人造衛星的三種速度辨析

【摘 要】人教版高中物理必修二“宇宙航行”一節中有關衛星的“發射速度、宇宙速度、環繞速度”概念的理解給學生學習造成了一定困難，還有不少學生不能很好地理解三個宇宙速度的含義。通過第一宇宙速度的推導，三個宇宙速度的比較，環繞速度的分析，能有效、深層次地理解人造衛星的三種速度。

【關鍵詞】三種速度 發射速度 宇宙速度 環繞速度

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）21-0145-01

在人教版高中物理必修二“宇宙航行”一節的學習中，不少同學對“發射速度、宇宙速度、環繞速度”混淆不清，特別是對第一宇宙速度v1=7.9km/s，既是人造衛星的最小發射速度又是人造衛星近地繞行的最大環繞速度更是困惑不已。現將三種速度辨析如下：

一 發射速度

地球對它周圍的物體有引力作用，因而拋出的物體落回地面。但是，拋出的初速度越大，物體就會飛的越遠。牛頓曾設想，從高山用不同的水平速度拋出物體，速度一次比一次大，落地點也就一次比一次離山腳遠。如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就永遠不會落到地面上來，它將圍繞地球旋轉，成為一顆繞地球運動的人造衛星。在牛頓所處的那個時代，科技還不發達，無法使物體獲得足夠大的初速度，也無法使物體離開大氣層而不受空氣阻力的作用。隨著科技的發展，人們制造了火箭，牛頓的設想得以實現，火箭的作用就是使物體獲得足夠大的初速度，即發射速度。

火箭載著衛星向高空前進的過程中做加速運動，速度逐漸增大，但同時要克服地球對它的引力做功，這就消耗了火箭的能量。可見，向高軌道發射衛星要比低軌道大聲衛星更困難。當然，物體獲得的初速度也將更大，所以靠近地球運行的人造衛星所需的初速度最小，即發射速度最小。

二 宇宙速度

以上計算出的速度就是人造衛星繞地球做勻速圓周運動所必須具有的最小發射速度，又稱“第一宇宙速度”。

如果火箭的能量再大些，衛星獲得的初速度就大些，當初速度，即發射速度達到或大于v2=11.2km/s時，衛星就會脫離地球的引力，不再繞地球運動，而繞太陽運動。我們把這個初速度稱為“第二宇宙速度”，發射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s時，衛星繞地球的軌道不是圓形，而是橢圓。

如果火箭的能量更大些，使衛星獲得的速度達到或大于v3=16.7km/s時，衛星就會脫離太陽的引力，不再繞太陽運動，而是飛向銀河系。我們把這個發射速度稱為“第三宇宙速度”，發射速度大于11.2km/s而小于16.7km/s時，衛星繞太陽運動，但軌道不是圓形，而是橢圓。

三 環繞速度

綜上所述，發射速度與宇宙速度實際上是同一個概念，描述的是衛星進入軌道時的速度，其大小由火箭的能量，即運載能力決定，而環繞速度是指衛星繞地球做勻速圓周運動時的線速度，其大小由衛星到地球的距離，即軌道半徑決定。

〔責任編輯：高照〕