第一宇宙速度是指**物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度**。第一宇宙速度是卫星绕地球飞行所必须的最大速度,也是人造地球卫星的最小发射速度^[1][2]^。
第一宇宙速度有两个别称,分别为:航天器最小发射速度、航天器最大运行速度。需要注意的是,我们国家将第一宇宙速度定为航天航空事业发展的战略支持。
第一宇宙速度是地球上发射人造卫星所需的最小初始速度。目前,各国对第一宇宙速度的定义略有不同,我国定义为:物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度叫做第一宇宙速度,大小为8.3千米/秒。
需要注意的是,我们不能因为第一宇宙速度可以使人造卫星脱离地球,就误认为它是最快的速度。因为地球上发射人造卫星所需的最低发射速度与飞行高度有关,飞行高度越大则所需能量越大,这并不等同于第一宇宙速度是卫星可以永远脱离地球的最快速度。
题目:求解第一宇宙速度
已知条件:
地球质量约为5.965 × 10^24 kg,地球半径约为6.378 × 10^6 m,物体在地球表面附近的重力加速度约为9.8 m/s^2。
问题:根据这些已知条件,如何求解第一宇宙速度?
解题思路:
第一宇宙速度是指物体在地面附近绕地球做圆周运动的速度,其大小约为7.9 km/s。根据万有引力定律和牛顿第二定律,可以列出方程求解。
解题过程:
根据万有引力定律,物体在地球表面附近受到的万有引力可以表示为:
F = GmM / r^2
其中,M为地球质量,r为地球半径,m为物体质量。
根据牛顿第二定律,物体受到的万有引力可以转化为物体的重力加速度和物体质量的乘积,即:
ma = GmM / r^2
其中,a为物体受到的重力加速度。
将两个式子联立起来,可以得到:
m = (GmM / a) r^2
已知地球质量M = 5.965 × 10^24 kg,地球半径r = 6.378 × 10^6 m,重力加速度a = 9.8 m/s^2,代入上式可得:
m = (6.674 × 10^-11 × 5.965 × 10^24 / 9.8) × (6.378 × 10^6)^2 kg
物体的质量大约为3.97 × 10^24 kg。
接下来,根据第一宇宙速度的定义,即物体在地面附近绕地球做圆周运动的速度,可以列出方程:
mv = sqrt(GMm / r^2)
其中,m为物体质量,v为第一宇宙速度。将已知量代入方程中,可以得到:
v = sqrt(GM / r)
将已知量代入方程中,可以得到第一宇宙速度v = 7.9 km/s。
结论:
根据已知条件,可以通过万有引力定律和牛顿第二定律求解第一宇宙速度。解题过程中需要使用已知量代入方程求解。第一宇宙速度的大小约为7.9 km/s。