Со времен Античности и вплоть до XV в. считалось, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной. Н. Коперник и Г. Галилей одними из первых в Новое время высказали идею, что наша планета вращается вокруг Солнца. Эта концепция была встречена достаточно враждебно: Галилей даже был вынужден под давлением церкви публично отказаться от нее. Большое значение для будущего открытия законов движения имели наблюдения Т. Браге, который посвятил этому всю жизнь.

Однако он не сделал каких-либо выводов из своих наблюдений. Позднее работы Т. Браге попали к И. Кеплеру, который нашел простое объяснение наблюдаемым сложным траекториям, сформулировав три закона движения планет вокруг Солнца:

Планеты двигаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца;
планеты двигаются неравномерно: чем дальше планета находится от Солнца, тем она двигается медленнее, и наоборот: чем она ближе к Солнцу, тем двигается быстрее;
периоды обращения планет вокруг Солнца зависят от их удаленности от него: более удаленные планеты двигаются медленнее, чем те, которые расположены ближе к Солнцу.

Законы Кеплера описывали наблюдаемое движение планет, но не вскрывали причин, приводящих к такому движению. Теория гравитации И. Ньютона указала причину, обусловившую движение космических тел по законам Кеплера, правильно предсказала и объяснила особенности их движения, а также позволила в одних терминах описывать явления космического и земного масштабов. Ньютон нашел правильное выражение для гравитационной силы, возникающей при взаимодействии тел, сформулировав закон всемирного тяготения: между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Законы Кеплера выполняются точно только в случае движения одного тела вблизи другого, обладающего значительно большей массой, и при условии сферичности этих тел. Даже при незначительных отступлениях от сферической формы орбита планеты представляет собой прецесси- рующий вокруг звезды эллипс. Скорость прецессии может быть рассчитана достаточно точно на основании законов Ньютона и оказывается максимальной для самой близкой к Солнцу планеты - Меркурия.

Согласно третьему закону Ньютона существует сила, действующая на звезду со стороны планеты. В случае, когда масса звезды значительно больше массы планеты, ускорение звезды пренебрежимо мало и ее можно считать неподвижной. Однако при наличии тел соизмеримых масс, притягивающихся друг к другу, возможно их устойчивое совместное движение вокруг общего центра масс. В случае движения планет вокруг звезды указанный эффект малозаметен, однако в космосе были обнаружены системы, совершающие описанное движение, - двойные звезды.

Основная масса Солнечной системы - около 99,8% - приходится на Солнце. Суммарная масса планет составляет только 0,13% от общей массы Солнечной системы. Из этих цифр следует, что законы Кеплера для движения планет в нашей системе должны соблюдаться очень хорошо. Существенные отклонения от эллиптических орбит могут возникать лишь в случае близкого пролета мимо одной из планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна.

Ньютоновский закон гравитации и законы Кеплера позволяют связать размеры орбит планет с периодами вращения, но не позволяют рассчитать сами орбиты. Еще в XVIII в. была предложена формула для радиусов орбит планет Солнечной системы: R n = (0,4 + 0,3 х 2 n) х R o , где п = 0, 1, 2, 3...; R o - радиус орбиты Земли. В отличие от законов Кеплера, это соотношение никак не следует из законов Ньютона и до сих пор не получило никакого теоретического объяснения. Не исключена возможность того, что данное соотношение представляет собой случайное совпадение. Однако орбиты известных на сегодняшний день планет удовлетворительно описываются этой формулой. Исключение составляет лишь значение п = 3, для которого на рассчитанной орбите планеты не существует. Вместо нее был обнаружен пояс астероидов - небольших по планетным масштабам тел неправильной формы.

Проблема эволюции Солнечной системы. В настоящее время не существует доказанной теории эволюции Солнечной системы. Весьма привлекательная теория совместного происхождения Солнца и планет из единого газового облака, сжавшегося под действием гравитационных сил, оказывается в противоречии с наблюдаемым неравномерным распределением вращательного момента между звездой и планетами. Обсуждаются модели происхождения планет в результате гравитационного захвата Солнцем тел, прилетающих из далекого космоса.

Известные на сегодняшний день свойства планет Солнечной системы позволяют разделить их на две группы. Первые четыре планеты земной группы характеризуются сравнительно малыми массами и большими плотностями слагающих их веществ. Они состоят из расплавленного железного ядра, окруженного силикатной оболочкой - корой. Планеты обладают газовыми атмосферами. Их температуры определяются главным образом расстоянием до Солнца и убывают с его увеличением. Начиная с Юпитера группа планет-гигантов в основном сложена из легких элементов - водорода и гелия. По мере приближения к центру планеты водород и гелий постепенно переходят из газообразного в жидкое и твердое состояния.

Предполагается, что в центральных областях давление столь высоко, что водород существует в металлической фазе, пока не наблюдавшейся на Земле даже в лабораторных условиях. Планеты второй группы обладают большим числом спутников. У Сатурна их число столь велико, что при недостаточном увеличении планета кажется опоясанной системой непрерывных колец.

Исходя из наблюдений движения Луны и анализируя законы движения планет, открытые Кеплером, И. Ньютон (1643-1727) установил закон всемирного тяготения. По этому закону, как вы уже знаете из курса физики, все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

здесь m 1 и m 2 - массы двух тел, r - расстояние между ними, а G - коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной. Его численное значение зависит от единиц, в которых выражены сила, масса и расстояние. Закон всемирного тяготения объясняет движение планет и комет вокруг Солнца, движение спутников вокруг планет, двойных и кратных звезд вокруг их общего центра масс.

Ньютон доказал, что под действием взаимного тяготения тела могут двигаться друг относительно друга по эллипсу (в частности, по кругу ), по параболе и по гиперболе . Ньютон установил, что вид орбиты, которую описывает тело, зависит от его скорости в данном месте орбиты (рис. 34).

При некоторой скорости тело описывает окружность около притягивающего центра. Такую скорость называют первой космической или круговой скоростью, ее сообщают телам, запускаемым в качестве искусственных спутников Земли по круговым орбитам. (Вывод формулы для вычисления первой космической скорости известен из курса физики.) Первая космическая скорость вблизи поверхности Земли составляет около 8 км/с (7,9 км/с).

Если телу сообщить скорость, в раза большую круговой (11,2 км/с), называемую второй космической или параболической скоростью, то тело навсегда удалится от Земли и может стать спутником Солнца. В этом случае движение тела будет происходить по параболе относительно Земли. При еще большей скорости относительно Земли тело полетит по гиперболе. Двигаясь по параболе или гиперболе , тело только однажды огибает Солнце и навсегда удаляется от него.

Средняя скорость движения Земли по орбите 30 км/с. Орбита Земли близка к окружности, следовательно, скорость движения Земли по орбите близка к круговой на расстоянии Земли от Солнца. Параболическая скорость на расстоянии Земли от Солнца равна км/с≈42 км/с. При такой скорости относительно Солнца тело с орбиты Земли покинет Солнечную систему.

2. Возмущения в движении планет

Законы Кеплера точно соблюдаются только тогда, когда рассматривают движение двух изолированных тел под влиянием их взаимного притяжения. В Солнечной системе планет много, все они не только притягиваются Солнцем, но и притягивают друг друга, поэтому их движения не в точности подчиняются законам Кеплера.

Отклонения от движения, которое происходило бы строго по законам Кеплера, называются возмущениями. В Солнечной системе возмущения невелики, потому что притяжение каждой планеты Солнцем гораздо сильнее притяжения других планет.

Наибольшие возмущения в Солнечной системе вызывает планета Юпитер, которая примерно в 300 раз массивнее Земли. Юпитер оказывает особенно сильное влияние На Движение астероидов и комет, когда они близко к нему подходят. В частности, если направления ускорений кометы, вызванных притяжением Юпитера и Солнца, совпадают, то комета может развить столь большую скорость, что, двигаясь по гиперболе, навсегда уйдет из Солнечной системы. Были случаи, когда притяжение Юпитера сдерживало комету, эксцентриситет ее орбиты становился меньше и резко уменьшался период обращения.

При вычислениях видимого положения планет приходится учитывать возмущения. Теперь делать такие расчеты помогают быстродействующие электронно-вычислительные машины. При запуске искусственных небесных тел и при расчете их траекторий пользуются теорией движения небесных тел, в частности теорией возмущений.

Возможность отправлять автоматические межпланетные станции по желаемым, заранее рассчитанным траекториям, доводить их до цели с учетом возмущений в движении - все это яркие примеры познаваемости законов природы. Небо, которое по представлению верующих является обителью богов, стало ареной человеческой деятельности так же, как и Земля. Религия всегда противопоставляла Землю и небо и объявляла небо недосягаемым. Теперь же среди планет перемещаются искусственные небесные тела, созданные человеком, которыми он может управлять по радио с больших расстояний.

3. Открытие Нептуна

Одним из ярких примеров достижений науки, одним из свидетельств неограниченной познаваемости природы было открытие планеты Нептун путем вычислений - "на кончике пера".

Уран - планета, следующая за Сатурном, который много веков считался самой далекой из планет, была открыта В. Гершелем в конце XVIII в. Уран с трудом виден невооруженным глазом. К 40-м годам XIX в. точные наблюдения показали, что Уран едва заметно уклоняется от того пути, по которому он должен следовать с учетом возмущений со стороны всех известных планет. Таким образом, теория движения небесных тел, столь строгая и точная, подверглась испытанию.

Леверье (во Франции) и Адаме (в Англии) высказали предположение, что, если возмущения со стороны известных планет не объясняют отклонение в движении Урана, значит, на него действует притяжение еще неизвестного тела. Они почти одновременно рассчитали, где за Ураном должно быть неизвестное тело, производящее своим притяжением эти отклонения. Они вычислили орбиту неизвестной планеты, ее массу и указали место на небе, где в данное время должна была находиться неведомая планета. Эта планета и была найдена в телескоп на указанном ими месте в 1846 г. Ее назвали Нептуном. Нептун не виден невооруженным глазом. Так, разногласие между теорией и практикой, казалось, подрывавшее авторитет материалистической науки, привело к ее триумфу.

4. Приливы

Под действием взаимного притяжения частиц тело стремится принять форму шара. Форма Солнца, планет, их спутников и звезд поэтому и близка к шарообразной. Вращение тел (как вы знаете из физических опытов) ведет к их сплющиванию, к сжатию вдоль оси вращения. Поэтому немного сжат у полюсов земной шар, а более всего сжаты быстро вращающиеся Юпитер и Сатурн.

Но форма планет может изменяться и от действия сил их взаимного притяжения. Шарообразное тело (планета) движется в целом под действием гравитационного притяжения другого тела так, как если бы вся сила притяжения была приложена к ее центру. Однако отдельные части планеты находятся на разном расстоянии от притягивающего тела, поэтому гравитационное ускорение в них также различно, что и приводит к возникновению сил, стремящихся деформировать планету. Разность ускорений, вызываемых притяжением другого тела, в данной точке и в центре планеты называется приливным ускорением.

Рассмотрим для примера систему Земля - Луна. Один и тот же элемент массы в центре Земли будет притягиваться Луной слабее, чем на стороне, обращенной к Луне, и сильнее, чем на противоположной стороне. В результате Земля, и в первую очередь водная оболочка Земли, слегка вытягивается в обе стороны вдоль линии, соединяющей ее с Луной. На рисунке 35 океан для наглядности изображен покрывающим всю Землю. В точках, лежащих на линии Земля - Луна, уровень воды выше всего - там приливы. Вдоль круга, плоскость которого перпендикулярна направлению линии Земля - Луна и проходит через центр Земли, уровень воды ниже всего - там отлив. При суточном вращении Земли в полосу приливов и отливов поочередно вступают разные места Земли. Легко понять, что за сутки могут быть два прилива и два отлива.

Солнце также вызывает на Земле приливы и отливы, но из-за большой удаленности Солнца они меньше, чем лунные, и менее заметны.

С приливами перемещается огромная масса воды. В настоящее время приступают к использованию громадной энергии воды, участвующей в приливах, на берегах океанов и открытых морей.

Ось приливных выступов должна быть всегда направлена к Луне. При вращении Земля стремится повернуть водяной приливный выступ. Поскольку Земля вращается вокруг оси гораздо быстрее, чем Луна обращается вокруг Земли, то Луна оттягивает водяной горб к себе. Происходит трение между водой и твердым дном океана. В результате возникает так называемое приливное трение . Оно тормозит вращение Земли, и сутки с течением времени становятся длиннее (когда-то они составляли только 5-6 ч). Сильные приливы, вызываемые на Меркурии и Венере Солнцем, по-видимому, и явились причиной их крайне медленного вращения вокруг оси. Приливы, вызываемые Землей, настолько затормозили вращение Луны, что она всегда обращена к Земле одной стороной. Таким образом, приливы являются важным фактором эволюции небесных тел и Земли.

5. Масса и плотность Земли

Закон всемирного тяготения позволяет также определить одну из важнейших характеристик небесных тел - массу, в частности массу нашей планеты. Действительно, исходя из закона всемирного тяготения, ускорение свободного падения

Следовательно, если известны значения ускорения свободного падения, гравитационной постоянной и радиуса Земли, то можно определить ее массу.

Подставив в указанную формулу значение g = 9,8 м/с 2 , G = 6,67*10 -11 Н*м 2 /кг 2 , R =6370 км, найдем, что масса Земли М=6*10 24 кг.

Зная массу и объем Земли, можно вычислить ее среднюю плотность. Она равна 5,5*10 3 кг/м 3 . Но плотность Земли с глубиной возрастает, и, по расчетам, вблизи центра, в ядре Земли, она равна 1,1*10 4 кг/м 3 . Рост плотности с глубиной происходит за счет увеличения содержания тяжелых элементов, а также за счет увеличения давления.

(С внутренним строением Земли, изучаемым астрономическими и геофизическими методами, вы знакомились в курсе физической географии.)

Упражнение 12

1. Чему равна плотность Луны, если ее масса в 81 раз, а радиус в 4 раза меньше, чем у Земли?

2. Чему равна масса Земли, если угловая скорость Луны 13,2° в сутки, а среднее расстояние до нее 380 000 км?

6. Определение масс небесных тел

Ньютон доказал, что более точная формула третьего закона Кеплера такова:

где M 1 и М 2 - массы каких-либо небесных тел, a m 1 и m 2 - соответственно массы их спутников. Так, планеты считаются спутниками Солнца. Мы видим, что уточненная формула этого закона отличается от приближенной наличием множителя, содержащего массы. Если под M 1 =M 2 =Mпонимать массу Солнца, а под m 1 и m 2 - массы двух разных планет, то отношение будет мало отличаться от единицы, так как m 1 и m 2 очень малы по сравнению с массой Солнца. При этом точная формула не будет заметно отличаться от приближенной.

Уточненный третий закон Кеплера позволяет определить массы планет, имеющих спутников, и массу Солнца. Чтобы определить массу Солнца, будем сравнивать движение Луны вокруг Земли с движением Земли вокруг Солнца:

Массы планет, не имеющих спутников, определяют по тем возмущениям, которые они своим притяжением производят в движении соседних с ними планет, а также в движении комет, астероидов или космических аппаратов.

Упражнение 13

1. Определите массу Юпитера сравнением системы Юпитера со спутником с системой Земля - Луна, если первый спутник Юпитера отстоит от него на 422 000 км и имеет период обращения 1,77 сут. Данные для Луны должны быть вам известны.

2. Вычислите, на каком расстоянии от Земли на линии Земля - Луна находятся те точки, в которых притяжения Землей и Луной одинаковы, зная, что расстояние между Луной и Землей равно 60 радиусам Земли, а масса Земли в 81 раз больше массы Луны.

Суточное перемещение Солнца (как собственно и других небесных тел) по небу является следствием вращения Земли вокруг своей оси, которое направлено с запада на восток, а, соответственно, видимое движение Солнца при этом происходит с востока на запад. Однако из-за наличия наклона земной оси к плоскости орбиты вокруг Солнца, точки восхода/захода при обращении Земли вокруг Солнца постоянно смещаются, и в итоге восход/заход на востоке/западе происходит только вблизи равноденствий, которые приходятся на начало 20-ых чисел марта и сентября. Летом к Солнцу обращено северное полушарие Земли, соответственно в средних широтах точка восхода смещается к северо-востоку, а точка захода к северо-западу, а зимой Земля подставляет Солнцу южное полушарие и восход светила происходит на юго-востоке, а заход на юго-западе.

Годичный путь Солнца относительно звёзд связан с обращением Земли вокруг Солнца. Конечно, из-за того что днём звёзд невидно, трудно отследить данное движение Солнца, хотя в течение суток за счёт этого движения − Солнце перемещается на фоне звёзд на целый градус (т.е. на два своих видимых размера). Однако о наличии этого движения говорит сменяющийся вместе с временами года вид звёздного неба, а конкретно наблюдаемые созвездия. К примеру, созвездие Ориона можно наблюдать на тёмном небе с осени и до середины весны, однако в остальную часть года Солнце находится слишком близко к этому созвездию (хотя непосредственно через него не проходит), а на дневном небе невооружённым глазом увидеть звёзды, составляющее это созвездие не представляется возможным. Солнце при наблюдении с Земли в течение года, перемещается по небу вдоль линии, называемой эклиптикой, которая обозначает плоскость земной орбиты (в более точном определении − плоскость орбиты центра масс системы Земля-Луна) и проходит через 13 созвездий (Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Змееносец, Стрелец, Козерог, Водолей и Рыбы). Поскольку вокруг Солнца Земля обращается по эллиптической орбите, то орбитальная скорость является непостоянной величиной, это естественно отражается и на видимом перемещении Солнца по эклиптике. Видимое движение также неравномерно – одну половину эклиптики Солнце проходит медленней (когда Земля более удалена от светила), а вторую – быстрее, за счёт этого в северном полушарии весна и лето несколько длиннее осени и зимы. Когда в северном полушарии лето – Земля находится от Солнца дальше всего и движется медленней по орбите, а когда зима – ближе всего и движется быстрее (в южном полушарии всё равно наоборот).

Видимое движение Луны

Плоскость лунной орбиты имеет наклон в 5 градусов к плоскости земной орбиты вокруг Солнца, таким образом, видимое движение Луны относительно звёзд проходит недалеко от линии эклиптики. Вот только скорость этого движения гораздо больше, чем у Солнца. Если Солнце перемещается относительно звёзд по небу на величину равную своему видимому диаметру за половину земных суток, то Луна преодолевает такое же расстояние примерно за 1 час, а поскольку Луну можно наблюдать на тёмном небе, то и отследить это смещение на фоне звёзд несложно. Луна движется по своей орбите в том же направлении, куда вращается Земля вокруг оси (против часовой стрелки при взгляде с северного полюса), так что видимое движение Луны на фоне звёзд будет происходить с запада на восток. В виду ещё большей эллиптичности лунной орбиты, чем земной, видимое движение Луны будет более неравномерным. Путь относительно звёзд (и вокруг Земли) Луна совершает за 27 суток 7 ч 43 мин 11,5 с. В новолуние Луна находится в том же направлении на небе, что и Солнце (т.е. между Землёй и Солнцем) и потому повёрнута неосвещённой стороной. Однако постепенно удаляясь всё дальше от светила на восток, начинает расти освещённый Солнцем край лунного диска и так до полнолуния. Полная Луна восходит в восточной части неба и примерно повторяет суточный путь Солнца полугодовалой давности. Таким образом, в северном полушарии в летние месяцы, когда Солнце восходит на северо-востоке, поднимается высоко и заходит на северо-западе − Луна в свою очередь восходит на юго-востоке, не поднимается высоко над горизонтом, и под утро садится на юго-западе (как и Солнце в течение дня в северном полушарии зимой). Наличие пересечений плоскостей лунной и земной орбит, даёт нам возможность наблюдать такие явления, как солнечные и лунные затмения. Однако они происходят только при одновременном соблюдении следующих независимых друг от друга условий – Луна на своём пути относительно звёзд должна быть близка к точке пересечения этого пути с эклиптикой, а также должно быть новолуние (для солнечного затмения) или полнолуние (для лунного).

Видимое движение планет

Орбитальные плоскости планет имеют наклон не больше нескольких градусов к плоскости земной орбиты, следовательно, их видимый путь относительно звёзд проходит недалеко от эклиптики, но вид траектории этого движения куда сложнее, чем у Солнца и Луны. Изначально двигаясь в том же направлении, что Луна и Солнце (с запада на восток (прямое движение)), планеты в какой-то момент начинают замедляться, останавливаются, а затем какое-то время двигаются с востока на запад (попятное движение), после чего снова замедляются и вновь переходят к прямому движению. Траектория движения при смене направлений имеет форму петли.

Движение более близких к Солнцу планет, чем Земля (нижних планет), несколько отличается от движения планет, которые дальше Земли (верхние планеты). Венера движется по небу быстрее Солнца в прямом направлении, обгоняет его, затем останавливается не более чем в 47 градусах от Солнца (это и есть точка максимального углового удаления от светила (восточная элонгация)), после чего переходит на попятное движение, снова проходит мимо Солнца и вновь останавливается не дальше 47 градусов от светила (западная элонгация) затем опять переходит на прямое движение. Также движется Меркурий, только размер петли будет меньше, поскольку Меркурий ближе к Солнцу и его угловое расстояние от светила совсем невелико, максимум 28 градусов. В случае Марса и других верхних планет, движение в прямом направлении будет медленней, чем у Солнца, следовательно, планеты будут постепенно отставать от него, находясь при этом всё западнее от светила. Когда планета будет в противоположном от Солнца направлении, её движение на фоне звёзд замедлится, и она перейдёт к попятному движению, которое скоро замедлится и вновь перейдёт к прямому, после чего планета начнёт сближение с Солнцем на небе. Чем дальше верхняя планета, тем меньше будет размер петли при перемене направлений движения.

Перемены направлений движения обусловлены неодинаковой орбитальной скоростью планет. Попятное движение Венеры и Меркурия получается, когда они обгоняют Землю, двигаясь по своей орбите и находясь при этом с Землёй по одну сторону от Солнца. А в случае верхних планет, наоборот Земля обгоняет их и из-за этого они получают попятное движение. Петли же получаются из-за того, что планетные орбиты не лежат в одной плоскости, а имеют, пусть и небольшие, но наклоны относительно плоскости земной орбиты.

Видимое движение звёзд

Когда рассматривалось видимое движение тел Солнечной системы, очень часто упоминалась фраза «движение относительно звёзд», из-за чего может создаться впечатление, что звёзды совсем неподвижны. В действительности это не так, просто скорости звёзд настолько малы по сравнению с расстояниями до них, что практически невозможно заметить их движение невооружённым глазом даже в течение десятков лет. Лучше всего перемещение заметно у тех звёзд, которые обладают высокими реальными скоростями поперёк луча зрения наблюдателя и при этом ещё находятся в относительной близости от Солнца, чтобы эта скорость была хоть как-то заметна, потому что при удалении в сотни световых лет, даже при поперечных скоростях в сотни км/с, положение звезды будет изменяться крайне медленно. Среди звёзд (кроме Солнца) самым высоким собственным движением на небе обладает звезда Барнарда – очень тусклый красный карлик, который, несмотря на расстояние в 6 световых лет от Солнца, невооружённым глазом не виден. Но, тем не менее, эта звезда смещается по небу на 10 угловых секунд в год, что более чем в 180 раз меньше видимого диаметра полной Луны. Нетрудно догадаться, что примерно столько же лет нужно, чтобы звезда сместилась на фоне более далёких звёзд на небе на расстояние равное размеру Луны. Но это только одна звезда со столь большим собственным движением, у остальных звёзд эти движения значительно медленней.

11 класс Дата____________________

Урок № ___

Тема урока: Видимое движение небесных тел. Законы Кеплера.

Цели:

образовательная : ввести понятия о мегамире и об астрономии – науке, его описывающей; определить и рассмотреть основные объекты мегамира; определить кинематическое описание движения планет и звезд; ввести новые понятия – небесный экватор, астрономическая единица, парсек, параллакс; ввести законы Кеплера;

развивающая : способствовать развитию формирования навыков описывать кинематическое движение планет;

воспитывающая: воспитывать интерес к предмету , управление своим вниманием, дисциплину.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование: мультимедийная презентация, ПК.

Ход урока

1. Организационный момент.

Приветствие с учащимися, проверка присутствующих. Анализ контрольной работы.

2. Актуализация знаний.

Фронтальный опрос:

Что Вы знаете о космосе?

Какие космические тела Вас случалось наблюдать?

3. Мотивация учебной деятельности

На этом уроке мы начинаем изучать раздел «Строение Вселенной». В ходе изучения мы рассмотрим азы науки «Астрономия», более подробно познакомимся с «обитателями» Вселенной.

4. Изучение нового материала

Движение планет

Темной ночью мы можем увидеть на небе около 2500 звезд (с учетом невидимого полушария 5000), которые отличаются по блеску и цвету. Кажется, что они прикреплены к небесной сфере и вместе с ней обращаются вокруг Земли. Чтобы ориентироваться среди них, небо разбили на 88 созвездий. Во II в. до н. э. Гиппарх разделил звезды по блеску на звездные величины, самые яркие он отнес к звездам первой величины (1 m ), а самые слабые, едва видимые невооруженным глазом, - к 6 m . В созвездии звезды обозначаются греческими буквами, некоторые самые яркие звезды имеют собственные названия. Так, Полярная звезда – α Малой Медведицы имеет блеск 2 m . Самая яркая звезда северного неба Вега – α Лиры имеет блеск около 0 m .

Особое место среди созвездий занимали 12 зодиакальных созвездий, через которые проходит годичный путь Солнца – эклиптика . Так, в марте Солнце движется по созвездию Рыб, в мае – Тельца, в августе – Льва, в ноябре – Скорпиона.

В настоящее время для ориентации среди звезд астрономы используют различные системы небесных координат. Одна из них – экваториальная система координат (рис. 1). В ее основе лежит небесный экватор – проекция земного экватора на небесную сферу.

Эклиптика и экватор пересекаются в двух точках: весеннего (γ) и осеннего ( ) равноденствия.

Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыбы, и она служит начальной точкой, от которой в направлении против часовой стрелки отсчитывается координата прямое восхождение, которую обычно обозначают буквой α. Эта координата является аналогом долготы в географических координатах. В астрономии принято прямое восхождение измерять в часовой мере, а не в градусной. При этом исходят из того, что полная окружность составляет 24 ч. Вторая координата светила δ – склонение – является аналогом широты, ее измеряют в градусной мере. Так, звезда Альтаир (α Орла) имеет координаты α = 19ч48м18с, склонение δ = +8°44". Измеренные координаты звезд хранят в каталогах, по ним строят звездные карты, которые используют астрономы при поиске нужных светил.

Взаимное расположение звезд на небе не меняется, они совершают суточное вращение вместе с небесной сферой. Планеты наряду с суточным вращением совершают медленное движение среди звезд, оправдывая свое название (planetas в переводе с греческого – блуждающая звезда).

В
идимый путь планет на небе петлеобразен. Размеры описываемых планетами петель различны. На рисунке 2 показано видимое петлеобразное движение Марса, которое длится 79 дней.

Наиболее просто видимое движение планет и Солнца описывается в системе отсчета, связанной с Солнцем. Такой подход получил название гелиоцентрической системы мира и был предложен польским астрономом Николаем Коперником (1473-1543).

В этой системе суточное движение небесного свода объясняется вращением Земли вокруг оси, годичное движение Солнца по эклиптике – движением Земли вокруг Солнца, а описываемые планетами петли – сложением движений Земли и планет (см. рис. 2 ). Вокруг Земли движется только Луна. Коперник рассчитал расстояния планет до Солнца.

В астрономии среднее расстояние от Земли до Солнца принято за единицу расстояния и называется астрономической единицей (а. е.), 1 а. е. = 1 , 5 10 8 км. Так, Меркурий находится от Земли на расстоянии 0,39 а. е., а Сатурн – на расстоянии 9,54 а. е.

В
античные времена и вплоть до Коперника полагали, что в центре Вселенной расположена Земля и все небесные тела обращаются по сложным траекториям вокруг нее. Эта система мира называется геоцентрической системой мира .

Если Земля обращается вокруг Солнца, то близкие звезды должны периодически смещаться на фоне более далеких звезд. Это смещение называется параллактическим, а угол π, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, называется параллаксом . Как видно из рисунка 3 , расстояние до звезды

Так как параллакс звезд мал, мы заменили синус малого угла самим углом, выраженным в радианной мере, а затем перешли от радианной меры к градусной, учтя, что 1 рад = 206 265". В астрономии принято измерять расстояние до звезд в парсеках (пк).

1 пк = 206 265 а 0 = 206 265 1,5 10 8 км = 3 10 13 км.

Итак, если параллакс измерять в угловых секундах, а расстояние до звезды – в парсеках, то связью между ними будет равенство

Только во второй половине XIX в. удалось измерить параллаксы и расстояния до звезд и тем самым подтвердить теорию Коперника наблюдениями. Так, ближайшая к нам звезда α Центавра имеет параллакс π = 0,751", поэтому расстояние до нее r = 1,33 пк = 4 10 13 км.

Для определения положения звезд используются небесные экваториальные координаты. Сложное петлеобразное движение планет объясняется движением Земли и планет вокруг Солнца, а наблюдение годичного параллакса у звезд не только подтверждает обращение Земли вокруг Солнца, но и позволяет определять расстояния до них.

Законы Кеплера

Исходя из гелиоцентрической системы Н. Коперника, планеты движутся по круговым орбитам (считалось с древнейших времен – по окружности) и равномерно.

Но между предвычисленным и наблюдаемым положением планет существовало различие – это выявил австрийский астроном – основоположник теоретической астрономии Иоган Кеплер (27.12.1571 – 15.11.1630). Он впервые решился пересмотреть причины движения планет вокруг Солнца, Луны вокруг Земли. Он ошибался в оценке природы притягивающей силы, но догадывался, что Солнце искажает притяжением пути планет, которые стремятся двигаться по прямой.

Работая в Праге учеником у Тихо Браге (1546-1601, Дания), он унаследовал результаты кропотливых и многолетних наблюдений Тихо Браге за планетой Марс - подробные таблицы наблюдения движения Марса и на их основе (этих данных) вывел законы движения планет (но не объяснил их т.к. не был открыт И. Ньютоном закон всемирного тяготения), преодолев предрассудки о равномерном движении по «самой совершенной» кривой - окружности. Открытие этих законов явилось важнейшим этапом в развитии гелиоцентризма. Позднее, после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, законы Кеплера были выведены как точное решение задачи двух тел.

Открытые законы носят имя Кеплера.

Для построения орбиты планет (на примере Марса) Кеплер перейдя от экваториальной системы координат к системе координат, указывающих его положение в плоскости орбиты принял в приближении орбиту Земли окружностью. Для построения орбиты применил способ, показанный на рисунке 4, отсчитывая прямое восхождение от точки весеннего равноденствия на положение нескольких противостояний Марса. Проведя по полученным точкам плавную кривую получил эллипс и нашел формулу описывающую орбиту планеты X=е*sin (α)+M.

I закон Кеплера (открыт в 1605 году)

Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Э
ллипс - замкнутая кривая, у которой сумма расстояний от любой точки до фокусов постоянна.

Если расстояние F 1 F 2 обозначить 2с, а длину веревки считать 2а, то в системе координат, где ось ОХ совпадает с линией F 1 F 2 , а начало совпадает с серединой отрезка F 1 F 2 , эллипс задается уравнением
. Числа а и b задают размеры полуосей эллипса. Если а = b , то эллипс превращается в окружность.

Форма эллипса (степень отличая от окружности - “сплюснутость”) характеризуется эксцентриситетом : е = с/а , где а большая полуось орбиты, а с = OF расстояние от центра эллипса до его фокуса. При е = с = 0 эллипс превращается в окружность, а при е = 1 в отрезок.

Для эллиптической орбиты планеты характерны относительно Солнца точки:

Перигелий (греч. пери – возле, около) ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты (для Земли 1-5 января). В перигелии южное полушарие Земли получает солнечной энергии на 6% больше, чем северное полушарие.

Афелий (греч. апо – вдали) наиболее удаленная от Солнца точка орбиты планеты (для Земли 1-6 июля).

Учитывая греческие названия планет, характерные точки эллиптической орбиты ее спутников будут иметь собственные названия. Так Луна – Селена (переселений, апоселений), Земля – Гея (перигей, апогей).

II закон Кеплера (открыт в 1601 году)

Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади

Н
азывают законом площадей. Заштрихованные площади фигур равны за равные промежутки времени. Из чертежа дуги разные, отсюда υ п > υ а , т.е в перигелии υ max , а в афелии υ min .

По закону сохранения энергии полная механическая энергия замкнутой системы, между которыми действует сила тяготения, остается неизменной при любых движениях тел этой системы. Поэтому сумма кинетической и потенциальной энергии планеты неизменна во всех точках орбиты. По мере приближения к Солнцу кинетическая энергия планеты возрастает а ее потенциальная энергии уменьшается.

В соответствии со вторым законом Кеплера, орбитальная скорость обратно пропорциональна радиус-вектору. Поэтому скорость движения Земли по орбите также не постоянна, а изменяется от 29,5 км/с в афелии (июль) до 30,3 км/с в перигелии (январь). Соответственно, и расстояние от осеннего до весеннего равноденствия на орбите Земля проходит быстрее, чем в противоположную, летнюю часть, а весна и лето в Северном полушарии на 6 суток продолжительнее осени и зимы. Например, Земля проходила точку перигелия, ближайшую к Солнцу, в 1998 году 04 января в 21 часов 15 минут 1 секунду всемирного времени UT . При этом ее расстояние от Солнца составляло 147099552 км. Противоположную точку орбиты, афелий, Земля проходила 3 июля 1998 года в 23 часа 50 минут 11 секунд всемирного времени UT . При этом Земля была от Солнца на расстоянии 152095605 км, т.е. на 5 миллионов километров больше. Это изменение расстояния до Солнца также хорошо заметно по изменению его видимого углового размера, который от 32´34" в январе уменьшается до 31´30" в июле.

Поток энергии от Солнца, падающий на Землю, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому зимы в северном полушарии менее суровые, чем в южном, а лето в северном полушарии более прохладное.

III закон Кеплера (Гармонический закон) (открыт в 1618 году)

Формулировка 1 : Квадраты звездных (сидерических) периодов обращения планет относятся между собой как кубы больших полуосей их орбит.

Формулировка 2 : Куб большой полуоси орбиты тела, деленный на квадрат периода его обращения и на сумму масс тел, есть величина постоянная.

Следствие:

Законы Кеплера применимы не только для планет, но и к движению их естественных и искусственных спутников.

5. Формирование умений и навыков

Решение задач:

1. Определите массу Юпитера по движению его спутника Ио, если спутник обращается вокруг Юпитера по круговой орбите на расстоянии а = 422 10 3 км, с периодом Т = 1,769 сут.

2. Во время великого противостояния Марса, когда он сблизился с Землей на расстояние 0,4 а. е., измеренный угловой диаметр Марса был равен 23". Определите линейный диаметр Марса.

6. Итоги урока

Рефлексия:

Какие законы движения мы изучили?

На чем основывался Кеплер, открывая свои законы?

Что такое перигелий, афелий?

Когда Земля обладает наибольшей кинетической энергией, наименьшей?

Как найти эксцентриситет?

О каких периодах вращения синодических или сидерических идет речь в третьем законе Кеплера?

У некоторой малой планеты большая полуось орбиты равна 2,8 а.е., а эксцентриситет равен нулю. Чему равна малая полуось ее орбиты?

7. Домашнее задание

Изучить §§ 116, 117, стр. 340-345. Вып. № 1, стр. 377