(文/王尚)第一宇宙速度的推导其实并不是很麻烦的过程。把这个推导的过程需要的分析方法和公式掌握了,理解了其前因后果关系,对物理必修2中《万有引力与航天》这个章节的学习是非常有帮助的。
在讲解第一宇宙速度的推导过程前,同学们一定要知道第一宇宙速度的含义;其实我们就是根据其含义推导的。
高中物理必修2课本上关于第一宇宙速度的概念:
【物体在地面附近绕地球作匀速圆周运动的速度,叫做第一宇宙速度。】
这种解释是有前提描述的,地球是一个绝对的球体(没有山脉等),同时也忽视了地球表面大气层。
绕地做圆周运动,也必然满足圆周运动的前提条件,必须有外力提供向心力。而唯一存在的指向圆心的外力,也就是地球对该物体的万有引力。
王尚注:物体已经离开地面,成为一颗自由的卫星,因此不再受到地面的支持力作用;只有万有引力作用在该物体上。
理解了上面的分析过程,下面的方程同学们就很容易理解了。
由【万有引力=向心力】可得:
可得第一宇宙速度:v1
我们知道,地球表面的万有引力基本上与重力是相当的,因此,还可以
这也是第一宇宙速度的表达式,是不带G和M的另一种表达,带入数据计算后,两个计算式的结果是一样的。高中物理wuli.in课本上关于第一宇宙速度大小v1=7.9公里/秒;
根据万有引力等于向心力的公式,随着R的增加,速度v减小的。
因此,第一宇宙速度,是航天器最小发射速度(发射成功的最小速度),也是航天器最大运行速度(也成为环绕速度)。
关于第一宇宙速度比较通俗的解释
在地面上向远处发射炮弹,炮弹速度越高飞行距离越远,当炮弹的速度达到7.9千米/秒时,炮弹不再落回地面(不考虑大气作用),而环绕地球作圆周飞行,这就是第一宇宙速度。当然,炮弹的发射时,我们也是假定其周围是没有山脉和空气阻力的。
原文作者:王尚;高中物理网力学组主编。
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