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时间:2020-02-26
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1、第二宇宙速度的推导在地面上发射一个航天器,使之能脱离地球的引力场所需要的最小发射速度,称为第二宇宙速度。一个航天器在它的燃料烧完后脱离地球的过程中,该系统符合机械能守恒的条件。由此即可推得第二宇宙速度v2。要计算第二宇宙速度,必须求出在地球引力场中,移动物体时克服引力所做的功。很显然,物体上升的越高,需要做的功也就越多。但同一物体在不同高度处所受地球引力并不相等,随着物体高度的增加,地球引力将逐渐减弱。当物体与地球的距离趋于无穷大时,地球对它的引力也就趋于零,这时物体就脱离了地球的引力场。因此,物体由地球表面上升到无限远处克服地球引力所做的
2、功为一定值。这一数值可用下面的方法进行推算。r0△X△X△X△Xrn–1rnr3r2P1P2P3P4Pn–1PnEr1如图所示,设物体m从地球E的引力场中从P0处移动到Pn处。因各处的引力不等,我们可把P0Pn的一段距离分成许多极小的等分Δx。P0、P1、P2、……Pn和地球中心的距离分别为r0、r1、r2、……rn;先求出每一等分中的平均引力,然后求出通过每一等分时物体克服地球引力所做的功,这些功的总和,就是物体从P0移动到Pn克服地球引力所做的功。如果物体依靠消耗自身的动能来完成它所需做的功,那么它从P0移动到Pn克服地球引力所做的功,
3、就等于它动能的减少。根据万有引力定律,如果用G表示万有引力恒量,M表示地球的质量。物体在P0处所受的引力为;物体在P1处所受的引力为。因为P0和P1相距极近,物体在P0、P1间所受万有引力的平均值可以近似地等于两处引力的比例中项,即:;同理,物体在P1、P2间所受的平均引力为;…………………………………………………………物体在Pn-1、Pn间所受的平均引力为。物体从P0移动到P1的过程中克服万有引力所做的功为:W1=(P0、P1间物体受到的平均引力)×(P0、P1间的距离)即;物体从P1移动到P2时克服万有引力所做的功为:;……………………
4、…………………………………同理,物体从Pn-1移动到Pn时克服万有引力做的功为:把以上各式相加,得到物体从P0移动到Pn整个过程中克服万有引力所做的功为:W=W1+W2+……Wn=。应该指出,物体从P0处移动到Pn处克服万有引力所做的功,在数值上就等于物体在P0和Pn两处物体与地球组成的系统的重力势能之差,它的值只与P0和Pn的位置有关,而与物体移动的路径无关。如果物体在P0处的速度为v,它的动能就为,物体之所以能克服万有引力做功,正是因为它具有这些动能。由机械能守恒定律可知,如果只考虑克服地球引力做功,物体所具有的动能应满足下列条件:,即
5、物体应具有的速度为:。在以上的推导过程中,我们没有考虑物体在运动过程中克服空气阻力做功,也没有考虑太阳及其它天体引力的影响。在实际情况下,要使物体从P0移动到Pn,所需的动能应更大些。由以上推导得出的速度表达式可知,使物体从地球表面r=R处出发而脱离地球,即到达rn=∞处,物体所具有的速度即为第二宇宙速度,所以第二宇宙速度为:。
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