人造衛(wèi)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(jié)中有關(guān)衛(wèi)星的“發(fā)射速度、宇宙速度、環(huán)繞速度”概念的理解給學(xué)生學(xué)習(xí)造成了一定困難，還有不少學(xué)生不能很好地理解三個(gè)宇宙速度的含義。通過(guò)第一宇宙速度的推導(dǎo)，三個(gè)宇宙速度的比較，環(huán)繞速度的分析，能有效、深層次地理解人造衛(wèi)星的三種速度。

【關(guān)鍵詞】三種速度 發(fā)射速度 宇宙速度 環(huán)繞速度

【中圖分類號(hào)】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）21-0145-01

在人教版高中物理必修二“宇宙航行”一節(jié)的學(xué)習(xí)中，不少同學(xué)對(duì)“發(fā)射速度、宇宙速度、環(huán)繞速度”混淆不清，特別是對(duì)第一宇宙速度v1=7.9km/s，既是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度又是人造衛(wèi)星近地繞行的最大環(huán)繞速度更是困惑不已。現(xiàn)將三種速度辨析如下：

一 發(fā)射速度

地球?qū)λ車奈矬w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(huì)飛的越遠(yuǎn)。牛頓曾設(shè)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(diǎn)也就一次比一次離山腳遠(yuǎn)。如果沒(méi)有空氣阻力，當(dāng)速度足夠大時(shí)，物體就永遠(yuǎn)不會(huì)落到地面上來(lái)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星。在牛頓所處的那個(gè)時(shí)代，科技還不發(fā)達(dá)，無(wú)法使物體獲得足夠大的初速度，也無(wú)法使物體離開(kāi)大氣層而不受空氣阻力的作用。隨著科技的發(fā)展，人們制造了火箭，牛頓的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，火箭的作用就是使物體獲得足夠大的初速度，即發(fā)射速度。

火箭載著衛(wèi)星向高空前進(jìn)的過(guò)程中做加速運(yùn)動(dòng)，速度逐漸增大，但同時(shí)要克服地球?qū)λ囊ψ龉?，這就消耗了火箭的能量?？梢?jiàn)，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星要比低軌道大聲衛(wèi)星更困難。當(dāng)然，物體獲得的初速度也將更大，所以靠近地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星所需的初速度最小，即發(fā)射速度最小。

二 宇宙速度

以上計(jì)算出的速度就是人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的最小發(fā)射速度，又稱“第一宇宙速度”。

如果火箭的能量再大些，衛(wèi)星獲得的初速度就大些，當(dāng)初速度，即發(fā)射速度達(dá)到或大于v2=11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離地球的引力，不再繞地球運(yùn)動(dòng)，而繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。我們把這個(gè)初速度稱為“第二宇宙速度”，發(fā)射速度大于7.9km/s而小于11.2km/s時(shí)，衛(wèi)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(wèi)星獲得的速度達(dá)到或大于v3=16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星就會(huì)脫離太陽(yáng)的引力，不再繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，而是飛向銀河系。我們把這個(gè)發(fā)射速度稱為“第三宇宙速度”，發(fā)射速度大于11.2km/s而小于16.7km/s時(shí)，衛(wèi)星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，但軌道不是圓形，而是橢圓。

三 環(huán)繞速度

綜上所述，發(fā)射速度與宇宙速度實(shí)際上是同一個(gè)概念，描述的是衛(wèi)星進(jìn)入軌道時(shí)的速度，其大小由火箭的能量，即運(yùn)載能力決定，而環(huán)繞速度是指衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的線速度，其大小由衛(wèi)星到地球的距離，即軌道半徑?jīng)Q定。

〔責(zé)任編輯：高照〕