Question

設想有一天，中國宇航員（江高畢業生）完成了對火星表面的科學考察任務，乘坐返回艙返回圍繞火星做周周運動的軌道艙，如圖所示．為了安全，返回艙與軌道艙對接時，必須具有相同的速度．求該宇航員乘坐的返回艙從火星表面返回與軌道艙安全對接，在火星表面時至少要具有多少能量？已知返回過程中需要克服火星引力做功 W=mgR（1-

R

r

），m為返回艙與人的總質量，g為火星表面重力加速度，R為火星半徑，r為軌道艙繞火星做周周運動的軌道半徑．不計火星大氣對返回艙的阻力和火星自轉的影響．

Answer 1

分析：根據火星表面的重力等于萬有引力列出等式．
研究軌道艙繞衛星做勻速圓周運動，根據萬有引力提供向心力，列出等式求解宇航員乘坐返回艙與軌道艙對接時速度．
根據能量守恒求解返回軌道艙至少需要獲得的能量．

解答：解：返回艙與人在火星表面附近有：G

Mm

R2

=mg
設軌道艙的質量為m₀，速度大小為v，則：
G

Mm0

R2

=m₀

v2

r

解得宇航員乘坐返回艙與軌道艙對接時，具有的動能為
E_k=

1

2

mv²=

mgR2

2r

因為返回艙返回過程克服引力做功W=mgR（1-

R

r

）
所以返回艙返回時至少需要能量E=Ek+W=mgR（1-

R

2r

）
答：該宇航員乘坐的返回艙至少需要獲得能量為mgR（1-

R

2r

）．

點評：向心力的公式選取要根據題目提供的已知物理量或所求解的物理量選取應用．
忽略星球自轉的影響，能根據萬有引力等于重力列出等式．