三种宇宙速度的推导原理

三大宇宙速度的推导公式
1.逃逸速度
逃逸速度是指物体在天体表面所具有的最小速度，使得物体能够完全
逃离天体的引力束缚，不再被天体所吸引。

逃逸速度的推导公式如下：逃逸速度v_e=√(2GM/r)
其中，G是引力常数，M是天体的质量，r是距离天体中心的距离。

2.第一宇宙速度
第一宇宙速度是指物体在距离天体表面一定距离的地方所具有的最小
速度，使得物体能够绕天体运动。

第一宇宙速度的推导公式如下：第一宇宙速度v_1=√(GM/r)
其中，G是引力常数，M是天体的质量，r是距离天体中心的距离。

3.第二宇宙速度
第二宇宙速度是指物体在距离天体表面一定距离的地方所具有的速度，使得物体能够克服天体引力的束缚，无限远离天体。

第二宇宙速度的推导
公式如下：
第二宇宙速度v_2=√(2GM/R)
其中，G是引力常数，M是天体的质量，R是天体的半径。

这三个宇宙速度的推导公式都基于引力定律和运动力学原理。

在推导
过程中，我们假设天体是质点，不考虑天体的自转和形状对速度的影响。

同时，我们也忽略了其他天体和物体之间的相互作用。

以上是三大宇宙速度的推导公式，它们在宇宙探索和天体运动研究中具有重要意义。

这些公式用于计算和预测宇宙飞行器的运动轨迹以及模拟天体间的相互作用。

宇宙速度的计算方法第一宇宙速度的计算方法第一宇宙速度(V 1）： 航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。

按照力学理论可以计算出V 1＝7．9km/s 。

航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行，地面对航天器引力比在地面时要小,故其速度也略小于V 1第二宇宙速度的计算方法1。

第二宇宙速度(V 2）： 当航天器超过第一宇宙速度V 1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称逃逸速度。

按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V 2＝11．2 km/s 。

第三宇宙速度(V3) 从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,就叫做第三宇宙速度。

按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V 3＝16．7公里／秒。

需要注意的是,这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V 3值；如果方向不一致，所需速度就要大于16．7公里／秒了.可以说,航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的惟一要素,目前只有火箭才能突破宇宙速度设物体以第三宇宙速度抛出时具有的动能为1232E mV k =，这部分动能应该包括两部分：即脱离地球引力的动能E k1和脱离太阳引力的动能E k2.即:E k ＝E k1+E k2。

易知：12122E mV k =,V 2为地球第二宇宙速度。

下面再求E k2：有两点说明：①因为地球绕太阳公转的椭圆轨道的离心率很小，可以当作圆来处理。

②发射时个行星对物体的引力很小,可以忽略不计。

基于这两点简化，发射过程可以应用机械能守恒定律解题.物体随地球绕太阳的公转速率等于29。

8km/s 。

其倍应该为物体挣脱太阳引力所需的速度，即：'29.842.2/2V km s =(以太阳为参照物）。

如果准备飞出太阳系的物体在地球上的发射方向与地球绕太阳公转方向相同，便可以充分利用地球公转速度，这样物体在离开地球时只需要有相对地球的速度V ’＝42.2-29。

三大宇宙速度的推导公式
夸克速度非常神奇，其定义是比光速更快的物体运动速度。

夸克速度在物理学中具有重要的意义，主要包括三大宇宙速度：光速、亚夸克速度和夸克速度。

光速作为最快的速度，它可以使物体穿越太阳系，使宇宙在短时间内发生巨大的变化。

光速的推导公式是c=λf，其中λ表示波长，f表示频率。

光速是宇宙中机
械运动的最快速度，是宇宙中最容易被测量的速度。

亚夸克速度比光速慢，但远快于人类常见速度。

它是由 Maxwell 推导而来，其推导公式是 v = (E/B)^1/3，其中 E 表示电场强度，B 表示磁场强度。

它是宇宙中穿越物质结构的最快速度。

夸克速度也被称作自由夸克速度，它的推导公式为v=Fc，其中 F 表示力学加
速度， c 表示光速。

夸克速度是宇宙中测量不准确的速度，也是宇宙中的最快速度。

宇宙中的三大宇宙速度分别代表它们不同的运动能力，以满足宇宙中生命和物质的不同需求。

光速是宇宙中最快的实际速度，可用于穿越太阳系；亚夸克速度则可以用于在宇宙结构中传播；而夸克速度则可以用于穿越天体间的时空。

这三个宇宙速度正在不断推动宇宙的发展与变化。

三大宇宙速度的推导公式首先来推导地球绕太阳公转的速度。

地球绕太阳公转的速度可以通过以下公式推导得到：F=G*(M*m)/r²其中，F表示太阳对地球的引力，G表示万有引力常量，M表示太阳的质量，m表示地球的质量，r表示地球距离太阳的距离。

太阳对地球的引力提供了地球沿着椭圆轨道绕太阳公转的向心力。

根据在圆周运动中的向心力和离心力平衡的条件，可以得到公式为：F=m*v²/r其中，v表示地球绕太阳公转的速度。

将上面两个公式联立，可以得到：G*(M*m)/r²=m*v²/r消去m，可以得到：v=√(G*M/r)这个公式表示地球绕太阳公转的速度与太阳的质量、地球与太阳的距离有关。

接下来推导地球自转的速度。

地球自转的速度可以通过以下公式推导得到：v=2πr/T其中，v表示地球自转的速度，r表示地球的半径，T表示地球自转一周所花费的时间。

地球的半径可以用平均半径r0来近似表示，T可以用地球的自转周期T0来近似表示。

因此，地球的自转速度可以近似表示为：v=2πr0/T0最后推导地球脱离太阳的逃逸速度。

地球脱离太阳的逃逸速度可以通过以下公式推导得到：E=K+U其中，E表示地球相对于太阳的总机械能，K表示地球的动能，U表示地球受到太阳引力的势能。

地球相对于太阳的总机械能为负值，因为地球处于太阳的引力场中，所以E小于0。

动能K可以用1/2mv²表示，其中m表示地球的质量，v表示地球脱离太阳的速度。

势能U可以用-GMm/r表示，其中G表示万有引力常量，M表示太阳的质量，r表示地球与太阳的距离。

将上面两个公式联立，可以得到：E = 1/2mv² - GMm/rE小于0，所以：1/2mv² < GMm/r消去m，可以得到：v²<2GM/r地球脱离太阳的逃逸速度v可以近似表示为：v=√(2GM/r)这个公式表示地球脱离太阳的逃逸速度与太阳的质量、地球与太阳的距离有关。

4．宇宙航行一、宇宙速度1．牛顿的设想：如图所示，把物体水平抛出，如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球运动，成为人造地球卫星。

原理：一般情况下可认为人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，向心力由地球对它的万有引力提供，即G Mmr2＝m v2r，则卫星在轨道上运行的线速度v＝GMr2．三个宇宙速度：注意：三个宇宙速度均为发射速度，而不是在轨道上运行的速度。

二、人造地球卫星1．1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功。

2．1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”发射成功，科学家钱学森被誉为“中国航天之父”。

3．地球同步卫星：(1)轨道在赤道上方高度约36 000 km处。

(2)相对地面静止，故角速度和周期与地球自转的角速度和周期相同。

三、载人航天与宇宙探索1．1961年4月12日，苏联空军少校加加林进入“东方一号”载人飞船，铸就了人类进入太空的丰碑。

2．1969年7月，美国“阿波罗11号”飞船登上月球。

3．2003年10月15日，我国“神舟五号”宇宙飞船发射成功，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。

4．2017年4月20日，我国又发射了货运飞船“天舟一号”，入轨后与“天宫二号”空间实验室进行自动交会对接。

某同学学习了“万有引力理论的成就”后，总结出以下结论：①第一宇宙速度的大小与地球的质量有关。

②在地面上发射人造地球卫星的最小速度是7.9 km/s。

③火星的第一宇宙速度也是7.9 km/s。

④由v＝GMr，高轨道卫星运行速度小，故发射高轨道卫星比发射低轨道卫星更容易。

你的判断：正确的结论有①②。

将人类送往月球的土星五号(图1)高110米，重3 000吨；将人类从月球带回来的登月舱(图2)仅高7米，重15吨。

思考：为什么两者差距如此巨大呢？提示：月球的第一宇宙速度远小于地球的，脱离月球所需要的能量也小的多。

一、第一宇宙速度(物理观念——相互作用观念)中国第一位宇航员杨利伟乘坐“神舟五号”宇宙飞船登上太空。

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1 / 1 宇宙速度地推导
①推导第一宇宙速度：第一宇宙速度是卫星在地面附近环绕地球运行地速度，是卫星地最大地轨道速度. 根据
，可得第一宇宙速度. 第一宇宙速度也可根据，求得.
②推导第二宇宙速度：若取无穷远处为引力势能地零点，则地球上地物体所具有地引力势能为：
(式中、分别表示地球和物体地质量，表示地球半径).
要使物体克服地球引力地束缚，即物体能到达无穷远处，由能量守恒定律得＋，
即，得第二宇宙速度
.
③推导第三宇宙速度：地球以约地速度绕太阳运动，地球上地物体也随着地球以这个速度绕太阳运动.正像物体挣脱地球引力所需地最小速度等于它绕地球运动地速度地
倍那样，物体克服太阳引力地束缚所需地最小速度应等于它绕太阳运动地速度地倍，即.由于物体已有绕太阳运动地速度，所以只要使它沿地球运动轨道方向增加地速度就行.但要物体获得这个速度，首先必须使它挣脱地球引力地作用.因此，除了给予物体
地动能外（其中表示物体地质量，表示增加地速度），还需给予它地动能（表示第二宇宙速度）.用表示第三宇宙速度（以地球为参考系），则物体应具有地动能为
.
所以，
.
注：要求掌握和地推导方法，地推导方法仅供欣赏.。

高中物理“宇宙三大速度”知识点详解牛顿的设想（1）牛顿对人造卫星原理的描绘设想在高山上有一门大炮，水平发射炮弹，初速度越大，水平射程就越大。

可以想象当初速度足够大时，这颗炮弹将不会落到地面，将和月球一样成为地球的一颗卫星。

（2）人造卫星绕地球运行的动力学原因人造卫星在绕地球运行时，只受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作圆周运动的向心力由万有引力提供。

（3）人造卫星的运行速度设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径为r，由于万有引力提供向心力，则∴，可见：高轨道上运行的卫星，线速度小。

角速度和周期与轨道半径的关系可见：高轨道上运行的卫星，角速度小，周期长。

第一宇宙速度【问题】牛顿实验中，炮弹至少要以多大的速度发射，才能在地面附近绕地球做匀速圆周运动？地球半径为6370km。

【分析】在地面附近绕地球运行，轨道半径即为地球半径。

由万有引力提供向心力：【结论】如果发射速度小于7.9km/s，炮弹将落到地面，而不能成为一颗卫星；发射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作匀速圆周运动；要发射一颗半径大于地球半径的人造卫星，发射速度必须大于7.9km/s。

可见，向高轨道发射卫星比向低轨道发射卫星要困难。

【意义】第一宇宙速度是人造卫星在地面附近环绕地球作匀速圆周运动所必须具有的速度，所以也称为环绕速度。

第二宇宙速度【大小】V2=11.2 km/s【意义】使卫星挣脱地球的束缚，成为绕太阳运行的人造行星的最小发射速度，也称为脱离速度。

【注意】发射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆；等于或大于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的引力，不再绕地球运行。

第三宇宙速度【大小】V3=16.7km/s【意义】使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度，也称为逃逸速度。

【注意】发射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，卫星绕太阳作椭圆运动，成为一颗人造行星。

如果发射速度大于等于16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。

高考物理三种宇宙速度知识点精讲宇宙速度是从地球外表向宇宙空间发射天然地球卫星、行星际和恒星际飞行器所需的最低速度，下面是编辑教员整理的三种宇宙速度知识点精讲，希望对您提高学习效率有所协助.三种宇宙速度巧分辨1.第一宇宙速度第一宇宙速度是卫星在星球外表左近匀速圆周运动时必需具有的线速度，是一切做圆周运动的卫星中最大的线速度.了解第一宇宙速度，要抓住两个要点，一是在星球外表左近，卫星的轨迹半径r与星球的半径R相等;二是匀速圆周运动，卫星所受的向心力由万有引力提供，即，得，又星球外表万有引力约等于重力，即，故 .地球的第一宇宙速度约为7.9km/s，月球的第一宇宙速度约为1.8km/s.2.第二宇宙速度第二宇宙速度，是指在星球外表左近发射飞行器，使其克制该星球的引力永远分开该星球所需的最小速度，也是能绕该星球做椭圆运动的卫星在近地点的最大速度.地球的第二宇宙速度vⅡ=11.2km/s.我国发射嫦娥一号探月卫星时，卫星在地月转移轨道的近地点(离空中高度约600km)时的速度约为10km/s.3.第三宇宙速度.第三宇宙速度，是指在空中左近发射飞行器，可以挣脱太阳引力的约束飞到太阳系外的最小速度.地球的第三宇宙速度vⅢ=16.7km/s.4.三个宇宙速度之间的对比以地球为例，三个宇宙速度和相应轨道间的关系如下图.当卫星在空中左近做圆周运动时，其运转速度即为第一宇宙速度7.9km/s，当卫星抵达空中左近时，其速度介于7.9km/s--11.2 km/s之间，那么卫星沿椭圆轨道绕地球运动;当卫星抵达空中左近时，其速度介于11.2km/s--16.7 km/s 之间，那么卫星沿椭圆轨道飞离地球，成为绕太阳运动的卫星;当卫星抵达空中左近时，其速度超越16.7 km/s，那么卫星能飞出太阳系成为太阳系外的卫星.三种宇宙速度知识点精讲就引见完了，更多信息请关注查字典物理网高考频道!。

一: 第一宇宙速度 当物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动时物体绕地半径为r 地球半径为R R r ≈ 于是有如下推论gR v gR v r R R MG g r M G v m g R Mm G r v m r Mm G =⇒=⇒≈⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==⇒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==222222由 二: 物体的重力势能等于地球引力对物体所做的功 即:重力势能=地球引力⨯物体相对地心的位移设引力2xGMm F -= 说明: 规定从地心向空中的方向为正方向,因为地球的引力向下,故为负值x 是物体从地心向空中的位移,方向为正现在研究物体远离地心移动时势能的变化设: 1r OA = 2r OB = 物体从21r r → 当物体向上移动时引力做功=∆=∆x F W x x x GMm ∆-2 (注:地球引力作负功) ⎰∆-=212r r x x G M m W x r r G M m 112=)11(12r r G M m -= 物体增加的势能W E -=∆(物体克服地心引力所做的功)所以物体增加的势能)11(21r r GMm E -=∆ 讨论1: 以任意高度1r 所在的平面作0势面 物体从任意高度1r 处移动到另一高度2r 处势能增加)11(2112r r GMm E E E r r -=-=∆ 当∞→2r ,即将物体从1r 移到无穷远(脱离地球引力时), 物体增加势能为E ∆)11(112∞-=-=∆r GMm E E E r r 1r G M m E =∆⇒ 讨论2: 以无穷远处(脱离地球引力时)作0势面,即物体势能为0.现在把上面情况反过来,以无穷远处(脱离地球引力时)物体势能为0由 ⎪⎩⎪⎨⎧==-=∆02121r r r E r GMm E E E 移项得 11r GMm E r -=⇒11r GMm E r -= 这一结论很重要, 它是在规定无穷远处势能为0得到的,这种理解下可以简化运算.讨论3: 以地球表面作参考面(0势面)设: R r =1(R 为地球半径) 物体位移高度h h R r +=2一: 物体位移高度0=h0)11()11(21=-=-=∆RR GMm r r GMm E 结论:当物体相对参考面位移为0时, 势能变化为0.二: 当物体相对地球表面升高某一高度h 时,且h R >>, 即h R r +=2, 其势能变化E ∆ )11()11(2hR R G M m r R G M m E +-=-=∆h R R m g h += (注:2R GM g =) h R >> 1≈+⇒+≈∴hR R h R R mgh E =∆⇒ 结论: 当物体相对参考面位移h 且h R >>, 势能变化为mgh E =∆⇒三: 当物体升高到恰好脱离地球引力时,此时有位移高度R h >>, R h r +=2且1≈+hR h hR h mgR h R R GMm r R GMm E +=+-=-=∆)11()11(2mgR = 结论当物体恰好脱离地球引力时1: 地球引力不再对物体做功.2: 物体的重力势能不再变化(不增也不减)3: 此前地球引力对物体做功总值 m g R W -=总4: 此前物体的势能总共增加 mgR E =∆四: 关于物体离地心无穷远(脱离地心引力时)势能为0的理解1: 如下图所示, 以地面和无穷远处相互参考将地面作0势面(0=地面E ), 物体从地面趋向无穷远时势能逐渐增加, (脱地地球引力), 由mgR E E +=-地面远穷远, mgR E +=无穷远, 此后势能不再变化.2: 将物体脱离地球引力(无穷远处)作0势面, 由于从地面趋向无穷远时势能逐渐增加直到为0. 且mgR E E +=-地面远穷远, 所以mgR E -=地面三: 第二宇宙速度由上面的讨论(三,三)入手当物体恰好脱离地球引力时,即进第二宇宙速度因为物体从地面进入太空时只受重力作用,所以其总机械能守恒 假设物体离开地球表面时初动能为221mv E =动 物体恰好脱离地球引力时的势能为mgR E =势由于整个过程中机械能守恒,而恰好说明物体的初动能恰好全部转为势能.所以: 势动E E =于是可得: mgR mv =⇒221 gR v 2=。