宇宙航行
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飞天梦是人类长期的梦想,自古代就有很多飞天的传说,中国古代有修炼成仙、嫦娥奔月等传说。西方也有像哈利波特那样的故事。
我们先不管那些传说是真是假,我们普通人类要飞天那是很难。直到牛顿提出了一个奇思异想:牛顿想,如果在高山上水平抛出一个小石子,小石子会做平抛运动,最后会掉下来,如果抛出的速度大一点,石子落地的地方会远一点,如果抛出的速度很大,石子将飞到很远的地方才落下,由于地球是一个球体,如果抛出的速度足够大,石子会不会就绕地球运动一圈,而不掉下来呢?这样石子就成为绕地球做匀速圆周运动的“卫星”了。
牛顿的想法图:
牛顿手稿:
要实现牛顿的这个想法需要多大的速度呢?
一、宇宙速度
假设这个石子贴紧地面绕地球做匀速圆周运动,速度为v,圆周运动的半径为地球半径R,下面两种思路:
地球对石子的重力提供向心力,由牛顿第二定律,得
地球对石子的万有引力提供向心力
可以看出,两种方法计算结果是一致的,7.9km/s是一个比较特殊的速度,叫做第一宇宙速度。
大小 | 意义 | |
发射速度<7.9km/s | 发射不成功,落回地面。 | |
第一宇宙速度 | 7.9km/s |
|
7.9km/s<发射速度< 11.2km/s,物体绕地球运转,轨迹是椭圆 | ||
第二宇宙速度 | 11.2km/s | 卫星脱离地球的速度(仍受太阳引力限制),绕太阳运动 |
11.2 km/s<发射速度<16.7km/s,绕太阳运动 | ||
第三宇宙速度 | 16.7km/s | 离开太阳的速度,飞到太阳系以外的太空 |
解释: 1.发射速度:发射速度是指卫星在地面附近离开发射装置的初速度 2.运行速度:运行速度指卫星在进入运行轨道后绕地球做圆周运动的线速度 |
二、地球的卫星(太阳系的行星)的轨道半径与线速度、角速度、周期、加速度的关系
基本思路:
地球对卫星的万有引力提供向心力:
线速度:
轨道半径越大,线速度(运行速度)越小
注意:发射卫星的时候,发射到轨道半径越大的地方,需要的发射速度越大。
轨道半径越大,角速度、加速度越小,周期越大。
注意:地球卫星的线速度、角速度、周期、加速度与卫星的质量无关。
三、太空旅行的超重与失重
发射阶段
发射阶段处于向上加速的过程,处于超重状态。
返回过程
返回过程在地面附近处于向下减速的过程,处于超重状态。
在运行轨道上绕地球做匀速圆周运动的过程
地球对物体(宇航员)的引力(重力)提供了圆周运动的向心力,处于完全失重的状态。一切与重力有关的现象会消失,与利用重力有关的仪器不能使用。
早在六百多年前的明朝,一个名叫万户的人就曾有“飞天”的壮举,但最终未能成功,并为之付出了生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。他的努力虽然失败了,但他借助火箭推力升空的创想是世界上第一个,因此他被世界公认为“真正的航天始祖”,为了纪念这位世界航天始祖,世界科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。 19世纪中叶,俄罗斯学者,齐奥尔科夫斯基,提出利用喷气推进的多级火箭,运载发射卫星。 1957年10月4日,世界上第一颗人造卫星成功在苏联发射成功。 1961年4月12日,世界上第一次载人飞行,苏联。 1969年7月16日,人类第一次登上月球,美国。 1070年,中国第一颗人造卫星发射成功。 2003年10月15日,中国第一次载人飞行。 2007年,嫦娥一号成功发射。 |
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