引入

为什么引力势能写成负值?

火箭要飞多快才能永远离开地球?

为什么卫星轨道越高,速度反而越小?

引力势能和重力势能的形式不同,根源在零点选择和距离尺度。地表附近的高度变化很小,可以用线性近似;离开地球很远时,必须用反比形式。

正文

定义

引力势能是物体因万有引力而具有的势能,大小与它到中心天体的距离有关:

负号来自零点选择:取无穷远处势能为零,则有限距离处的势能为负。

为什么是负值

引力是吸引力,从无穷远移到 处,引力做正功,势能减少。既然无穷远处为零, 处就只能更小,即负值。

引力做正功,势能减少,与结论一致。

推导

保守力做功等于势能变化的负值:

推导中用到万有引力 (负号表示指向中心)。

与重力势能的关系

当 时,令 :

第一项是常数,可并入零点;第二项中 ,所以

这就是地表附近的重力势能形式。重力势能是引力势能的近似,不是另一套理论。

卫星发射

地表处火箭的机械能:

目标圆轨道(半径 )的机械能:

由 得:

机械能变化量:

火箭需要提供的动能至少等于这个增量。

注意:轨道越高,机械能越大,但轨道速度越小。这是因为提升轨道时增加的势能多于减少的动能。

第二宇宙速度

第二宇宙速度是脱离天体引力所需的最小发射速度,即到达无穷远时速度恰好为零。

由能量守恒:

解得:

与第一宇宙速度 比较:

代入地球数据,,。

三种轨道速度对照

速度表达式地球上的值
第一宇宙速度
第二宇宙速度
圆轨道速度(半径 )随 增大而减小

引出

椭圆轨道上,动能和势能如何相互转化?

为什么说“轨道越高越难到达,但到达后速度越小”?

引力势能公式在广义相对论中如何修正?