部分组成,卫星运动期间总能量保持不变。考虑到情况的普遍性,张朝阳使用了矢量分析的工具来进行推导。

 

在地球引力下,卫星是如何运行的?张朝阳继续进行推演。据悉,在下节课中,张朝阳将会就空间站轨道的稳定性——当运行轨道受到干扰时,会发生怎样的改变进行推导解答。

 

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播三十余期。这也是阔别物理20多年后,张朝阳重拾物理。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律与能量动量守恒原理等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了由黑体辐射研究引出的维恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式。

 

此后的物理课程逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程、算符对易关系等理论内容,到无限深势阱、氢原子波函数,再到谐振子量子化、气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。