第三宇宙速度的推导及应用

方案下,第三宇宙速度的值存在很多可能性。从第三宇宙速度的定义出发,引入一种新的理念,导出第三宇宙速度的新数值,得到了不同的第三宇宙速度。在这些第三宇宙速度的新值中,有比16.7km/s还要小的值,也有比16.7km/s大的值。说明目前我们还没有找到计算第三宇宙速度的一个最佳方案,现在普遍认为的第三宇宙速度16.7km/s显然是有待进一步讨论和修改的。

下面再浅谈一下宇宙速度在航天事业上的应用,第三宇宙速度是从地球表面发射航天器(航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器),飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,是作为摆脱太阳系引力场束缚而飞往恒星际空间的恒星际飞行器所必须具有的速度。其运行轨道为双曲线,所以也称双曲线速度。宇宙速度的数值与所发射的人造天体入轨点离地面的高度有关。当离地面高度为零而又不计空气阻力时,第三宇宙速度为每秒16.7千米。其实当物体在达到11.2千米/秒的运动速度时就能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。然而,人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。众所周知,必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径,即F=mv^2/R。在这里,正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力,正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。那么,如何才能使要发射的航天器达到所需要的宇宙速度呢?必须要用运载火箭。火箭是人类冲破地球引力飞向太空的工具。火箭里装着不用空气就能点燃的燃料。燃料燃烧时喷出气体,气体的反作用力可以使火箭向前推进。火箭是在飞行过程中不断加速的,所以加速度不过大,可以保证人和仪器的安全。这种用燃料作动力的火箭,在没有空气的宇宙空间也能飞行。运载航天器的火箭应是多级火箭。多级火箭一般由三级组成。三级火箭在燃完燃料后脱落,接着下一级火箭点燃。这样,火箭就可以不停地加速前进,把航天器送入预定轨道。

随着我国“神舟六号”载人航天飞行的成功发射,越来越多的人们对航天技术产生了浓厚的兴趣。航天技术是二十世纪五十年代快速发展起来的研究和开发、利用太空的高新技术。航天技术的核心是各种航天飞行器的设计、制造、发射和应用。而讨论上述各种航天飞行器发射过程中普遍涉及的一个重要的物理内容——就是宇宙速度及其计算。

本文就第三宇宙速度的推导及误差分析和在了解了宇宙速度后在航天上的应用发表了一点自己的体会。其实还有一个目的是希望在注重素质教育的今天,本文能对学生的探究及分析问题能力的培养有点启发。教学的重点,是如何去提高学生的创新能力,培养和提高学生各种能力的同时,让学生学会深入地去挖掘,对学生来讲能提高自己的分析能力和解题能力,使学生能积极参与教师的教学活动,从而提高学生的学习主动性和积极性,有利于学生创造性的发挥和施展,培养深入分析和解决问题的能力。

参考文献:

[1] 俞达仁.杭州师范大学学报(自然科学版).《第三宇宙速度新数值导出》

[2]西安通信大学物理教研室.大学物理.清华大学出版社,2004(7)

[3]张启仁.经典力学.科学出版社,2002(1)