在人民教育出版社《物理》必修2第42頁的[科學漫步]中寫到:“第一宇宙速度又叫環繞速度,第二宇宙速度又叫逃逸速度。”而在課改前的人教版《物理》第三冊第94頁卻寫到:“第二宇宙速度也叫脫離速度,第三宇宙速度也叫逃逸速度”。到底哪個速度是逃逸速度呢?
宇宙速度是指從地球表面發射宇宙飛行器時,在其入軌點處必須具有的最小初始速度。航天器按任務的不同,從地球表面發射后可能環繞地球飛行,可能脫離地球引力作用或飛出太陽系,所以需要的發射速度也不同。
第一宇宙速度:航天器從地球表面發射后,在地面附近環繞地球沿圓形軌道運動所必需具有的速度。地球表面的第一宇宙速度大小為7.9km/s,但是隨著高度的增加,地球引力的減小,環繞地球飛行所需要的飛行速度也在減小。所有航天器都是在距地面很高的大氣層外飛行,它們的飛行速度都比第一宇宙速度小,因此第一宇宙速度也稱最大的環繞速度。
第二宇宙速度:航天器掙脫地球引力的束縛,飛離地球進入環繞太陽運行的軌道,不再繞地球運行而成為繞太陽運行的人造行星,或飛到其它行星上去所需的最小發射速度。當物體(航天器)飛行速度達到11.2km/s時,就可以擺脫地球引力的束縛,這個脫離地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。各種行星探測器的起始飛行速度都高于第二宇宙速度。
第三宇宙速度:在地面附近發射的航天器速度如果達到16.7km/s時,它就可以擺脫太陽引力的束縛,脫離太陽系進入更廣漠的宇宙中間。這個從地球起飛脫離太陽系的最小飛行速度被稱為第三宇宙速度。
那什么叫逃逸速度呢?
在星球表面垂直向上射出一物體,若初速度小于某一值,該物體將上升一段距離,之后由星球引力產生的加速度將最終使其下落;若初速度達到某一值,該物體將完全逃脫星球的引力束縛而飛出該星球。需要使物體剛好逃脫星球引力的這一速度稱為逃逸速度。從定義中我們可以看到,天體表面上物體擺脫該天體萬有引力的束縛飛向宇宙空間所需的最小速度就是逃逸速度,可理解為逃逸速度是一個物體從一個星球的引力場脫離所需要的最小速度,所以地球的逃逸速度為11.2km/s,即第二宇宙速度。第三宇宙速度也可以稱為逃逸速度,但那是太陽的逃逸速度。
另外還有第四宇宙速度,約110~120km/s,是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力的束縛,飛出銀河系所需的最小初始速度。但由于人們尚未知道銀河系的準確大小與質量,因此只能粗略估算,其數值在110~120km/s之間。到目前為止,仍然沒有航天器能夠達到這個速度。綜上可知,宇宙速度的概念是發射航天器的初速度,也就是一次性給予的航天器所需要的所有動能。
(欄目編輯羅琬華)