地球同步卫星的模拟试验

地球同步卫星的模拟实验

河北省安国市闫村小学王超

义务教育课程实验教科书《科学》（河北人民出版社）六年级下册《宇宙与航天技术》单元第15课《人造地球卫星》有一个拓展活动：有一种卫星叫地球的同步卫星。我们从地球上看，它好像静止在空中不动。这种卫星真的是静止在空中不动吗？试用以前学过的相对运动原理，设计一个模拟实验解释自己的结论。

我们知道：地球同步卫星即地球同步轨道卫星，又称对地静止卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，星距离地球的高度约为36000 km，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒，卫星在轨道上的绕行速度约为3．1公里/秒，其运行角速度等于地球自转的角速度。由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，因此，人们从地球上仰望卫星，仿佛悬挂在太空静止不动。

我们应该用什么模拟卫星，用什么模拟地球，怎样做这个实验呢？很多的实验设计是这样的：用乒乓球模拟卫星，用地球仪模拟地球。用竹签一端插在乒乓球上，另一端插在地球仪上，以逆时针方向旋转地球仪。观察现象得出结论“地球同步卫星围绕地球做同步圆周运动”。

笔者认为这样的实验设计有待改进：既然是一个模拟实验，就应该模拟出是在地球上观察同步卫星，就应该体现出相对的静止和运动。而这个实验设计，观察者（学生）处于旁观的位置，不能很好的模拟在地球上看同步卫星的状态，也就不容易解释同步卫星看上去是静止的原因。

鉴于此，笔者重新设计了这个实验：用观察者（学生）自己的拳头来模拟卫星，用观察者（学生）自己的身体来模拟地球。实验者右手（左手也可以）前平举，握紧拳头，看到“卫星”在自己的正前方。保持这一姿势，原地逆时针旋转（模拟地球自转）。观察者会发现“卫星”始终在自己正前方的位置，同时也知道“卫星”在围绕“地球”做圆周运动（运动方向和旋转一周的时间与地球自转相同）。这样，观察者就会很容易利用相对运动的原理来解释同步卫星看上去是静止的原因了。