第二宇宙速度的推导

Question

如题所述

Answer 1

第二宇宙速度的推导：

一个质量为m的物体具有速度v，则它具有的动能为mv^2/2。假设无穷远地方的引力势能为零（应为物体距离地球无穷远时，物体受到的引力势能为零，所以这个假设是合理的）。

则距离地球距离为r的物体的势能为-mar(a为该点物体的重力加速度，负号表示物体的势能比无穷远点的势能小）。又因为地球对物体的引力可视为物体的重量，所以有：

GmM/r2=ma，即a=（GM）/r2。

所以物体的势能又可写为-GmM/r，其中M为地球质量。设物体在地面的速度为V，地球半径为R，则根据能量守恒定律可知，在地球表面物体动能与势能之和等于在r处的动能与势能之和，即：mV2/2+（-GMm/R）=mv2/2+（-GmM/r)。

当物体摆脱地球引力时，r可看作无穷大，引力势能为零，则上式变为：mV2/2-GmM/R等于mv2/2。

显然，当v等于零时，所需的脱离速度V最小，即V=2GM/R开根号，又因为GMm/R2=mg，所以V等于2gR开根号，另外，由上式可见脱离速度（第二宇宙速度）恰好等于第一宇宙速度的根号2倍。

第二宇宙速度的特点

逃逸速度，取决于星球的质量。如果一个星球的质量大，其引力就强，逃逸速度值就大。反之，一个较轻的星球，将会有较小的逃逸速度。逃逸速度还取决于物体与星球中心的距离，距离越近，逃逸速度越大。

如果一个天体的质量与表面引力很大，使得逃逸速度达到甚至超过了光速，该天体就是黑洞。黑洞的逃逸速度达30万千米/秒。