牛顿大炮演示

实验目的

理解人造卫星的发射原理，认识第一、第二宇宙速度的物理意义。

实验原理

物体只受地球引力，水平抛出后做曲线运动。速度小，物体落回地面；速度等于 7.9 km/s（第一宇宙速度）时，引力恰好提供向心力，物体沿近地圆轨道运动；速度介于 7.9 km/s 与 11.2 km/s 之间，轨道为椭圆；达到 11.2 km/s（第二宇宙速度）时，物体脱离地球引力束缚。

实验器材

• 地球
• 高山顶的大炮
• 水平抛出的物体
• 不同初速度下的轨迹
• 落地点位置（观察量）

实验步骤

1. 观察大炮在高山顶，水平发射物体的初始状态。
2. 取较小初速度发射，观察物体落回地面的位置。
3. 逐步增大初速度，比较落地点与轨迹的变化。
4. 当速度达到 7.9 km/s 时，观察物体绕地球做圆周运动。
5. 继续增大速度，观察轨迹变为椭圆，直至脱离地球。

实验现象与结论

初速度较小时物体落回地面，且速度越大落点越远；速度约为 7.9 km/s 时，物体成为绕地球圆周运动的卫星；速度更大时轨道变为椭圆；达到 11.2 km/s 及以上时，物体脱离地球。

注意事项

• 演示忽略空气阻力。
• 实际发射卫星要在大气层外加速。

常见问题

牛顿大炮说明了什么？

说明卫星的运动本质上是平抛运动，物体抛出的速度足够大时，会一直绕地球“下落”而不触地。

第一宇宙速度为什么是最小发射速度？

速度小于 7.9 km/s，物体无法绕地球做圆周运动，终将落回；这也是最大环绕速度。