Физика · 9 класс2 четвертьТема 2Лабораторная работаГОСО РК 2026Средний

Закон всемирного тяготения. Движение спутников и первая космическая скорость

Гравитационное взаимодействие. Закон всемирного тяготения Ньютона. Гравитационная постоянная G. Ускорение свободного падения на высоте h. Первая и вторая космические скорости.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы4 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ2 четвертьдескрипторы ГОСО

В 1687 году Исаак Ньютон открыл фундаментальный закон всемирного тяготения: любые два материальных тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

F=G⋅(m1⋅m2)/r2F = G \cdot (m_1 \cdot m_2) / r^2.

Закон строго применим для материальных точек, а также для однородных сферических тел (планет и звезд), где r — расстояние между их геометрическими центрами.

Гравитационная постоянная (G) — фундаментальная константа Вселенной, численно равная силе гравитационного притяжения двух тел массой по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 метр друг от друга:

G = 6.674 · 10⁻¹¹ Н · м² / кг².

Впервые численное значение G измерил Генри Кавендиш в 1798 году с помощью сверхчувствительных крутильных весов («взвесил Землю»).

Закон всемирного тяготенияОбратно квадратичный закон
F = G · (m₁ · m₂) / r²; G = 6.674 · 10⁻¹¹ Н·м²/кг²
где F — гравитационная сила (Н), m₁, m₂ — массы взаимодействующих тел (кг), r — расстояние между их центрами (м).
Обратно квадратичный закон
Гравитационная сила является дальнодействующей, но быстро убывает: при увеличении расстояния в 4 раза сила падает в 16 раз!

Сила тяжести на поверхности Земли радиусом RЗ и массой MЗ является частным случаем гравитационной силы:

Fтяж = G · (MЗ · m) / RЗ2 = m · g₀.

Отсюда ускорение свободного падения на поверхности Земли равно:

g₀ = G · MЗ / RЗ2 ≈ 9.81 м/с².

При подъеме космического корабля на высоту h над поверхностью Земли расстояние до центра планеты увеличивается до (RЗ + h), поэтому ускорение свободного падения закономерно убывает:

g(h) = G · MЗ / (RЗ + h)² = g₀ · (RЗ / (RЗ + h))².

На высоте h = RЗ (около 6400 км) гравитационное ускорение уменьшается в (1+1)² = 4 раза и составляет всего ~2.45 м/с².

Формула g на высоте hФорма Земли
g(h)=G⋅M/(R+h)2;g0=G⋅M/R2g(h) = G \cdot M / (R + h)^2;\quad g_0 = G \cdot M / R^2
где M — масса планеты (для Земли MЗ ≈ 5.97 · 10²⁴ кг), R — радиус планеты (RЗ ≈ 6.37 · 10⁶ м), h — высота над поверхностью (м).
Форма Земли
Земля сплюснута у полюсов: на полюсах R меньше, поэтому gпол ≈ 9.83 м/с², а на экваторе gэкв ≈ 9.78 м/с².

Искусственным спутником Земли (ИСЗ) называют тело, выведенное на околоземную орбиту и обращающееся вокруг Земли исключительно под действием силы земного тяготения.

Первая космическая скорость (v₁) — минимальная горизонтальная скорость, которую необходимо сообщить телу на поверхности планеты, чтобы оно двигалось вокруг нее по круговой орбите, не падая на поверхность.

Вывод формулы: сила гравитации сообщает спутнику необходимое центростремительное ускорение:

G · (MЗ · m) / RЗ2 = m · (v₁² / RЗ) → v₁ = √(G · MЗ / RЗ) = √(g₀ · RЗ).

Для Земли первая космическая скорость составляет:

v₁ = √(9.8 м/с² · 6.37 · 10⁶ м) ≈ 7900 м/с = 7.9 км/с.

Первая космическая скоростьКруговая орбита
v1=g0⋅R=G⋅M/R≈7.9км/сv_1 = \sqrt{g_0 \cdot R} = \sqrt{G \cdot M / R} \approx 7.9 км/с
где v₁ — первая космическая скорость (км/с), g₀ — ускорение на поверхности, R — радиус планеты.
Круговая орбита
Если скорость спутника строго равна v₁, траектория круговая; если v₁ < v < v₂ — эллиптическая.

В зависимости от сообщенной начальной скорости траектория космического аппарата качественно меняется:

1. Первая космическая скорость (v₁ ≈ 7.9 км/с): круговая околоземная орбита (ИСЗ).

2. Вторая космическая скорость (параболическая, скорость убегания v₂): минимальная скорость для преодоления гравитационного притяжения Земли и выхода в межпланетное пространство (к Луне, Марсу, Венере):

v₂ = √2 · v₁ ≈ 1.414 · 7.91 км/с ≈ 11.2 км/с. Траектория становится параболой.

3. Третья космическая скорость (v₃ ≈ 16.7 км/с): минимальная скорость для преодоления притяжения Солнца и выхода за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство Галактики («Вояджер-1», «Новые горизонты»).

4. Четвертая космическая скорость (v₄ ≈ 550 км/с): скорость для преодоления притяжения нашей галактики Млечный Путь.

v₁ = 7.9 км/с

Орбита Земли

Круговая орбита спутников связи, навигации GPS/ГЛОНАСС и станции МКС.
v₂ = 11.2 км/с

Орбита Солнца

Преодоление притяжения Земли; полет к планетам Солнечной системы.
v₃ = 16.7 км/с

Межзвездный полет

Выход за пределы Солнечной системы в открытый космос Галактики.

Республика Казахстан является одной из ведущих космических гаваней человечества благодаря легендарному космодрому Байконур — первому и крупнейшему действующему космодрому планеты.

Исторические вехи Байконура:

• 4 октября 1957 г. — запуск первого искусственного спутника Земли (ПС-1);

• 12 апреля 1961 г. — исторический старт Юрия Гагарина на корабле «Восток-1»;

• 1991, 1994, 2015 гг. — космические полеты казахских космонавтов:

1. Токтар Аубакиров — первый космонавт Казахстана (исследовательский полет на станцию «Мир», 1991 г.);

2. Талгат Мусабаев — совершил 3 космических полета, провел в открытом космосе свыше 40 часов;

3. Айдын Аимбетов — космонавт Республики Казахстан, выполнивший научную программу исследований физико-химических процессов в невесомости (2015 г.).

Спутники Казахстана KazSat и KazEOSat:

Казахстан эксплуатирует собственную национальную группировку спутников космической связи KazSat и аппаратов дистанционного зондирования Земли KazEOSat для мониторинга сельского хозяйства, геодезии и безопасности.

Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул9 класс
Второй закон Ньютона:
F=m⋅aF = m \cdot a[Н]
Ускорение при равноускоренном движении:
a=(v−v0)/ta = (v - v_0) / t[м/с²]
Скорость равноускоренного движения:
v=v0+a⋅tv = v_0 + a \cdot t[м/с]
Перемещение при равноускоренном движении:
s=v0⋅t+(a⋅t2)/2s = v_0 \cdot t + (a \cdot t^2) / 2[м]
Следующая тема

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение

Перейти к теме →