ogarniam.edu.pl
Klasa
Zacznij naukę →Zacznij →

ogarniam.edu.pl · Fizyka · Grawitacja i elementy astronomiiklasa 1 LO · fiszki i quiz: ogarniam.edu.pl/lo/1/fizyka/przyspieszenie-grawitacyjne-i-prawa-keplera/

Fizyka · Grawitacja i elementy astronomii · kl. 1 · zakres rozszerzony

Przyspieszenie grawitacyjne i prawa Keplera

Ile wynosi g na Księżycu albo wysoko nad Ziemią? Jak z ruchu Księżyca wyznaczyć masę Ziemi? Wszystko wynika z prawa powszechnego ciążenia.

ok. 4 min czytania10 fiszek8 pytań w quizie🔊 Posłuchaj notatki

1Przyspieszenie grawitacyjne

  • Oznaczenia: g – przyspieszenie grawitacyjne [m/s²]; G – stała grawitacji [N·m²/kg²]; M – masa planety [kg]; r – odległość od środka planety [m]; R – promień planety [m].
Zapamiętaj

g = G · M przez r2, a na powierzchni planety g = G · M przez R2 (z m · g = G · M · m przez r2 po skróceniu m).

  • Przykład 1. Dane: Księżyc, M = 7,35·1022 kg, R = 1,74·106 m, G = 6,67·10−⁠11 N·m²/kg². Wzór: g = G · M przez R2. Obliczenia: g = 6,67·10−⁠11 · 7,35·1022 przez (1,74·106)2 m/s² ≈ 1,6 m/s². Odpowiedź: g ≈ 1,6 m/s², ok. 1/6 ziemskiego.
  • Dla h = R nad Ziemią r = 2R, więc g maleje 4 razy (do ok. 2,45 m/s²).
  • Dodatkowo: natężenie pola grawitacyjnego γ = F przez m [N/kg] (F – siła grawitacji działająca na ciało o masie m) jest liczbowo równe g.

2Prawa Keplera

  • I prawo: planeta krąży po elipsie, a Słońce jest w jednym z jej ognisk.
  • II prawo: promień wodzący planety zakreśla równe pola w równych czasach. Planeta jest najszybsza w peryhelium (najbliżej Słońca), a najwolniejsza w aphelium. To skutek zasady zachowania momentu pędu: w tych punktach v · r = const (v – szybkość, r – odległość od Słońca).
Słońceplanetaperyheliumapheliumrówne pola w równych odstępach czasu
Orbita eliptyczna: w peryhelium planeta jest szybsza
Zapamiętaj

III prawo: T2 przez a3 = const dla ciał krążących wokół tego samego ciała centralnego (T – okres obiegu [s lub lata]; a – półoś wielka orbity [m lub au]).

  • Dla orbity kołowej o promieniu r: T2 przez r3 = 4π2 przez G · M.
  • Przykład 2. Dane: Mars a = 1,52 au (Ziemia: 1 au, 1 rok). Wzór: T = pierwiastek z a3 (T w latach, a w au). Obliczenia: T = pierwiastek z 1,523 ≈ pierwiastek z 3,51 ≈ 1,87. Odpowiedź: rok marsjański trwa ok. 1,87 roku ziemskiego.
Sprawdź, czy rozumiesz

Co mówi II prawo Keplera?

3Masa Ziemi z ruchu Księżyca

  • Z III prawa: M = 4π2 · r3 przez G · T2 (M – masa ciała centralnego [kg]; r – promień orbity [m]; T – okres [s]).
  • Przykład 3. Dane: Księżyc r = 3,84·108 m, T = 27,3 doby = 2,36·106 s. Obliczenia: M = 4π2 · (3,84·108)3 przez 6,67·10−⁠11 · (2,36·106)2 kg ≈ 6,0·1024 kg. Odpowiedź: masa Ziemi ≈ 6,0·1024 kg.
Uwaga na błąd

Porównywanie III prawem orbit wokół różnych ciał centralnych (np. Księżyca i Marsa): stała T²/a³ zależy od ich masy.

✎Ściąga: Przyspieszenie grawitacyjne i prawa Keplera

Najważniejsze w pigułce – przeczytaj tuż przed kartkówką lub sprawdzianem.

  • g = G · M przez r2, a na powierzchni planety g = G · M przez R2 (z m · g = G · M · m przez r2 po skróceniu m).
  • III prawo: T2 przez a3 = const dla ciał krążących wokół tego samego ciała centralnego (T – okres obiegu [s lub lata]; a – półoś wielka orbity [m lub au]).
  • Oznaczenia: g – przyspieszenie grawitacyjne [m/s²]; G – stała grawitacji [N·m²/kg²]; M – masa planety [kg]; r – odległość od środka planety [m]; R – promień planety [m].
  • Przykład 1. Dane: Księżyc, M = 7,35·1022 kg, R = 1,74·106 m, G = 6,67·10−⁠11 N·m²/kg². Wzór: g = G · M przez R2. Obliczenia: g = 6,67·10−⁠11 · 7,35·1022 przez (1,74·106)2 m/s² ≈ 1,6 m/s². Odpowiedź: g ≈ 1,6 m/s², ok. 1/6 ziemskiego.
  • Dodatkowo: natężenie pola grawitacyjnego γ = F przez m [N/kg] (F – siła grawitacji działająca na ciało o masie m) jest liczbowo równe g.
  • I prawo: planeta krąży po elipsie, a Słońce jest w jednym z jej ognisk.
  • II prawo: promień wodzący planety zakreśla równe pola w równych czasach. Planeta jest najszybsza w peryhelium (najbliżej Słońca), a najwolniejsza w aphelium. To skutek zasady zachowania momentu pędu: w tych punktach v · r = const (v – szybkość, r – odległość od Słońca).
  • Przykład 2. Dane: Mars a = 1,52 au (Ziemia: 1 au, 1 rok). Wzór: T = pierwiastek z a3 (T w latach, a w au). Obliczenia: T = pierwiastek z 1,523 ≈ pierwiastek z 3,51 ≈ 1,87. Odpowiedź: rok marsjański trwa ok. 1,87 roku ziemskiego.

?Quiz: powtórz przed kartkówką

8 pytań w stylu kartkówki i sprawdzianu. Odpowiedz w myślach, potem sprawdź odpowiedź. Rozwiąż quiz z wynikiem – każda odpowiedź ma wyjaśnienie.

  1. Wzór na przyspieszenie grawitacyjne w odległości r od środka planety o masie M to

    1. Ag = M / (G·r²)
    2. Bg = G·M / r²
    3. Cg = G·M·r²
    4. Dg = G·M / r
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: g = G·M / r² – Z m·g = G·M·m/r² po skróceniu masy wychodzi g = GM/r².

  2. Jak zmieni się g na wysokości równej promieniowi Ziemi?

    1. AZmaleje 4 razy
    2. BNie zmieni się
    3. CZmaleje 2 razy
    4. DZmaleje 9 razy
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: Zmaleje 4 razy – r = 2R, więc g ~ 1/r² maleje 4 razy.

  3. Księżyc ma masę 7,35·10²² kg i promień 1,74·10⁶ m. Jakie jest g na jego powierzchni?

    1. Aok. 1,6 m/s²
    2. Bok. 16 m/s²
    3. Cok. 0,16 m/s²
    4. Dok. 9,8 m/s²
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: ok. 1,6 m/s² – g = GM/R² = 6,67·10⁻¹¹ · 7,35·10²² / (1,74·10⁶)² m/s² ≈ 1,6 m/s².

  4. Planeta ma 2 razy większą masę i 2 razy większy promień niż Ziemia. Jakie jest g na jej powierzchni w porównaniu z ziemskim?

    1. A4 razy mniejsze
    2. B2 razy mniejsze
    3. C2 razy większe
    4. Dtakie samo
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź B: 2 razy mniejsze – g ~ M/R², więc 2/2² = ½ wartości ziemskiej.

  5. Co mówi II prawo Keplera?

    1. APlaneta porusza się ze stałą szybkością
    2. BOkres obiegu jest taki sam dla wszystkich planet
    3. CPlaneta krąży po okręgu
    4. DPromień wodzący zakreśla równe pola w równych czasach
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź D: Promień wodzący zakreśla równe pola w równych czasach – Dlatego planeta porusza się szybciej blisko Słońca (w peryhelium).

  6. Którą zasadę zachowania wyraża II prawo Keplera?

    1. AZasadę zachowania masy
    2. BZasadę zachowania ładunku
    3. CZasadę zachowania momentu pędu
    4. DZasadę zachowania pędu
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: Zasadę zachowania momentu pędu – Siła grawitacji jest skierowana do Słońca, nie daje momentu siły, więc moment pędu planety jest stały (w peryhelium i aphelium m·v·r = const).

  7. Planeta ma półoś wielką orbity 4 au. Ile wynosi jej okres obiegu wokół Słońca?

    1. A8 lat
    2. B64 lata
    3. C4 lata
    4. D16 lat
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź A: 8 lat – T² = a³ (lata i au), więc T = √64 = 8 lat.

  8. Jak z ruchu Księżyca wyznaczyć masę Ziemi?

    1. AM = 4π²r² / (G·T)
    2. BM = G·r²
    3. CM = 4π²r³ / (G·T²)
    4. DM = G·T² / (4π²r³)
    Sprawdź odpowiedź

    Odpowiedź C: M = 4π²r³ / (G·T²) – Z III prawa Keplera dla orbity kołowej T²/r³ = 4π²/(GM).

Cały dział „Grawitacja i elementy astronomii”: ściąga i próbny sprawdzian →

Kartkówka albo sprawdzian już blisko?

Rozwiąż quiz z wynikiem i powtórz materiał na fiszkach. Każda odpowiedź ma wyjaśnienie, a postęp zapisuje się bez zakładania konta.

Więcej: Fizyka, klasa 1

Badania w fizycePomiary i niepewność pomiarowaNiepewności pomiarowe i dopasowanie prostejWielkości wektorowe i skalarneAnaliza danych i wykresyNarzędzia matematyczne w fizyceRachunek wektorowy i trygonometriaPodstawowe pojęcia kinematykiPrędkośćRównanie ruchu i ruch względnyPrzyspieszenieRuch jednostajny prostoliniowyRuch prostoliniowy zmiennyRuch zmienny – wykresy a(t), zadania i przyspieszenie w ruchu krzywoliniowymRuch po okręguPrędkość kątowa i ruch po okręgu ze zmienną prędkościąRzut poziomy i rzut ukośnyDoświadczenia z kinematykiSiła i jej cechyRodzaje siłUkłady nieinercjalne i siły bezwładnościZasady dynamiki NewtonaTarcieRównia pochyła i zadania z tarciemSiła dośrodkowaDynamika ruchu po okręguDoświadczenia z dynamikiPraca mechanicznaMocEnergia mechaniczna i jej zasada zachowaniaPraca siły zmiennej, twierdzenie o pracy i energiiMoc w ruchu i sprawność urządzeńPęd, zasada zachowania pędu i zderzeniaDoświadczenia: praca, moc, energiaCiśnienieSiła wyporu i prawo ArchimedesaCiśnienie całkowite, naczynia połączone i pływanie ciałDoświadczenia z hydrostatykiPrawo powszechnego ciążeniaUkład Słoneczny, Galaktyka i WszechświatPrędkości kosmiczne i ruch satelitówSatelity, nieważkość i przeciążenieBryła sztywna i moment siłyMoment bezwładności i dynamika ruchu obrotowegoEnergia kinetyczna ruchu obrotowegoPlanowanie doświadczeńPrzeprowadzanie pomiarówAnaliza wynikówWybrane doświadczenia w klasie 1Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego wahadłem