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    [组图]再议“如何求第三宇宙速度”

再议“如何求第三宇宙速度”

录入:陈显盈 来源:物理教学 点击数: 更新时间:2007-8-27

一、提出问题
    在地球表面上的物体克服地球和太阳引力的束缚而飞离太阳系,必须具有的最小速度叫做第三宇宙速度,也叫逃逸速度。对于第三宇宙速度的计算可以用不同的方法,一般情况是以地球为参考系的,其计算结果为16.7km/s,但是《物理教学》中的《如何求第三宇宙速度?》分别以地球和太阳为参考系的两种方法得到的结果却不同,其结果分别是16.6km/s和13.8 km/s。那么,到底哪种计算方法或哪个结果是正确的呢?这就是本文首先要讨论的问题。另外,宇宙第三速度对于不同物体是不是都是一样的呢?这是第二个要讨论的问题。
    二、计算方法
    1.先求地球绕太阳公转的线速度u,可以采用不同方法:
    方法一:利用牛顿第二定律,由万有引力等于向心力,

 
     
    后面计算中,u取29.8 km/s。实际上,地球公转轨道是椭圆形而不是圆形,公转速度u和地球公转轨道半径 有变化,但是把地球公转运动看成匀速圆周运动并不影响此题的计算,这里不再进行详细讨论。
    2.接着求当克服了地球引力束缚而在地球公转轨道上运行后,物体为能克服太阳引力束缚而飞出太阳系的最小速度,设为v(此时v以太阳为参考系)。根据机械能守恒,有
     
    3.再求物体在地球表面的发射速度,即宇宙第三速度(以地球为参考系)。如果物体从地面出发顺着地球公转运动的轨道切向飞出的话,便可借助于地球的公转速度,因而在飞离地球后相对地球的速度只需v-u,而不需要达到v,但仍然满足相对太阳的速度为v。由于地球公转轨道可以看成圆形,太阳引力与“物体—地球”体系速度方向垂直,从而不做功,故宇宙第三速度 可以通过该体系机械能守恒求得。下面结合个人理解回顾总结一下《如何求第三宇宙速度?》中的两种不同求法:
    (1)以地球为参考系(可忽略太阳的影响,故为惯性系)
    物体在地球表面时,相对地球的速度为,动能为 ;“物体—地球”体系势能力,其中m为物体质量, 为地球半径。当其远离地球而在地球公转轨道上运动时,物体相对太阳的速度是v,相对地球的速度为  ;由于物体与地球的距离R很大,“物体—地球”体系势能为
   


 

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