推动地球离开太阳系?带你探索宇宙速度！
在电影《流浪地球》中
涉及到的高考物理高频考点数次出现
近期《高考360》栏目
将着重为大家介绍
影片中具体都有哪些相关知识
今天我们就跟着
成都石室中学北湖校区物理年级组长杨正宇
一起来了解了解吧
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（图片来自石家庄大桥教育）
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在电影《流浪地球》里面有这样一个情节，就是人类通过在各个地方安装大型的核聚变发动机，推动地球离开太阳系，那么地球需要多大的速度才可以离开太阳系？
这一个知识点就涉及到高中物理教科版必修二“天体运动”这一节有关宇宙速度的推导。这个速度在物理上有一个名称叫第三宇宙速度，讲第三宇宙速度，我们自然就会提到第一宇宙速度和第二宇宙速度。
Tips
第一宇宙速度是指人类人造的卫星发射的最小速度。
牛顿曾经做过这样一个思想实验，假设在一个高山上面，我们水平抛出一个小球，如果我们抛出去的速度越大，那么小球将会飞得越远。如果速度越来越大，小球将会飞得越来越远。如果速度达到一定的程度，小球将永远不会掉到地面上，就成为我们的人造卫星，这个速度我们就把它叫做第一宇宙速度。
Tips
第二宇宙速度是指要把卫星发射到能挣脱地球的引力的速度，低于这个速度就不足以挣脱地球引力。
那么要达到第二宇宙速度，我们就需要进一步的提高这个速度。第二宇宙速度应该怎么推导？我们可以根据能量守恒定律，假设把这个球扔到无穷远处所需要的最小初动能所对应的那个初速度，那我们就把它叫做第二宇宙的速度，可以根据能量守恒的式子进行推导。这个速度推导出来是第一宇宙速度的√2倍。
Tips
第三宇宙速度就是代表要脱离太阳的引力。
想要脱离太阳引力，就需要根据能量守恒的观点来进行推导。如果在地球表面发射卫星，或者飞船要脱离太阳系，飞船需要克服地球引力做功，也需要客服太阳引力做功，这就需要两部分能量。第一部分能量通过推导已经得到了，接下来还需要推导要挣脱太阳引力的最小速度，同样还是需要根据能量守恒的观点来进行。
相当于在地球轨道的位置，把一个卫星或者一个天体，把它发射到无穷远处，根据能量守恒，可以算出这样一个速度，这个速度算出来应该是16.7公里/秒，算出来16.7公里/秒。
当然我们在发射这个卫星或者发射这个飞船的时候，可以充分利用地球公转的线速度，地球公转的线速度可以达到29.8公里/秒，而要挣脱太阳的引力所需要的速度最小是42.1，这两个速度一减，我们可以得到这样一个速度，就是12.3公里/秒。
也就是说我们只要额外让我们的飞船在地球轨道上的飞船获得12.3公里/秒的速度，那么这个飞船将会飞出太阳系。而我们在《流浪地球》里面，我们是要把地球发射出去。地球已经有了29.8公里/秒的这样一个速度，所以我们只需要通过发动机让地球获得12.3公里/秒的速度就可以了。
这是推导的过程，当然这个16.7公里/秒是指发射地球表面的物体挣脱太阳系所需要的速度。那么在电影里面，我们只需要让地球额外获得12.3公里/秒的速度就够了。
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相信看过影片的同学都知道，虽然在影片中，地球人安装了很多大型的核聚变发动机，但仍然不足以提供能够推动地球运动的速度。所以出现了电影里的第二个情节，即地球通过木星旁边时，导致了一个危险的情况，地球差点就被木星俘获。看到这里，同学们可能就会提出这样一个问题，为什么要从木星旁边经过？能不能远离木星？这里就要引入一个物理概念——“引力弹弓”效应。
地球在与木星引力的相互作用的过程，就有点类似于我们日常生活当中的弹性碰撞。弹性碰撞是满足我们的动量守恒定律和能量守恒定律的。
弹性碰撞，我们同学只要学到动量的知识点以后，你就会知道，有一个近似的结论就是接近速度等于分离速度。所谓的接近速度和分离速度都是指以某一个小球，或者就以木星为参考系，它的相对速度，不管是地球靠近木星的相对速度，还是地球远离木星的相对速度，这两个速度的大小是不变的。
我们利用这样一个结论。举一个很简单的例子，比如说假设这个就是木星，然后这个是地球。刚开始地球是以V0的速度，飞向木星，然后木星是以U0的速度朝这边运动，那么刚开始我们的相对速度就应该是U0加U0，当绕行半圈，这个地球的速度和木星的运动方向相同的时候，由于要保证相对速度大体相等，这个时候这个V大小应该等于多少？很显然，那么V=2（V0+U0）。非常明显，相对于原来这个V0它的速度就增加了。
这就是为什么我们在电影里面，地球非要从木星旁边经过，它的原理就在这个地方，就是要通过木星获取能量，从而达到可以挣脱太阳引力的这样一个效果，从而飞出太阳系，达到最终的目的地。
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杨老师告诉我们，通过弹弓效应可以实现对地球的加速，让地球获得额外的能量。此外，《流浪地球》里涉及到的物理知识点还有很多，比如说牛顿第二定律、动量守恒里面的反冲模型、大功率的核聚变发动机等。
比如说大功率的核聚变发动机，推动地球获得速度。如果让考生去计算，该怎么算。当然非常明显，用到的知识就是高中的热点问题：牛顿第二定律，比如说给你地球的质量，把核聚变发动机的功率给你，又可以涉及到功率这一块的知识点，叫你去计算它最终要经过多长时间才可以获得相应的速度。这个可以和我们的高中物理发生综合。
出题的话，就可以以这个电影里面的情节为背景，出一些实际问题。那么我们同学要注意的就是要把实际问题抽象成我们熟悉的理想和模型，这样子进行运算就可以了。影片中，为了移动地球，地球人建造了万台超级聚变发动机。这些发动机喷射火焰产生推力，推动地球。这正是我们课本中涉及到的动量守恒定律中的应用，即反冲运动。
比如说我们的太空空间站，在最后的情节里面，有一个去点燃木星的那个氢气这样一个过程，它有一个喷气，这就涉及到了动量守恒里面的反冲模型，可以叫你去计算这个喷的速度要有多少，才可以在规定的时间内让地球脱离危险，让太空站去引爆这个木星，从而推动地球离开木星。这个也是一个考法。又比如说又涉及到的这个大功率的核聚变的这样一个发动机，考核聚变的反应方程式。那么质量数守恒，电荷数守恒，你要认识那个方程要会进行选择，比如出选择题，在高考当中，这是最常见的考法。
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接下来，
小编继续为大家梳理
电影《流浪地球》中涉及到的物理考点
供考生朋友参考
电影《流浪地球》高考物理考点梳理
01
牛顿第二定律 F合 =ma
02
卫星的发射与变轨
03
动量守恒中的反冲模型
04
核反应中的核聚变
05
光年和比邻星
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👇👇👇来源：《高考360》栏目组 编辑：党露敏（见习）
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