改變世界的物理學第二章航天與力學

1、 第二章第二章 航天與力學航天與力學 自古以來，人類遙望廣變而深途的星空，在感自古以來，人類遙望廣變而深途的星空，在感嘆宇宙深幻莫測的同時，企盼有朝一日能離開地嘆宇宙深幻莫測的同時，企盼有朝一日能離開地球，飛向星球。由此產生出許多美妙而動人的神球，飛向星球。由此產生出許多美妙而動人的神話，如我國古代話，如我國古代“嫦娥奔月嫦娥奔月”，以及古希臘，以及古希臘“伊伊卡爾飛向太陽卡爾飛向太陽”等故事來。它寄托了人類對宇宙等故事來。它寄托了人類對宇宙的關注和向往，也表達了渴望能飛到其他星球的的關注和向往，也表達了渴望能飛到其他星球的心情。從我國明代萬虎用心情。從我國明代萬虎用“飛龍飛龍”嘗試飛天開始，

2、嘗試飛天開始，人類為此作了不懈的努力。人類為此作了不懈的努力。 是哥白尼的是哥白尼的“日心說日心說”把人類從神學的枷鎖中把人類從神學的枷鎖中解放了出來。牛頓的解放了出來。牛頓的“萬有引力定律萬有引力定律”不僅揭示不僅揭示了宇宙間萬物所遵循的引力規(guī)律，還把了宇宙間萬物所遵循的引力規(guī)律，還把“天上天上”與與“人間人間”和諧地統(tǒng)一了起來。由伽利略、牛頓和諧地統(tǒng)一了起來。由伽利略、牛頓等建立的等建立的經典力學，以及爾后建立的電磁學、光學和熱學經典力學，以及爾后建立的電磁學、光學和熱學等，使物理學形成一門完整的學科。直到本世紀等，使物理學形成一門完整的學科。直到本世紀初，隨著物理學所取得的極大成功，帶動

3、了整個初，隨著物理學所取得的極大成功，帶動了整個科學技術的蓬勃發(fā)展，高新技術如雨后春筍般不科學技術的蓬勃發(fā)展，高新技術如雨后春筍般不斷涌現。斷涌現。50年代開始興起的航天技術就是一棵在年代開始興起的航天技術就是一棵在物理學豐潤土壤里滋生出來的高科技新苗。正是物理學豐潤土壤里滋生出來的高科技新苗。正是它使人類飛向宇宙的這一夢想得以實現。人造衛(wèi)它使人類飛向宇宙的這一夢想得以實現。人造衛(wèi)星的上天，載人航天器的發(fā)射，人類首次登月的星的上天，載人航天器的發(fā)射，人類首次登月的成功成功一個個激動人心時刻的到來，把人類航一個個激動人心時刻的到來，把人類航天活動推向高潮。到目前為止，共發(fā)射了數干顆天活動推向高潮

4、。到目前為止，共發(fā)射了數干顆不同類型的航天器，這些航天器發(fā)揮了各自不同不同類型的航天器，這些航天器發(fā)揮了各自不同的作用，造福于人類。一些肩負著探索宇宙使命的作用，造福于人類。一些肩負著探索宇宙使命的探測器已造訪了除冥王星以外的太陽系所有的的探測器已造訪了除冥王星以外的太陽系所有的行星，有的已開始遠離太陽系，進入茫茫的宇宙。行星，有的已開始遠離太陽系，進入茫茫的宇宙。 本章著重結合航天技術來闡明基本力學原理：本章著重結合航天技術來闡明基本力學原理：萬有引力定律、火箭推進原理與動量守恒定律、萬有引力定律、火箭推進原理與動量守恒定律、三個宇宙速度與能量守恒定律、航天器在軌道上三個宇宙速度與能量守恒定

5、律、航天器在軌道上的運動與角動量守恒定律，以及航天飛行中的失的運動與角動量守恒定律，以及航天飛行中的失重原理等。同時，還穿插闡述人類航天活動的歷重原理等。同時，還穿插闡述人類航天活動的歷史過程和航天技術的發(fā)展概況、人造衛(wèi)星的發(fā)射史過程和航天技術的發(fā)展概況、人造衛(wèi)星的發(fā)射和應用等。和應用等。 21 萬有引力定律的發(fā)現萬有引力定律的發(fā)現 中國是最早發(fā)明火箭的國家，早在北宋后期，中國是最早發(fā)明火箭的國家，早在北宋后期，民間流行的能升空的煙火，已利用了火藥燃氣的民間流行的能升空的煙火，已利用了火藥燃氣的反作用力。到反作用力。到14世紀末，我國明朝一位專門設計世紀末，我國明朝一位專門設計兵器的官員萬虎就

6、作過首次升空的嘗試。他在一兵器的官員萬虎就作過首次升空的嘗試。他在一把椅子的背后裝上把椅子的背后裝上47牧用火藥制成的大火箭，讓牧用火藥制成的大火箭，讓人把自己捆在椅子上，并兩手各持一大風箏，試人把自己捆在椅子上，并兩手各持一大風箏，試圖借助火箭的推力和風箏的升力飛天，當火箭被圖借助火箭的推力和風箏的升力飛天，當火箭被點燃噴火后，這只被稱為點燃噴火后，這只被稱為“飛龍飛龍”的座椅一下沖的座椅一下沖出山頭，并急速上升，但沒過多久，當火光消散出山頭，并急速上升，但沒過多久，當火光消散后，飛龍突然下墜，并撞毀于山腳之下。萬虎的后，飛龍突然下墜，并撞毀于山腳之下。萬虎的嘗試雖以失敗告終，但他以自己的鮮

7、血和生命，嘗試雖以失敗告終，但他以自己的鮮血和生命，勇敢和智慧，宣告了人類航天活動的開始，并激勇敢和智慧，宣告了人類航天活動的開始，并激勵勵后人去進行新的嘗試。后人去進行新的嘗試。 為了紀念這位航天先驅，在為了紀念這位航天先驅，在20世紀世紀60年代，國年代，國際天文聯合會以際天文聯合會以“萬虎山萬虎山”來命名月球上的一座來命名月球上的一座環(huán)形山，以表彰他對航天事業(yè)作出的貢獻。環(huán)形山，以表彰他對航天事業(yè)作出的貢獻。 以后世界各國進行了各種人類升空嘗試，如以后世界各國進行了各種人類升空嘗試，如 18世紀盛行于歐洲的熱氣球升空活動等，最終都不世紀盛行于歐洲的熱氣球升空活動等，最終都不能飛離地球而回

8、落到地面上。為什么人類離開地能飛離地球而回落到地面上。為什么人類離開地球如此困難？是什么原因把萬物牢牢束縛在地球球如此困難？是什么原因把萬物牢牢束縛在地球上呢？這個千百年來一直索繞于人們心頭的疑團，上呢？這個千百年來一直索繞于人們心頭的疑團，直到牛頓發(fā)現萬有引力以后才被解開。直到牛頓發(fā)現萬有引力以后才被解開。 一、牛頓生平一、牛頓生平 牛頓在物理學史上另一位巨人牛頓在物理學史上另一位巨人伽利略逝世那年（伽利略逝世那年（1642年）誕生年）誕生于英國東南部伍爾索普，小時學于英國東南部伍爾索普，小時學習成績平平，但對問題愛刨根問習成績平平，但對問題愛刨根問底。大學期間，學習勤奮，并表底。大學期間，

9、學習勤奮，并表現出極高的數學天賦?，F出極高的數學天賦。22歲畢業(yè)歲畢業(yè)時，他對數學和哲學的愛好，已到了癡迷的程度。時，他對數學和哲學的愛好，已到了癡迷的程度。當年六月到次年，學校因歐洲鼠疫大流行被迫停當年六月到次年，學校因歐洲鼠疫大流行被迫停課，他回家鄉(xiāng)住了近課，他回家鄉(xiāng)住了近20個月，清靜的生活使他有個月，清靜的生活使他有了充分思考問題的環(huán)境和時間，成了他一生中創(chuàng)了充分思考問題的環(huán)境和時間，成了他一生中創(chuàng)造力最旺盛的時期，萬有引力定律以及微積分等造力最旺盛的時期，萬有引力定律以及微積分等重要思想在這一時期都已開始醞釀。重要思想在這一時期都已開始醞釀。42歲時，牛頓再次研究以前曾深探過的引力理

10、論，歲時，牛頓再次研究以前曾深探過的引力理論，結果大獲成功，發(fā)現了萬有引力定律，并于結果大獲成功，發(fā)現了萬有引力定律，并于3年后年后出版了他不朽的傳世之作出版了他不朽的傳世之作自然哲學的數學原自然哲學的數學原理理。該書除介紹萬有引力定律外，還闡述了他。該書除介紹萬有引力定律外，還闡述了他綜合他人成果和自己研究所得出的綜合他人成果和自己研究所得出的“物體運動三物體運動三定律定律”，以及動量守恒定律等力學規(guī)律，從而使，以及動量守恒定律等力學規(guī)律，從而使經典力學的框架基本形成。這是人類自然認識的經典力學的框架基本形成。這是人類自然認識的第一次大綜合和大飛躍。第一次大綜合和大飛躍。 牛頓對自己的成功有

11、看清醒的認識。他在一封牛頓對自己的成功有看清醒的認識。他在一封信中與道：信中與道：“如果說我比其他人看得遠一點的話，如果說我比其他人看得遠一點的話，那是因為我站在巨人們的肩上那是因為我站在巨人們的肩上”。臨終時，在他。臨終時，在他的遺言中有這樣一段話：的遺言中有這樣一段話：“我不知道世人將如何我不知道世人將如何看待我，但是在我看來，我不過是在海濱玩耍的看待我，但是在我看來，我不過是在海濱玩耍的孩子，孩子，為時而發(fā)現一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼為時而發(fā)現一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼而感到高興，但那浩瀚的真理之海洋，卻還在我而感到高興，但那浩瀚的真理之海洋，卻還在我的面前未曾發(fā)現呢。的面前

12、未曾發(fā)現呢?！?二、月亮為什么不掉下來二、月亮為什么不掉下來 月亮為什么不掉下來？這個司空見慣的現象促月亮為什么不掉下來？這個司空見慣的現象促使牛頓最終發(fā)現了萬有引力定律。使牛頓最終發(fā)現了萬有引力定律。 為了解決這一問題，牛頓對地面附近物體的為了解決這一問題，牛頓對地面附近物體的下落與月亮的運動認直地作了一番下落與月亮的運動認直地作了一番比較。在高塔上如果向水平方向拋比較。在高塔上如果向水平方向拋出一塊石子，它將會沿不斷向下彎出一塊石子，它將會沿不斷向下彎的曲線運動，最后落在地面上。根的曲線運動，最后落在地面上。根據伽利略對平拋運動的研究可知，據伽利略對平拋運動的研究可知，拋體的運動可看成兩個

13、各自獨立的運動：沿拋體的運動可看成兩個各自獨立的運動：沿 水平水平方向的勻速運動和沿豎直方向的自由落體運動，方向的勻速運動和沿豎直方向的自由落體運動，其軌道是一條半拋物線。如果設其軌道是一條半拋物線。如果設x方向為水平方向，方向為水平方向，y 方向為豎直方向，如圖方向為豎直方向，如圖211所示，則在高為所示，則在高為h的塔上以初速的塔上以初速v0 水平拋出的物體，在落地前其位置水平拋出的物體，在落地前其位置x和和y、隨時間、隨時間t 的變化是：的變化是：其中重力加速度其中重力加速度g98米米秒秒。由此公式就可求得物體。由此公式就可求得物體的拋程的拋程L。例如，。例如， h = 80米，米，v0

14、 =20米秒，則由（米秒，則由（21-1）式可得石子落地的時）式可得石子落地的時間間 t4秒，而石子的拋程為秒，而石子的拋程為 L=v0 t=20 4=80（米）。如果石子的初速（米）。如果石子的初速V。增大一倍，則石子的。增大一倍，則石子的拋程也將增大一倍。拋程也將增大一倍。平拋的石子為什么會作這種拋物線運動呢？由伽平拋的石子為什么會作這種拋物線運動呢？由伽利略等所建立的慣性定律給了牛頓很大的啟示。利略等所建立的慣性定律給了牛頓很大的啟示。慣性定律指出：凡不受外力作用的物體將永遠保慣性定律指出：凡不受外力作用的物體將永遠保持其原來的運動速度（持其原來的運動速度（velocity）包括速度的大

15、）包括速度的大小（運動快慢，即速率小（運動快慢，即速率 speed）和速度的方向，）和速度的方向，如果它改變了運動速度，則必然有某種外來力的如果它改變了運動速度，則必然有某種外來力的作用。既然石塊沒有沿著拋出時初速作用。既然石塊沒有沿著拋出時初速V。的方向運。的方向運動，而是不斷地彎向地面，這種外來力必然來自動，而是不斷地彎向地面，這種外來力必然來自于地球，牛頓把這種外來力歸結為地球的引力。于地球，牛頓把這種外來力歸結為地球的引力。 那么，同樣在地球旁的月亮為什么不掉向地球那么，同樣在地球旁的月亮為什么不掉向地球呢？牛頓對石塊的運動作進一步的設想：如果拋呢？牛頓對石塊的運動作進一步的設想：如果

16、拋石塊的力更大些，那石塊就能拋得更遠些，運動石塊的力更大些，那石塊就能拋得更遠些，運動曲線向下彎的程度也小些。只要拋石塊的力足夠曲線向下彎的程度也小些。只要拋石塊的力足夠大，使石塊運動曲線的曲率恰好與地球表面的曲大，使石塊運動曲線的曲率恰好與地球表面的曲率相同，則石塊就永遠落不到地面上。圖率相同，則石塊就永遠落不到地面上。圖212為牛頓的拋體運動圖。牛頓認為，月亮可以比作為牛頓的拋體運動圖。牛頓認為，月亮可以比作一拋體，如果月亮沒有受到地球引力的作用，則一拋體，如果月亮沒有受到地球引力的作用，則應沿直線運動，正是由于地球引力的作用，使月應沿直線運動，正是由于地球引力的作用，使月亮離開直線、不斷

17、偏向地球，其運動曲線的彎曲亮離開直線、不斷偏向地球，其運動曲線的彎曲正好與地球表面的彎曲程度相同，因此月球永遠正好與地球表面的彎曲程度相同，因此月球永遠也掉不到地球上。圖也掉不到地球上。圖213為月亮在地球引力作為月亮在地球引力作用下運動示意圖。雖然月亮的速率沒有變，但它用下運動示意圖。雖然月亮的速率沒有變，但它的速度方向卻不斷改變，且每一瞬時的改變都指的速度方向卻不斷改變，且每一瞬時的改變都指向地球的中心。直至牛頓發(fā)明了微積分后才能精向地球的中心。直至牛頓發(fā)明了微積分后才能精確地用確地用“向心加速度向心加速度”來表示這種速度隨時間的來表示這種速度隨時間的變化率。變化率。 三、萬有引力定律的建

18、立三、萬有引力定律的建立 月亮繞地球的運轉是由于地球引力作用的結果，月亮繞地球的運轉是由于地球引力作用的結果，而行星繞太陽的運轉與月亮的運動十分相似，那而行星繞太陽的運轉與月亮的運動十分相似，那么行星也必定受到太陽的引力作用。這使牛頓么行星也必定受到太陽的引力作用。這使牛頓領悟到宇宙間任何物體間都有引力作用。領悟到宇宙間任何物體間都有引力作用。 這種引力的大小與兩物體間的距離成何種關系這種引力的大小與兩物體間的距離成何種關系呢？牛頓把引力與開普勒定律聯系起來考慮。開呢？牛頓把引力與開普勒定律聯系起來考慮。開普勒定律是描述行星繞太陽運動規(guī)律的三條定律，普勒定律是描述行星繞太陽運動規(guī)律的三條定律，

19、其內容已在第一章中作了介紹，然而開普勒定律其內容已在第一章中作了介紹，然而開普勒定律并沒有回答行星為什么這樣運動。經過仔細研究并沒有回答行星為什么這樣運動。經過仔細研究之后，牛頓認為，行星的運動可以用由英國物理之后，牛頓認為，行星的運動可以用由英國物理學家胡克（學家胡克（RHooke，16351703）等人提出的）等人提出的其大小與距離平方成反比的引力來解釋。其論證其大小與距離平方成反比的引力來解釋。其論證如下：如下： 如果把行星運動簡化成繞太陽作勻速圓周運動，如果把行星運動簡化成繞太陽作勻速圓周運動，那么以速率那么以速率V在半徑為在半徑為R的圓周上運動的行星，的圓周上運動的行星，必定受到一個

20、向心力必定受到一個向心力F的作用，此力產生的向心加的作用，此力產生的向心加速度速度a應由牛頓第二定律應由牛頓第二定律F=ma決定，決定，F還不清楚，還不清楚，但是已知但是已知T為行星運動的周期，于是，兩個行星的為行星運動的周期，于是，兩個行星的向心加速度之比為：向心加速度之比為：按開普勒第三定律，行星繞太陽運動的周期的平按開普勒第三定律，行星繞太陽運動的周期的平方與它到太陽距離的立方成正比，即方與它到太陽距離的立方成正比，即 上式表明，向心加速度的大小與距離的平方成反上式表明，向心加速度的大小與距離的平方成反比。因此，由比。因此，由F=ma可知，引力可知，引力F是一種與距離平是一種與距離平方成

21、反比的力。牛頓后來又證明，以上結論對橢方成反比的力。牛頓后來又證明，以上結論對橢圓軌道也同樣適用。圓軌道也同樣適用。 牛頓闡明了引力與距離的關系后，進而研究與牛頓闡明了引力與距離的關系后，進而研究與質量的關系。他從地球上任何物體，不論其輕重，質量的關系。他從地球上任何物體，不論其輕重，都都以同樣的加速度下落這個事實出發(fā)，并運用他的以同樣的加速度下落這個事實出發(fā)，并運用他的第二定律，得出地球對物體的引力應與物體的質第二定律，得出地球對物體的引力應與物體的質量成正比。然后，又運用他的第三定律，可知物量成正比。然后，又運用他的第三定律，可知物體對地球的引力應與地球對物體的引力相等。因體對地球的引力應

22、與地球對物體的引力相等。因此，此引力也應與地球的質量成正比。由此推斷，此，此引力也應與地球的質量成正比。由此推斷，任何兩天體（也包括物體）間的引力大小與這兩任何兩天體（也包括物體）間的引力大小與這兩個天體的質量乘積成正比，與兩天體的距離平方個天體的質量乘積成正比，與兩天體的距離平方成反比，這就是著名的萬有引力定律，可表示為成反比，這就是著名的萬有引力定律，可表示為 式中式中m1，m。分別為兩天體的質量；。分別為兩天體的質量；R為兩者之間為兩者之間的距離；的距離；G為引力常數，直到為引力常數，直到100多年后，才由多年后，才由英國物理學家卡文迪許在英國物理學家卡文迪許在1798年測定，現在的公年

23、測定，現在的公認值為認值為 G = 6 672 6 10 -11牛頓牛頓米米2千克千克2 牛頓的萬有引力定律，深刻地揭示了宇宙萬物牛頓的萬有引力定律，深刻地揭示了宇宙萬物間所遵循的引力規(guī)律，打破了以前人們頭腦中認間所遵循的引力規(guī)律，打破了以前人們頭腦中認為天體運動與地上物體運動有著天壤之別的鴻溝，為天體運動與地上物體運動有著天壤之別的鴻溝，把天上和人間和諧地統(tǒng)一了起來。把天上和人間和諧地統(tǒng)一了起來。 四、海王星的發(fā)現四、海王星的發(fā)現 萬有引力定律建立后，經歷了幾次重大的考驗萬有引力定律建立后，經歷了幾次重大的考驗,如準確地預言了慧星的出現等，從而建立了它的如準確地預言了慧星的出現等，從而建立了

24、它的權威。然而，在解釋天王星的運動時卻遇到了空權威。然而，在解釋天王星的運動時卻遇到了空前的危機。前的危機。 自從自從1781年英國的赫歇耳（年英國的赫歇耳（FWHerschel，17381822）發(fā)現了天王星以后，經過幾十年的）發(fā)現了天王星以后，經過幾十年的觀測，已積累了較豐富的天王星觀測，已積累了較豐富的天王星“行蹤行蹤”資料。資料。在這期間，在萬有引力定律基礎上建立起來的引在這期間，在萬有引力定律基礎上建立起來的引力理論，已能較好地解釋由行星間的相互引力作力理論，已能較好地解釋由行星間的相互引力作用造成的行星運動偏離橢圓軌道的所謂攝動現象，用造成的行星運動偏離橢圓軌道的所謂攝動現象，如木

25、星、土星等行星的運動，理論計算與觀測資如木星、土星等行星的運動，理論計算與觀測資料完全吻合，唯獨天王星總是對不上號，新的觀料完全吻合，唯獨天王星總是對不上號，新的觀測資料表明天王星的運動與理論計算的誤差與原測資料表明天王星的運動與理論計算的誤差與原有觀測資料相比是有增無減。于是，有人對萬有有觀測資料相比是有增無減。于是，有人對萬有引力定律的權威產生了懷疑，如果它不能用來解引力定律的權威產生了懷疑，如果它不能用來解釋天王星的運動，豈可稱為宇宙間的普遍規(guī)律？釋天王星的運動，豈可稱為宇宙間的普遍規(guī)律？ 然而，有不少學者并不輕易動搖。他們大膽設想，然而，有不少學者并不輕易動搖。他們大膽設想，既然原先認

26、為土星是太陽系的邊界，后來被新發(fā)既然原先認為土星是太陽系的邊界，后來被新發(fā)現的天王星所突破，那么天王星也未必是最后的現的天王星所突破，那么天王星也未必是最后的邊界，在天王星的外面可能還有一顆未知行星，邊界，在天王星的外面可能還有一顆未知行星，由于它的引力作用，使天王星受到攝動而偏離了由于它的引力作用，使天王星受到攝動而偏離了應有的軌道。但要根據天王星的運動軌道，通過應有的軌道。但要根據天王星的運動軌道，通過計算來尋找這顆未知行星的位置包括它的質量，計算來尋找這顆未知行星的位置包括它的質量，實在是太難了，當時幾乎無人敢問津。只有兩位實在是太難了，當時幾乎無人敢問津。只有兩位年輕人：英國的亞當斯（

27、年輕人：英國的亞當斯（J Adams）和法國的勒）和法國的勒維烈（維烈（J. Le Verrier， 18111877）分別勇敢地承）分別勇敢地承擔起了這項工作，經過無數次的失敗之后，他倆擔起了這項工作，經過無數次的失敗之后，他倆都完成了這項艱苦的工作。都完成了這項艱苦的工作。 亞當斯幾乎早勒維烈一年（亞當斯幾乎早勒維烈一年（1845年）計算出未年）計算出未知行星的軌道和質量，當他把研究成果送交知行星的軌道和質量，當他把研究成果送交格林威治天文臺天文學家愛勒時，竟遭冷遇，拖格林威治天文臺天文學家愛勒時，竟遭冷遇，拖了九個月才開始尋找，且不認真，最后還是讓新了九個月才開始尋找，且不認真，最后還是

28、讓新行星從他們的望遠鏡視場中溜掉。而勒維烈卻幸行星從他們的望遠鏡視場中溜掉。而勒維烈卻幸運得多，由于巴黎沒有詳細的星圖，因此勒維烈運得多，由于巴黎沒有詳細的星圖，因此勒維烈把自己計算的結果寫信給柏林天文臺的天文學家把自己計算的結果寫信給柏林天文臺的天文學家伽勒（伽勒（J Galle）伽勒很快就于）伽勒很快就于1846年年9月月 18日復日復信給勒維烈，并高興地宣布：信給勒維烈，并高興地宣布： “先生，你給我先生，你給我們指出位置的新行星是真實存在的。們指出位置的新行星是真實存在的。” 當勒維當勒維烈接到信時，真是驚喜交加，消息一經傳出，全烈接到信時，真是驚喜交加，消息一經傳出，全球為之轟動。新

29、行星被命名為海王星。這個被譽球為之轟動。新行星被命名為海王星。這個被譽為為“筆尖上的發(fā)現筆尖上的發(fā)現”不僅揭開了天王星不僅揭開了天王星“越軌越軌”之謎，也宣告了牛頓引力理論的徹底勝利。后來，之謎，也宣告了牛頓引力理論的徹底勝利。后來，美國天文學家洛威耳（美國天文學家洛威耳（PLowed）和皮克林）和皮克林（WPickering）根據）根據類似的計算，預言海王星之外還有一。顆新行星，類似的計算，預言海王星之外還有一。顆新行星，直到直到193O年才由湯博（年才由湯博（CTombaugh）在照片中）在照片中發(fā)現，命名為冥王星，這就是太陽系的第九顆行發(fā)現，命名為冥王星，這就是太陽系的第九顆行星星.22

30、 宇宙速度與動量及機械能守恒宇宙速度與動量及機械能守恒 歷史上最早的火箭是中國發(fā)明的。早在唐代就歷史上最早的火箭是中國發(fā)明的。早在唐代就發(fā)明了火藥，南宋周密所著發(fā)明了火藥，南宋周密所著武林舊事武林舊事中記載：中記載：“煙火起輪，走線流星煙火起輪，走線流星”。此處。此處“流星流星”，指一，指一種煙火玩物，即火箭。到元明期間就出現了用火種煙火玩物，即火箭。到元明期間就出現了用火藥推進的箭，用作攻擊性武器。后來火藥和火箭藥推進的箭，用作攻擊性武器。后來火藥和火箭技術由中國傳到歐洲，逐漸發(fā)展出近代的火箭。技術由中國傳到歐洲，逐漸發(fā)展出近代的火箭。 在在1903年，俄國科學家齊奧爾科夫斯基年，俄國科學家

31、齊奧爾科夫斯基(18571935）發(fā)表了）發(fā)表了利用噴氣工具研究宇宙空間利用噴氣工具研究宇宙空間等等論文，提出了利用火箭向后噴氣產生的反作用而論文，提出了利用火箭向后噴氣產生的反作用而運動并飛向宇宙的思想，建立了著名的齊奧爾科運動并飛向宇宙的思想，建立了著名的齊奧爾科夫斯基公式夫斯基公式, 為現代航天技術奠定了理論基礎。那為現代航天技術奠定了理論基礎。那么，火箭為何能升天？又為何能在太空中加速呢？么，火箭為何能升天？又為何能在太空中加速呢？一、火箭推進原理與動量守恒定律一、火箭推進原理與動量守恒定律 1動量守恒定律動量守恒定律 假設有兩個質量分別為假設有兩個質量分別為m1和和m2的宇航員，處在

32、的宇航員，處在不受任何其他物體作用的太空中。如果他們互相不受任何其他物體作用的太空中。如果他們互相推一下，情況將如何呢？根據牛頓第三定律，分推一下，情況將如何呢？根據牛頓第三定律，分別作用在兩人身上的互推力必定大小相等而方向別作用在兩人身上的互推力必定大小相等而方向相反相反（見圖（見圖2.2-1），），即即 F1 = F2兩人因受推力而獲得的加速度分別為兩人因受推力而獲得的加速度分別為 設兩人互推的時間為主，且推力為恒力，則兩人設兩人互推的時間為主，且推力為恒力，則兩人相互脫離接觸時的速度分別為相互脫離接觸時的速度分別為 由于由于 F1 = F2 , 可得可得 m1v1 = m2v2 或或 P

33、1 = P2上式表明互推后兩人將以相同大小的動量（上式表明互推后兩人將以相同大小的動量（P=mv）沿相反方向退離原處，質量較大的宇航員將以較沿相反方向退離原處，質量較大的宇航員將以較小速度運動，而質量較小的宇航員則以較大速度小速度運動，而質量較小的宇航員則以較大速度運動。由上式可得互推結束后的總動量為運動。由上式可得互推結束后的總動量為 PlP2 = mlv1 m2v2 = 0由于在互推前兩人的總動量也為零，因此由上式由于在互推前兩人的總動量也為零，因此由上式可知：相互作用前后兩人總動量保持不變，可表可知：相互作用前后兩人總動量保持不變，可表示為示為 P總前 = P總后上式表明了物理學中一個重

34、要的守恒定律一動量上式表明了物理學中一個重要的守恒定律一動量守恒定律，可以表述為：對于任何不受外力作用守恒定律，可以表述為：對于任何不受外力作用的系統(tǒng)，其總動量保持不變。的系統(tǒng)，其總動量保持不變。2火箭推進原理火箭推進原理 根據動量守恒定律，當一個系統(tǒng)向后高速射出根據動量守恒定律，當一個系統(tǒng)向后高速射出一個小物體時，該系統(tǒng)就會獲得與小物體相同大一個小物體時，該系統(tǒng)就會獲得與小物體相同大小、但方向相反的動量，即系統(tǒng)會獲得向前的速小、但方向相反的動量，即系統(tǒng)會獲得向前的速度。如果系統(tǒng)不斷向后射出小物體，則系統(tǒng)就會度。如果系統(tǒng)不斷向后射出小物體，則系統(tǒng)就會不斷向前加速?；鸺褪抢么藙恿渴睾阍聿徊?/p>

35、斷向前加速。火箭就是利用此動量守恒原理不斷推進的。在火箭內裝置了大量的燃料，燃料燒斷推進的。在火箭內裝置了大量的燃料，燃料燒后會產生高溫高壓的氣體，通過火箭的尾部不斷后會產生高溫高壓的氣體，通過火箭的尾部不斷向后高速噴出，從而使火箭不斷向前加速。向后高速噴出，從而使火箭不斷向前加速。 為了進一步說明火箭推進的原理，先不考慮地為了進一步說明火箭推進的原理，先不考慮地球的重力作用，并將質量為球的重力作用，并將質量為M的火箭中的燃料燃燒的火箭中的燃料燃燒后噴出的燃料氣體，看成是許多質量均為后噴出的燃料氣體，看成是許多質量均為m（mM）、相對火箭速度為）、相對火箭速度為 u 的細小彈丸，如的細小彈丸，

36、如圖圖222所示。由于火箭不受到任何外力，因此所示。由于火箭不受到任何外力，因此火箭系統(tǒng)總動量守恒。設想當第一顆彈丸以速度火箭系統(tǒng)總動量守恒。設想當第一顆彈丸以速度u向后噴出時，火箭就獲得與彈丸等量而方向向前向后噴出時，火箭就獲得與彈丸等量而方向向前的動量，設此時火箭獲得的速度為的動量，設此時火箭獲得的速度為V1，則由，則由MV1m u，可得，可得V1 mu/M。以后每噴出一顆彈丸，。以后每噴出一顆彈丸，火箭就會獲得一個速度增量火箭就會獲得一個速度增量mu/M。一顆顆彈丸斷。一顆顆彈丸斷續(xù)地噴出，使火箭速度的增加將呈跳躍式的，但續(xù)地噴出，使火箭速度的增加將呈跳躍式的，但實際上火箭是連續(xù)不斷噴出

37、大量質量實際上火箭是連續(xù)不斷噴出大量質量m極小的燃料極小的燃料氣體，使火箭得以連續(xù)平穩(wěn)地加速。氣體，使火箭得以連續(xù)平穩(wěn)地加速。隨著燃料的不斷消耗，火箭的質量隨著燃料的不斷消耗，火箭的質量M越來越小，因越來越小，因此噴射相同質量的燃料氣體，火箭獲得的速度增量此噴射相同質量的燃料氣體，火箭獲得的速度增量也將越來越大。設火箭最初的質量為也將越來越大。設火箭最初的質量為Mi燃料燒完后燃料燒完后的火箭質量為的火箭質量為Mf ，噴射的燃料氣體相對于火箭的速，噴射的燃料氣體相對于火箭的速度為度為u，則火箭最后獲得的速度，則火箭最后獲得的速度Vf 為為 這就是著名的齊奧爾科夫斯基公式（具體推導參見這就是著名的

38、齊奧爾科夫斯基公式（具體推導參見附錄附錄2A）。）。 如果在地球表面垂直發(fā)射火箭，則火箭在加速過如果在地球表面垂直發(fā)射火箭，則火箭在加速過程中還要受到地球引力和空氣阻力的作用，雖然這程中還要受到地球引力和空氣阻力的作用，雖然這些力與由于燃料噴射而獲得的巨大推力相比極小，些力與由于燃料噴射而獲得的巨大推力相比極小，動量守恒仍近似成立，但火箭最后獲得的速度要動量守恒仍近似成立，但火箭最后獲得的速度要比（比（223）式中的值略小，即有引力損失和阻）式中的值略小，即有引力損失和阻力損失。力損失。3火箭推力火箭推力 運載火箭推力是火箭設計中的一個重要指標，運載火箭推力是火箭設計中的一個重要指標，當燃料氣

39、體從火箭尾部噴出時，將對火箭產生一當燃料氣體從火箭尾部噴出時，將對火箭產生一個推力使其升空，此推力的大小，近似可由下式個推力使其升空，此推力的大小，近似可由下式計算（推導見附錄計算（推導見附錄2.A）：）： F = u m/t其中其中 m/t是單位時間（每秒）所噴出的燃料氣是單位時間（每秒）所噴出的燃料氣體的質量。例如，噴射速度體的質量。例如，噴射速度u = 2千米秒，每秒千米秒，每秒噴出的氣體質量為噴出的氣體質量為1000千克，則可得推力千克，則可得推力F=2 106牛頓牛頓200噸。如我國的風云二號氣象衛(wèi)星是噸。如我國的風云二號氣象衛(wèi)星是由長征三號運載火箭發(fā)射升空。此火箭共有三節(jié)，由長征三

40、號運載火箭發(fā)射升空。此火箭共有三節(jié)，全長全長43.25米，起飛推力達米，起飛推力達280噸。噸。 二、機械能守恒定律二、機械能守恒定律 我們先介紹物理學中另一個重要的守恒定律我們先介紹物理學中另一個重要的守恒定律機械能守恒定律，說明地球引力范圍機械能守恒定律，說明地球引力范圍引力引力場（關于場（關于“場場”的概念，將在下一章以后逐步熟的概念，將在下一章以后逐步熟悉）中勢能的算法，然后依次計算為使航天器升悉）中勢能的算法，然后依次計算為使航天器升空、脫離地球或飛離太陽系所需要的最小速度空、脫離地球或飛離太陽系所需要的最小速度三個宇宙速度。三個宇宙速度。 如果在地面上將質量為如果在地面上將質量為m

41、的小球以的小球以V0的初速向上的初速向上拋出，小球作加速度拋出，小球作加速度a= g的上拋運動，它能上升的上拋運動，它能上升的最大高度的最大高度h= V02/2g 。 在地面處，其機械能表現在地面處，其機械能表現為動能為動能E1 = mV02/2，在最高處，其機械能表現為勢，在最高處，其機械能表現為勢能能 E2 = mgh（以地面處為勢能零點），將（以地面處為勢能零點），將h= V02/2g 代人，代人， E2 = mgh=mg V02/2g = mV02/2，即，即 E1 = E2上式表明了機械能守恒定律，可表述為：如果一上式表明了機械能守恒定律，可表述為：如果一個系統(tǒng)在外力不做功的情況下，

42、加上其內部又沒個系統(tǒng)在外力不做功的情況下，加上其內部又沒有像摩擦力這類會消耗能量的力做功，或出現像有像摩擦力這類會消耗能量的力做功，或出現像燃燒之類從化學能轉化過來的能量的話，則系統(tǒng)燃燒之類從化學能轉化過來的能量的話，則系統(tǒng)的機械能守恒。的機械能守恒。 注意：上述機械能守恒定律對于火箭加噴出注意：上述機械能守恒定律對于火箭加噴出氣體所組成的系統(tǒng)并不成立，必須加上從燃燒中氣體所組成的系統(tǒng)并不成立，必須加上從燃燒中轉化過來的化學能，才滿足更廣意義下的能量守轉化過來的化學能，才滿足更廣意義下的能量守恒定律。恒定律。 另外，航天器離地面很遠后，它與地球組成一另外，航天器離地面很遠后，它與地球組成一個系

43、統(tǒng)，其勢能個系統(tǒng)，其勢能Ep應該用公式應該用公式 來計算，其中來計算，其中Me是地球質量，是地球質量，r是航天器是航天器m離地心離地心的距離。在（的距離。在（225）式中，我們是選取了無窮）式中，我們是選取了無窮遠（遠（r）點作勢能計算的零點。當）點作勢能計算的零點。當r =Re十十h，而，而離地面高度離地面高度hRe（地球半徑）時，因（地球半徑）時，因代人（代人（225）式得）式得 其中其中 以以 Me= 5 9741024千克、千克、 R0= 6.378 106米代米代入，可得入，可得 g = 9.8米秒，這正是地球表面處的重米秒，這正是地球表面處的重力加速度。（力加速度。（ 2 26a）

44、式中第二項正是我們熟）式中第二項正是我們熟悉的地面附近重力場中的勢能；第一項是常數，悉的地面附近重力場中的勢能；第一項是常數，可以棄去不管，這是因為勢能是一個相對的概念，可以棄去不管，這是因為勢能是一個相對的概念，有意義的是勢能之差。于是在地球表面附近的勢有意義的是勢能之差。于是在地球表面附近的勢能近似為能近似為 Ep mgh （2 26b） 在上式中，勢能零點是取在地球表面。在上式中，勢能零點是取在地球表面。 記航天器在燃料燒完后的速度為記航天器在燃料燒完后的速度為V，動能為，動能為 這時它離地面的高度仍遠小于地球半徑這時它離地面的高度仍遠小于地球半徑Re，所以，所以它的勢能（它的勢能（22

45、5）式中的）式中的 r 可近似地取為可近似地取為Re。在航天器飛離地球即在航天器飛離地球即 r 增大的過程中，機械能守恒增大的過程中，機械能守恒定律表示為定律表示為 右端表示：隨著右端表示：隨著 r Re，勢能增大，動能便減小，勢能增大，動能便減小，即航天器速度即航天器速度 v（r）作為）作為 r 的函數會不斷減小。的函數會不斷減小。下面將根據不同要求來討論對下面將根據不同要求來討論對V的要求，即三個宇的要求，即三個宇宙速度。宙速度。 三、三個宇宙速度三、三個宇宙速度 1第一宇宙速度第一宇宙速度 在地面上發(fā)射一航天器，使之能沿繞地球的圓在地面上發(fā)射一航天器，使之能沿繞地球的圓軌道運行所需的最小

46、發(fā)射速度，稱為第一宇宙速軌道運行所需的最小發(fā)射速度，稱為第一宇宙速度。度。 當質量當質量m的航天器在距地球球心為的航天器在距地球球心為r的圓軌道上的圓軌道上以速度以速度v運行時，其圓周運動的向心力就是地球對運行時，其圓周運動的向心力就是地球對它的萬有引力。由（它的萬有引力。由（2l6）式，得）式，得 由上式可得由上式可得 （229）因此，航天器的動能因此，航天器的動能Ek=mv2/2=Gmem/2r，航天器航天器和地球系統(tǒng)的勢和地球系統(tǒng)的勢 能能E p= - Gmem/r 則其機械能為則其機械能為由機械能守恒（由機械能守恒（228）式，可得發(fā)射時的動能）式，可得發(fā)射時的動能為為 （2.2-10

47、） 可見航天器要升得越高，即可見航天器要升得越高，即 r 越大，所需初始越大，所需初始動能也越大。動能也越大。 與發(fā)射時最小能量對應的是在地球表面附近與發(fā)射時最小能量對應的是在地球表面附近（大氣層外）的軌道，其半徑（大氣層外）的軌道，其半徑 r近似等于地球半徑近似等于地球半徑Re，故由（，故由（2210）式直接得到第一宇宙速度）式直接得到第一宇宙速度V；為為2第二宇宙速度第二宇宙速度 在地面上發(fā)射一航天器，使之能脫離地球的引在地面上發(fā)射一航天器，使之能脫離地球的引力場所需的最小發(fā)射速度，稱為第二宇宙速度。力場所需的最小發(fā)射速度，稱為第二宇宙速度。 一個航天器在它的燃料燒完后逃離地球的過程一個航

48、天器在它的燃料燒完后逃離地球的過程中，該系統(tǒng)符合機械能守恒的條件。由此即可求中，該系統(tǒng)符合機械能守恒的條件。由此即可求得第二宇宙速度得第二宇宙速度V2。設航天器在燃料燒完后的動。設航天器在燃料燒完后的動能能Ek = mV22/2。然后繼續(xù)飛行，直到脫離地球引力。然后繼續(xù)飛行，直到脫離地球引力場，此時勢能場，此時勢能Ep = 0。再設動能。再設動能Ek =0（對應最?。▽钚〉陌l(fā)射速度），故的發(fā)射速度），故（千米秒）（千米秒） （ 2.211）由（由（228）式，有）式，有所以第二宇宙速度為所以第二宇宙速度為 （2.212） 人類要登上月球，或要飛向其他行星，首先必人類要登上月球，或要飛向其他

49、行星，首先必須要脫離地球的引力場，因此，所乘坐航天器的須要脫離地球的引力場，因此，所乘坐航天器的發(fā)射速度必須大于第二宇宙速度。發(fā)射速度必須大于第二宇宙速度。 3第三宇宙速度第三宇宙速度 在地球表面發(fā)射一航天器，使之不但要脫離地在地球表面發(fā)射一航天器，使之不但要脫離地球的引力場，還要脫離太陽的引力場所需的最小球的引力場，還要脫離太陽的引力場所需的最小發(fā)射速度，稱為第三宇宙速度。發(fā)射速度，稱為第三宇宙速度。 太陽引力場比地球引力場強得多，因此一個脫太陽引力場比地球引力場強得多，因此一個脫離了地球引力場的航天器，還應有足夠大的相對離了地球引力場的航天器，還應有足夠大的相對太陽的速度，才能逃離太陽引力

50、場。為此，我們太陽的速度，才能逃離太陽引力場。為此，我們先計算一個已遠離地球但仍在地球公轉軌道附近先計算一個已遠離地球但仍在地球公轉軌道附近運行的航天器（離太陽距離近似為地球公轉軌道運行的航天器（離太陽距離近似為地球公轉軌道半徑半徑Rse= 1496 1011米）所需的最小逃離速度米）所需的最小逃離速度V0。這與剛才計算的第二宇宙速度完全類似，只需在這與剛才計算的第二宇宙速度完全類似，只需在（2.212）式中以太陽質量）式中以太陽質量Ms=1989 1030干干克代替克代替Me，以，以Rse代替代替Re，即得，即得 （2.213） 其次，航天器在地球上發(fā)射時，應充分利用地其次，航天器在地球上發(fā)

51、射時，應充分利用地球繞太陽公轉的軌道速度球繞太陽公轉的軌道速度Ve。計算。計算Ve也很簡單，也很簡單，類似于衛(wèi)星繞地球運轉速度的計算，只需在公式類似于衛(wèi)星繞地球運轉速度的計算，只需在公式（2211）中將）中將M e改為改為M s，Re改為改為Rse即可，即可，于是得到于是得到 （2.214）如果航天器沿著地球軌道速度如果航天器沿著地球軌道速度Ve的方向發(fā)射，則的方向發(fā)射，則只要燃料燒完后獲得的速度只要燃料燒完后獲得的速度V3足夠大，使它在脫足夠大，使它在脫離地球引力場時，相對地球還余下速度離地球引力場時，相對地球還余下速度V0，且此，且此V0與與Ve之和即為逃離太陽系所需的速度之和即為逃離太陽

52、系所需的速度V0。于是。于是有有 V0= V0 Ve= 12.4（干米秒）（干米秒） 最后，最后，V3的計算則完全是一個在地球引力場中的計算則完全是一個在地球引力場中機械能守恒的問題了，可以直接用（機械能守恒的問題了，可以直接用（228）式，）式，把左端把左端V改成改成V3，右端，右端 r，v（r）改成）改成V0 ，即，即得得 （2.215）上式計算中已用了（上式計算中已用了（2. 212）式。）式。V3就是第三宇就是第三宇宙速度。地球上一個速度超過宙速度。地球上一個速度超過V3的航天器能夠先的航天器能夠先擺脫地球引力場、再擺脫太陽引力場的束縛，飛擺脫地球引力場、再擺脫太陽引力場的束縛，飛入茫

53、茫的宇宙。入茫茫的宇宙。 四、多級火箭四、多級火箭 由以上討論可知，要把航天器發(fā)射上天，則由以上討論可知，要把航天器發(fā)射上天，則火箭獲得的速度至少要大于第一宇宙速度、若要火箭獲得的速度至少要大于第一宇宙速度、若要使航天器離開地球到達其他行星或脫離太陽系到使航天器離開地球到達其他行星或脫離太陽系到其他星系，則火箭獲得的速度應分別大于第二宇其他星系，則火箭獲得的速度應分別大于第二宇宙速度和第三宇宙速度。那么，單級火箭能否達宙速度和第三宇宙速度。那么，單級火箭能否達到這些速度呢？到這些速度呢？ 由（由（223）式知，要使火箭獲得盡可能大的）式知，要使火箭獲得盡可能大的速度速度Vf ，就必須盡可能大地

54、增大質量比，就必須盡可能大地增大質量比MiMf 的的值和燃料氣體的噴射速度值和燃料氣體的噴射速度u。但由于火箭上需裝備。但由于火箭上需裝備眾多儀器設備，裝燃料的容器也必須足夠堅固，眾多儀器設備，裝燃料的容器也必須足夠堅固，以承受燃料燃燒時所產生的高壓，所以以承受燃料燃燒時所產生的高壓，所以M f不可能不可能太小，質量比通常在太小，質量比通常在1020之間，而燃料氣體的之間，而燃料氣體的噴射速度噴射速度u 也受到諸多因素的限制。一種液也受到諸多因素的限制。一種液 態(tài)的態(tài)的常規(guī)燃料是偏二甲肼加四氧化二氮，燃燒后氣體常規(guī)燃料是偏二甲肼加四氧化二氮，燃燒后氣體的的速度速度u接近接近2千米秒。若以非常規(guī)

55、燃料（如液氫千米秒。若以非常規(guī)燃料（如液氫加液氧）做推進劑，其噴射速度加液氧）做推進劑，其噴射速度u 可達可達4千米秒千米秒以上。為估計單級火箭所能達到的末速度，不妨以上。為估計單級火箭所能達到的末速度，不妨設質量比設質量比15，u 4千米秒，則由（千米秒，則由（2.23）式，）式， （干米秒）（干米秒）由于此式導出時未計入地球引力和空氣摩擦阻力由于此式導出時未計入地球引力和空氣摩擦阻力產生的影響，加上各種技術原因，單級火箭的末產生的影響，加上各種技術原因，單級火箭的末速度速度V f 將小于第一宇宙速度將小于第一宇宙速度V1 =7.9干米秒；這干米秒；這就是說，單級火箭并不能把航天器送上天。就

56、是說，單級火箭并不能把航天器送上天。 運載火箭通常為多級火箭，多級火箭是用多個運載火箭通常為多級火箭，多級火箭是用多個單級火箭經串聯、并聯或串并聯（即捆綁式）組單級火箭經串聯、并聯或串并聯（即捆綁式）組合而成的一個飛行整體。圖合而成的一個飛行整體。圖223為串聯式二級為串聯式二級火箭的示意圖，其工作過程為：當第一級火箭點火箭的示意圖，其工作過程為：當第一級火箭點火發(fā)動后，整個火箭起飛，等到該級燃料燃燒完火發(fā)動后，整個火箭起飛，等到該級燃料燃燒完后，便自動脫落，以便增大以后火箭的質量比。后，便自動脫落，以便增大以后火箭的質量比。這時第二級火箭自動點火繼續(xù)加速，直至其燃料這時第二級火箭自動點火繼續(xù)

57、加速，直至其燃料也消耗完后同樣自行脫落。這樣一級一級地相繼也消耗完后同樣自行脫落。這樣一級一級地相繼點火加速直至最后達到所需的速度。對于三級火點火加速直至最后達到所需的速度。對于三級火箭，設各級火箭工作時，其噴氣速度分別為箭，設各級火箭工作時，其噴氣速度分別為u 1 ,u 2 , u 3 ，其質量比分別為，其質量比分別為N 1 , N2 , N 3，則三級火箭，則三級火箭最后獲得的速度為最后獲得的速度為 以美國發(fā)射以美國發(fā)射“阿波羅阿波羅”登月飛船的運載火箭登月飛船的運載火箭“土星五號土星五號”為例，其三級火箭的總質量為為例，其三級火箭的總質量為2800噸左右，高約噸左右，高約85米，第一級噴

58、氣速度度為米，第一級噴氣速度度為u1 =2.9千千米米秒，質量比秒，質量比N1 =16，第二、第三級的噴氣速度，第二、第三級的噴氣速度u2 , u3 均為均為4干米秒，質量比分別為干米秒，質量比分別為N 2 =14， N 3=12代入（代入（2216）式，得到）式，得到 Vf =2.9Ln16十十 4（Ln14 Ln12）= 28.5 （千米秒）（千米秒） 實際上，火箭可達到的最終速度要比此值小，實際上，火箭可達到的最終速度要比此值小，但已大于第二宇宙速度，足夠完成登月任務了。但已大于第二宇宙速度，足夠完成登月任務了。 23 衛(wèi)星運動與角動量守恒衛(wèi)星運動與角動量守恒 1957年年10月月4日，

59、前蘇聯在哈薩克共和國中部日，前蘇聯在哈薩克共和國中部的拜科努爾航天中心成功地發(fā)射了世界上第一的拜科努爾航天中心成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星顆人造地球衛(wèi)星人造衛(wèi)星人造衛(wèi)星1號。這顆衛(wèi)星雖號。這顆衛(wèi)星雖然很小，直徑只有然很小，直徑只有58厘米，重僅厘米，重僅836千克，內千克，內部結構也很簡單，只裝有一臺雙頻率的小型發(fā)部結構也很簡單，只裝有一臺雙頻率的小型發(fā)報機、溫度計以及電池等，但它卻具有重大的報機、溫度計以及電池等，但它卻具有重大的歷史意義，表明人類有能力把重物推上天空，歷史意義，表明人類有能力把重物推上天空，使它繞地球旋轉，宣告了航天時代的到來。使它繞地球旋轉，宣告了航天時代的到來。

60、1958年年1月月31日，美國也把它的第一顆人造衛(wèi)星日，美國也把它的第一顆人造衛(wèi)星探險者探險者1號送入軌道，盡管這顆衛(wèi)星更輕，僅重號送入軌道，盡管這顆衛(wèi)星更輕，僅重822千克，但它首次發(fā)現了地球周圍空間存在著千克，但它首次發(fā)現了地球周圍空間存在著大量被地球磁場俘獲的帶電粒子區(qū)域大量被地球磁場俘獲的帶電粒子區(qū)域地球輻地球輻射帶。這是航天技術最初取得的重大科學成果。射帶。這是航天技術最初取得的重大科學成果。 1970年年4月月24日，我國也成功地發(fā)射了第一顆人日，我國也成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星造地球衛(wèi)星“東方紅一號東方紅一號”，成為繼前蘇聯、，成為繼前蘇聯、美、法、日之后第五個發(fā)射衛(wèi)星的國家