（1）牛頓對人造衛星原理的描繪

設想在高山上有一門大炮，水平發射炮彈，初速度越大，水平射程就越大。

可以想象當初速度足夠大時，這顆炮彈将不會落到地面，将和月球一樣成為地球的一顆衛星。

（2）人造衛星繞地球運行的動力學原因

人造衛星在繞地球運行時，隻受到地球對它的萬有引力作用，人造衛星作圓周運動的向心力由萬有引力提供。

（3）人造衛星的運行速度

設地球質量為M，衛星質量為m，軌道半徑為r，由于萬有引力提供向心力，則

∴

，

可見：高軌道上運行的衛星，線速度小。

角速度和周期與軌道半徑的關系

可見：高軌道上運行的衛星，角速度小，周期長。

宇宙速度

第一宇宙速度

問題：

牛頓實驗中，炮彈至少要以多大的速度發射，才能在地面附近繞地球做勻速圓周運動？地球半徑為6370km。

分析：

在地面附近繞地球運行，軌道半徑即為地球半徑。由萬有引力提供向心力：

結論：

如果發射速度小于7.9km/s，炮彈将落到地面，而不能成為一顆衛星；

發射速度等于7.9km/s，它将在地面附近作勻速圓周運動；

要發射一顆半徑大于地球半徑的人造衛星，發射速度必須大于7.9km/s。可見，向高軌道發射衛星比向低軌道發射衛星要困難。

意義：

第一宇宙速度是人造衛星在地面附近環繞地球作勻速圓周運動所必須具有的速度，所以也稱為環繞速度。

第二宇宙速度

大小

V2=11.2 km/s

意義：

使衛星掙脫地球的束縛，成為繞太陽運行的人造行星的最小發射速度，也稱為脫離速度。

注意：

發射速度大于7.9km/s，而小于11.2km/s，衛星繞地球運動的軌迹為橢圓；

等于或大于11.2km/s時，衛星就會脫離地球的引力，不再繞地球運行。

第三宇宙速度

大小：

V3=16.7km/s

意義：

使衛星掙脫太陽引力束縛的最小發射速度，也稱為逃逸速度。

注意：

發射速度大于11.2km/s，而小于16.7km/s，衛星繞太陽作橢圓運動，成為一顆人造行星。

如果發射速度大于等于16.7km/s，衛星将掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系以外的空間。

人造衛星的發射速度與運行速度

發射速度

發射速度是指衛星在地面附近離開發射裝置的初速度，一旦發射後再無能量補充，要發射一顆人造地球衛星，發射速度不能小于第一宇宙速度。

運行速度

運行速度指衛星在進入運行軌道後繞地球做圓周運動的線速度。

當衛星“貼着”地面飛行時，運行速度等于第一宇宙速度，當衛星的軌道半徑大于地球半徑時，運行速度小于第一宇宙速度。

同步衛星

所謂同步衛星，是相對于地面靜止的，和地球具有相同周期的衛星，T=24h，同步衛星必須位于赤道上方距地面高h處，并且h是一定的。

同步衛星也叫通訊衛星。

（T為地球自轉周期，M、R分别為地球的質量，半徑）。

代入數值得h=3.6*107m

總結

地球的衛星（太陽系的行星）的軌道半徑與線速度、角速度、周期、加速度的關系

地球對衛星的萬有引力提供向心力

線速度：

軌道半徑越大，線速度（運行速度）越小。

注意：

發射衛星的時候，發射到軌道半徑越大的地方，需要的發射速度越大。

軌道半徑越大，角速度、加速度越小，周期越大。

注意：

地球衛星的線速度、角速度、周期、加速度與衛星的質量無關。

太空旅行的超重與失重

發射階段

發射階段處于向上加速的過程，處于超重狀态。

返回過程

返回過程在地面附近處于向下減速的過程，處于超重狀态。

在運行軌道上繞地球做勻速圓周運動的過程

地球對物體（宇航員）的引力（重力）提供了圓周運動的向心力，處于完全失重的狀态。

一切與重力有關的現象會消失，與利用重力有關的儀器不能使用。

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