D.1 · Medan gravitasi

Lembar kerja ini mencakup topik HL terpilih untuk kurikulum yang pertama kali diassesmen pada 2025; ini bukan keseluruhan silabus.

Prasyarat: baca kuantitas dan satuan yang ditentukan, serta gunakan aritmatika dan kondisi model di bawah ini.

Contoh-contoh ini orisinal dan fiksi: mereka bukan pengukuran nyata atau investigasi mahasiswa sungguhan.

Apa yang akan menjelaskan observasi ini?

• Satelit yang mengorbit terus-menerus jatuh sambil bergerak menyamping. Berada dalam orbit tidak memerlukan gravitasi menghilang.

Bangun modelnya

• Kekuatan medan gravitasi adalah gaya per satuan massa.
• Gaya gravitasi dapat menyediakan gaya sentripetal untuk orbit melingkar.
• Medan dan potensial menggambarkan besaran yang berbeda.
• Medan gravitasi: Deskripsi gaya gravitasi per satuan massa.
• Gaya sentripetal: Resultan gaya menuju pusat lintasan melengkung.

Pilih bukti yang dapat mengujinya

• Untuk massa titik atau di luar massa bola, kekuatan medan mengikuti ketergantungan kuadrat terbalik jarak.
• Gunakan jarak dari pusat, bukan ketinggian di atas permukaan saja.

Di laboratorium: Nyatakan pendekatan orbit melingkar dan abaikan hambatan atmosfer hanya jika dibenarkan. Gambarkan gaya menuju benda pusat dan kecepatan tangensial terhadap orbit. Jangan tambahkan gaya ke arah luar semata-mata karena lintasannya melingkar.

Bekerja dari kuantitas yang diketahui

• Diketahui: kekuatan medan adalah 8 satuan pada jarak r dari sumber bola.
• Pada 2r, g2/g1=(r/2r)²=1/4. g2=8/4=2 satuan.
• Gaya gravitasi pada massa uji tetap berkurang dalam rasio yang sama.

Giliran Anda: Kekuatan medan adalah 18 satuan pada r. Temukan pada 3r untuk medan kuadrat terbalik.

Periksa kesimpulan dan batasannya

• Ketidakberatan di dalam pesawat ruang angkasa yang mengorbit berarti berat semu kecil dalam jatuh bebas, bukan bahwa tidak ada medan gravitasi.

Tidak benar: Gravitasi nol di mana pun pesawat ruang angkasa mengalami berat semu nol. Pesawat ruang angkasa yang mengorbit sedang jatuh bebas: gravitasi hampir sekuat di permukaan dan menyediakan gaya sentripetal. Awak dan pesawat jatuh bersama, sehingga tidak ada yang menekan mereka ke bawah - itu adalah berat semu nol, bukan gravitasi nol.

Kunci:

• Kuat medan gravitasi adalah gaya per satuan massa.
• Untuk massa titik atau di luar massa bola, kekuatan medan mengikuti ketergantungan kuadrat terbalik jarak.
• Perhatikan: ketiangan berat pada pesawat luar angkasa yang mengorbit berarti berat semu kecil dalam jatuh bebas, bukan karena tidak ada medan gravitasi.

Tulis berdasarkan kekuatan medan 8 satuan

• Medan kuadrat-terbalik memiliki kekuatan 72 satuan pada jarak r.
• Temukan kekuatan pada 3r. Berat semu nol di orbit bukanlah gravitasi nol.

Tulis berdasarkan pengtriplean

• Kekuatan medan adalah 12 satuan pada jarak r dari sumber bola.
• Pada 3r: g = 12 ÷ 9 ≈ 1.3 satuan — kuadrat terbalik, sehingga jarak tiga kali lipat dibagi sembilan, bukan tiga.

Tulis dari orbit dalam yang lebih cepat

• Dua orbit melingkar, salah satunya berada pada setengah jari-jari orbit lainnya.
• v² = GM/r, sehingga satelit dalam bergerak LEBIH CEPAT — gravitasi harus menyediakan gaya sentripetal lebih besar di jarak yang lebih dekat.

Tulis dari berat di Mars

• Percepatan gravitasi permukaan Mars sekitar 3.7 N kg⁻¹; seorang astronot memiliki massa 60 kg.
• Berat di sana = 60 × 3.7 = 222 N, berbanding dengan 60 × 9.8 ≈ 588 N di Bumi — MASSA adalah konstan, berat bersifat lokal.