29.04.2019
Бескрайний космос, который нас окружает, — это не просто огромное безвоздушное пространство и пустота. Здесь все подчинено единому и строгому порядку, все имеет свои правила и подчиняется законам физики. Все находится в постоянном движении и находится в постоянно взаимосвязи друг с другом. Это система, в которой каждое небесное тело занимает свое определенное место. Центр Вселенной окружен галактиками, среди которых находится и наш Млечный Путь. Нашу галактику в свою очередь формируют звезды, вокруг которых вертятся большие и малые планеты со своими естественными спутниками. Дополняют картину вселенского масштаба блуждающие объекты – кометы и астероиды.
Парад планет
В этом бескрайнем скоплении звезд находится и наша Солнечная система – крошечный по космическим меркам астрофизический объект, к которому относится и наш космический дом – планета Земля. Для нас землян, размеры Солнечной системы колоссальны и трудно поддаются восприятию.
С точки зрения масштабов Вселенной это крошечные цифры — всего 180 астрономических единиц или 2,693e+10 км. Здесь также все подчинено своим законам, имеет свое четко определенное место и последовательность.
Межзвездную среду и устойчивость Солнечной системы обеспечивает расположение Солнца. Его месторасположение – межзвездное облако, входящее в рукав Ориона-Лебедя, который в свою очередь является частью нашей галактики. С научной точки зрения наше Солнце находится на периферии, в 25 тыс. световых лет от центра Млечного Пути, если рассматривать галактику в диаметральной плоскости. В свою очередь, движение Солнечной системы вокруг центра нашей галактики осуществляется по орбите. Полный оборот Солнца вокруг центра Млечного Пути осуществляется по-разному, в пределах 225-250 млн. лет и составляет один галактический год. Орбита Солнечной системы имеет наклон к галактической плоскости в 600. Рядом, по соседству с нашей системой, совершают бег вокруг центра галактики другие звезды и другие солнечные системы со своими большими и малыми планетами.
Месторасположение Солнца в Галактике
Примерный возраст Солнечной системы составляет 4,5 млрд. лет. Как и большинство объектов во Вселенной, наша звезда образовалась в результате Большого взрыва. Происхождение Солнечной системы объясняется действием тех же законов, которые действовали и продолжают действовать сегодня в области ядерной физики, термодинамики и механики. Сначала образовалась звезда, вокруг которой в силу происходящих центростремительных и центробежных процессов началось формирование планет. Солнце сформировалось из плотного скопления газов — молекулярного облака, которое стало продуктом колоссального Взрыва. В результате центростремительных процессов происходило сжатие молекул водорода, гелия, кислорода, углерода, азота и других элементов в одну сплошную и плотную массу.
Результатом грандиозных и столь масштабных процессов стало образование протозвезды, в структуре которой начался термоядерный синтез.
Этот длительный процесс, начавшийся гораздо раньше, мы наблюдаем сегодня, глядя на наше Солнце спустя 4,5 млрд. лет с момента его образования. Масштабы процессов, происходящих во время формирования звезды можно представить, оценив плотность, размеры и массу нашего Солнца:
Этапы формирования нашей звезды
Сегодня наше Солнце – это рядовой астрофизический объект во Вселенной, не самая маленькая звезда в нашей галактике, но и далеко не самая большая. Солнце пребывает в своем зрелом возрасте, являясь не только центром Солнечной системы, но и главным фактором появления и существования жизни на нашей планете.
Окончательное строение Солнечной системы приходится на этот же период, с разницей, плюс-минус полмиллиарда лет. Масса всей системы, где Солнце взаимодействует с другими небесными телами Солнечной системы, составляет 1,0014 M☉.
Другими словами, все планеты, спутники и астероиды, космическая пыль и частички газов, вращающихся вокруг Солнца, в сравнении с массой нашей звезды, — капля в море.
В том виде, в котором мы имеем представление о нашей звезде и планетах, вращающихся вокруг Солнца – это упрощенный вариант. Впервые механическая гелиоцентрическая модель Солнечной системы с часовым механизмом была представлена научному сообществу в 1704 году. Следует учитывать, что орбиты планет Солнечной системы не лежат все в одной плоскости. Они вращаются вокруг под определенным углом.
Модель Солнечной системы была создана на основе более простого и старинного механизма — теллурия, с помощью которого было смоделировано положение и движение Земли по отношению к Солнцу. С помощью теллурия удалось объяснить принцип движения нашей планеты вокруг Солнца, рассчитать продолжительность земного года.
Простейшая модель Солнечной системы представлена в школьных учебниках, где каждая из планет и другие небесные тела занимают определенное место.
При этом следует учитывать, что орбиты всех объектов, вращающихся вокруг Солнца, расположены под разным углом к диаметральной плоскости Солнечной системы. Планеты Солнечной системы расположены на разном расстоянии от Солнца, совершают оборот с различной скоростью и по-разному обращаются вокруг собственной оси.
Карта — схема Солнечной системы – это рисунок, где все объекты расположены в одной плоскости. В данном случае такое изображение дает представление только о размерах небесных тел и расстояниях между ними. Благодаря такой трактовке стало возможным понять месторасположение нашей планеты в ряду других планет, оценить масштабы небесных тел и дать представление о тех огромных расстояниях, которые отделяют нас от наших небесных соседей.
Модель Солнечной системы
Практически вся вселенная – это мириады звезд, среди которых встречаются большие и малые солнечные системы. Наличие у звезды своих планет-спутников — явление обыденное для космоса.
Если задаваться вопросом, сколько планет в Солнечной системе было и сколько есть сегодня, ответить однозначно достаточно сложно. В настоящее время известно точное расположение 8 крупных планет. Помимо этого вокруг Солнца крутятся 5 малых карликовых планет. Существование девятой планеты на данный момент в научных кругах оспаривается.
Карта-схема Солнечной системы
Вся Солнечная система поделена на группы планет, которые располагаются в следующем порядке:
Планеты земной группы:
Газовые планеты – гиганты:
Все планеты, представленные в списке, отличаются строением, имеют различные астрофизические параметры. Какая планета больше или меньше других? Размеры планет Солнечной системы различны. Первые четыре объекта, схожих по своему строению с Землей, имеют твердую каменную поверхность, наделены атмосферой. Меркурий, Венера и Земля являются внутренними планетами. Марс замыкает эту группу. Следом за ним идут газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — плотные, шарообразные газовые образования.
Расположение планет
Процесс жизни планет Солнечной системы не прекращается ни на секунду. Те планеты, которые сегодня мы видим на небосклоне – это то расположение небесных тел, которое имеет планетарная система нашей звезды на текущий момент. То состояние, которое было на заре формирования солнечной системы разительно отличается от того, что изучено сегодня.
Об астрофизических параметрах современных планет свидетельствует таблица, где указано также и расстояние планет Солнечной системы до Солнца.
Таблица
Существующие планеты Солнечной системы имеют примерно одинаковый возраст, однако есть теории о том, что вначале планет было больше. Об этом свидетельствуют многочисленные древние мифы и легенды, описывающие присутствие других астрофизических объектов и катастрофы, приведшие к гибели планеты. Это подтверждает и структура нашей звездной системы, где наряду с планетами присутствуют объекты, являющиеся продуктами бурных космических катаклизмов.
Ярким примером такой деятельности является пояс астероидов, находящийся между орбитами Марса и Юпитера. Здесь сконцентрированы в огромном количестве объекты внеземного происхождения, в основном представленные астероидами и малыми планетами. Именно эти обломки неправильной формы в человеческой культуре считаются остатками протопланеты Фаэтон, погибшей в миллиарды лет назад в результате масштабного катаклизма.
Гибель Фаэтона
На самом деле, в научных кругах бытует мнение, что пояс астероидов образовался в результате разрушения кометы.
Астрономы обнаружили на крупном астероиде Фемида и на малых планетах Церера и Веста, являющиеся самыми крупными объектами пояса астероидов, присутствие воды. Найденный на поверхности астероидов лед может свидетельствовать о кометной природе образования этих космических тел.
Ранее, относящийся к числу больших планет Плутон, сегодня не считается полноценной планетой.
Плутон, который ранее был причислен к большим планетам Солнечной системы, сегодня переведен в размер карликовых небесных тел, вращающихся вокруг Солнца. Плутон вместе с Хаумеа и Макемаке, крупнейшими карликовыми планетами, находится в поясе Койпера.
Пояс Койпера и облако Оорта
Эти карликовые планеты Солнечной системы располагаются в поясе Койпера. Область между поясом Койпера и облаком Оорта является самой отдаленной от Солнца, однако и там космическое пространство не пустует. В 2005 году там обнаружили самое далекое небесное тело нашей Солнечной системы — карликовую планету Эриду.
Процесс исследования самых отдаленных областей нашей Солнечной системы продолжается. Пояс Койпера и Облако Оорта, гипотетически являются пограничными областями нашей звездной системы, видимой границей. Это облако из газа находится на расстоянии одного светового года от Солнца и является районом, где рождаются кометы, странствующие спутники нашего светила.
Земная группа планет представлена ближайшими к Солнцу планетами — Меркурием и Венерой. Эти два космических тела Солнечной системы, несмотря на схожесть в физическом строении с нашей планетой, являются враждебной для нас средой. Меркурий — самая маленькая планета нашей звездной системы, ближе всех расположена к Солнцу.
Тепло нашей звезды буквально испепеляет поверхность планеты, практически уничтожия на ней атмосферу. Расстояние от поверхности планеты до Солнца составляет 57 910 000 км. По своим размерам, всего 5 тыс. км в диаметре, Меркурий уступает большинству крупных спутников, находящимся во власти Юпитера и Сатурна.
Меркурий
Спутник Сатурна Титан имеет диаметр свыше 5 тыс. км, спутник Юпитера Ганимед имеет диаметр 5265 км. Оба спутника по своим размерам уступают только Марсу.
Самая первая планета несется вокруг нашей звезды с огромной скоростью, совершая полный оборот вокруг нашего светила за 88 земных дней. Заметить эту маленькую и шуструю планету на звездном небосводе практически невозможно из-за близкого присутствия солнечного диска. Среди планет земной группы именно на Меркурии наблюдаются самые крупные суточные перепады температур. Тогда как поверхность планеты, обращенная к Солнцу, раскаляется до 700 градусов по Цельсию, обратная сторона планеты погружена во вселенский холод с температурами до -200 градусов.
Главное отличие Меркурия от всех планет Солнечной системы – его внутреннее строение. У Меркурия самое крупное железоникелевое внутренне ядро, на которое приходится 83% массы всей планеты. Однако даже нехарактерное качество не позволило Меркурию иметь собственные естественные спутники.
Следом за Меркурием располагается самая ближайшая к нам планета – Венера. Расстояние от Земли до Венеры составляет 38 млн. км, и она очень схожа на нашу Землю. Планета обладает практически таким же диаметром и массой, немного уступая по этим параметрам нашей планете. Однако во всем остальном, наша соседка в корне отличается от нашего космического дома. Период оборота Венеры вокруг Солнца составляет 116 земных дней, а вокруг собственной оси планета вертится крайне медленно. Средняя температура поверхности вращающейся вокруг своей оси за 224 земных суток Венеры составляет 447 градусов Цельсия.
Поверхность Венеры
Как и ее предшественница, Венера лишена физических условий, способствующих существованию известных форм жизни.
Планету окружает плотная атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа и азота. И Меркурий, и Венера — единственные из планет Солнечной системы, которые лишены естественных спутников.
Земля является последней из внутренних планет Солнечной системы, находясь от Солнца примерно на расстоянии в 150 млн. км. Наша планета делает один оборот вокруг Солнца за 365 дней. Вращается вокруг собственной оси за 23,94 часа. Земля является первым из небесных тел, расположенным на пути от Солнца к периферии, которое имеет естественный спутник.
Земля
Отступление: Астрофизические параметры нашей планеты хорошо изучены и известны. Земля является крупнейшей и самой плотной планетой из всех других внутренних планет Солнечной системы. Именно здесь сохранились естественные физические условия, при которых возможно существование воды. Наша планета обладает стабильным магнитным полем, удерживающим атмосферу. Земля является самой хорошо изученной планетой. Последующее изучение в основном имеет не только теоретический интерес, но и практический.
Замыкает парад планет земной группы Марс. Последующее изучение этой планеты имеет в основном не только теоретический интерес, но и практический, связанный с освоением человеком внеземных миров. Ученых-астрофизиков привлекает не только относительная близость этой планеты к Земле(в среднем 225 млн. км), но и отсутствие сложных климатических условий. Планета окружена атмосферой, правда пребывающей в крайне разреженном состоянии, располагает собственным магнитным полем и перепады температур на поверхности Марса не столь критические, как на Меркурии и на Венере.
Марс со своими спутниками
Как и Земля, Марс имеет два спутника — Фобос и Деймос, естественная природа которых в последнее время подвергается сомнению. Марс является последней четвертой планетой с твердой поверхностью в Солнечной системе. Следом за поясом астероидов, который является своеобразной внутренней границей Солнечной системы, начинается царство газовых гигантов.
Вторая группа планет, входящих в состав системы нашей звезды имеет ярких и крупных представителей.
Это самые крупные объекты нашей Солнечной системы, которые считаются внешними планетами. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун наиболее удалены от нашей звезды, громадны по земным меркам и их астрофизические параметры. Отличаются эти небесные тела своей массивностью и составом, который в основном имеет газовую природу.
Газовые гиганты
Главные красавцы Солнечной системы — Юпитер и Сатурн. Общей массы этой пары гигантов вполне бы хватило, чтобы уместить в ней массу всех известных небесных тел Солнечной системы. Так Юпитер — самая большая планета Солнечной системы — весит 1876.64328 · 1024 кг, а масса Сатурна составляет 561.80376 · 1024 кг. Эти планеты имеют больше всего естественных спутников. Некоторые из них, Титан, Ганимед, Каллисто и Ио — самые крупные спутники Солнечной системы и по своим размерам сравнимы с планетами земной группы.
Юпитер и его спутники
Самая большая планета Солнечной системы — Юпитер — имеет диаметр, составляющий 140 тыс. км. По многим параметрам Юпитер больше напоминает несостоявшуюся звезду – яркий пример существования малой Солнечной системы.
Об это говорят размеры планеты и астрофизические параметры — Юпитер всего в 10 раз меньше нашей звезды,. Планета вращается вокруг собственной оси достаточно быстро – всего 10 земных часов. Поражает и количество спутников, которых на сегодняшний день выявлено 67 штук. Поведение Юпитера и его спутников очень похоже на модель Солнечной системы. Такое количество естественных спутников у одной планеты ставит новый вопрос, сколько было планет Солнечной системы на раннем этапе ее формирования. Предполагается, что Юпитер, обладая мощным магнитным полем, превратил некоторые планеты в свои естественные спутники. Некоторые из них — Титан, Ганимед, Каллисто и Ио — самые крупные спутники Солнечной системы и по своим размерам сравнимы с планетами земной группы.
Немногим уступает по своим размерам Юпитеру его меньший брат — газовый гигант Сатурн.
Эта планета, как и Юпитер, состоит в основном из водорода и гелия — газов, являющихся основой нашей звезды. При своих размерах, диаметр планеты составляет 57 тыс. км, Сатурн также напоминает протозвезду, которая остановилась в своем развитии. Количество спутников у Сатурна немногим уступает количеству спутников Юпитера — 62 против 67. На спутнике Сатурна Титане, так же как и на Ио — спутнике Юпитера — имеется атмосфера.
Сатурн и его спутники
Другими словами, самые крупные планеты Юпитер и Сатурн со своими системами естественных спутников сильно напоминают малые солнечные системы, со своим четко выраженным центром и системой движения небесных тел.
За двумя газовыми гигантами идут холодные и темные миры, планеты Уран и Нептун. Эти небесные тела находятся на удалении 2,8 млрд. км и 4,49 млрд. км. от Солнца соответственно. В силу огромной удаленности от нашей планеты, Уран и Нептун были открыты сравнительно недавно. В отличие от двух других газовых гигантов, на Уране и Нептуне присутствует в большом количестве замерзшие газы — водород, аммиак и метан.
Эти две планеты еще называют ледяными гигантами. Уран меньше по размерам, чем Юпитер и Сатурн и занимает третье место в Солнечной системе. Планета представляет собой полюс холода нашей звездной системы. На поверхности Урана зафиксирована средняя температура -224 градусов Цельсия. От других небесных тел, вращающихся вокруг Солнца, Уран отличается сильным наклоном собственной оси. Планета словно катится, вращаясь вокруг нашей звезды.
Как и Сатурн, Уран окружает водородно-гелиевая атмосфера. Нептун в отличие от Урана, имеет другой состав. О присутствии в атмосфере метана говорит синий цвет спектра планеты.
Уран и Нептун
Обе планеты медленно и величаво двигаются вокруг нашего светила. Уран оборачивается вокруг Солнца за 84 земных лет, а Нептун оббегает вокруг нашей звезды вдвое дольше — 164 земных года.
Наша Солнечная система представляет собой огромный механизм, в котором каждая планета, все спутники Солнечной системы, астероиды и другие небесные тела двигаются по четко уставленному маршруту.
Здесь действуют законы астрофизики, которые не меняются вот уже 4,5 млрд. лет. По внешним краям нашей Солнечной системы двигаются в поясе Койпера карликовые планеты. Частыми гостями нашей звездной системы являются кометы. Эти космические объекты с периодичностью 20-150 лет посещают внутренние области Солнечной системы, пролетая в зоне видимости от нашей планеты.
Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Автор статьи:
Метальников АлександрВоенный историк. Люблю писать на военные темы, описывать исторические события, известные сражения.
Свежие публикации автора:
С друзьями поделились:
Теория захвата дает планетное образование посредством приливного взаимодействия между конденсированной звездой и диффузным протозвезды внутри плотного встроенного кластера.
Начальные обширные и высоко эксцентричные планетарные орбиты округляются и распадаются в околозвездном диске материала, захваченного протонаром. Коллапсирующие протопланеты оставляют за собой околопланетный диск, внутри которого спутники образуют процесс аккреции. Многие свойства экзопланет — орбиты, очень близкие к звездам, очень эксцентричные орбиты, очень близкие к звездам, планеты с двойными звездами, доля звезд с планетами и спин-орбитальные смещения прямо объясняются с точки зрения этой модели. Предполагается, что исходная Солнечная система содержала шесть основных планет, существующие четыре плюс «Беллона» с массой 2,5 MJ и Enyo с массой 1,9 MJ, где MJ — масса Юпитера. Продукты столкновения между двумя дополнительными планетами объясняют многие особенности Солнечной системы — более крупные земные планеты, Марс и Меркурий (подробнее о Планете Меркурий) и их характеристики, отношения Земля-Луна и поверхности Луны, образование астероидов, комет и карликовых планет, формирование пояса Койпера и облака Оорта, связь между Нептуном, Плутоном и Тритоном, характеристики ледниковых гигантов и изотопические аномалии в метеоритах.
Все механизмы, участвующие в этих процессах, хорошо понимаются и встречаются в других астрономических контекстах.
Когда Солнечная система была единственной известной планетной системой, и не было доказательств существования планет вокруг других звезд, теории происхождения Солнечной системы не были ограничены необходимостью того, чтобы теория делала планетарные системы обычными. Уже более 50 лет развиваются две теории, первоначально связанные с образованием солнечной системы, но которые теперь, со знанием существования нескольких тысяч экзопланет, стали общими теориями формирования планет. Первая из них — Теория туманностей (НТ), которая является настоящим стандартом и общепринятой теорией, — это монистическая теория, предполагающая, что и звезда, и ее планеты происходят из одной газовой туманности. Вторая, менее известная, — Теория Захвата (КТ), дуалистическая теория, которая предлагает, чтобы звезда и планеты были получены из отдельных источников материала.
Временное развитие различных аспектов КТ было несколько случайным, под влиянием ограничений и информации из новых наблюдений по мере их возникновения, поэтому цель этого обзора состоит в том, чтобы описать в логической последовательности, как каждый шаг в формировании планет имеет причинной связи с тем, что предшествовало ему. Эта причинно-связанная цепочка событий приводит к сценарию, который объясняет многие существующие особенности Солнечной системы в деталях. Целью настоящего обзора не является проведение взвешенных сравнений между КТ и НТ, но разница в подходах двух моделей будет описана в соответствующих контекстах.
Сверхновая сжимает соседнюю межзвездную среду (ISM) ударной волной и вводит в нее материал, некоторые из которых конденсируются в основном субмикронную пыль. Оба эти эффекта приводят к охлаждению пораженной области ISM из-за радиационного охлаждения пыли (Хаяши, 1966) и охлаждения через возбуждение молекул, атомов и ионов электронными столкновениями (Ситон, 1955).
Скорость охлаждения увеличивается с увеличением плотности и уменьшается с понижением температуры. Охлаждение уменьшает локальное давление, и последующий приток материала ISM дополнительно увеличивает плотность. В конечном итоге высокоплотная низкотемпературная область создается в равновесии давления с внешним ISM, который имеет более низкую плотность и более высокую температуру. Этот процесс создания плотного холодного облака (DCC) был смоделирован с использованием гидродинамики сглаженных частиц (SPH) по Голански и Вульфсону (2001).
Если масса облака превышает критическую массу Джинса (Джинс, 1902), тогда она начнет коллапс свободного падения. Некоторая гравитационная энергия, выделяемая коллапсирующим облаком, превращается в турбулентность, свидетельством чему являются доплеровские измерения излучений мазера из звездообразующих областей, что указывает на турбулентные движения со скоростями до 20 км с-1 (Кук, 1977) ). Коллизионные турбулентные газовые потоки генерируют высокоплотные высокотемпературные области, но поскольку охлаждение происходит намного быстрее, чем повторное расширение, создается холодная область высокой плотности, которая при подходящих условиях может разрушаться, образуя звезду (Woolfson, 1979).
Если угловой момент в сжатой области достаточно высок, то он может раздвоиться, образуя двоичную пару, где большая часть углового момента принимается на орбитах составляющих звезд, а не в звездном спине (Woolfson, 2011a).
Солнце и звезды главной последовательности с одинаковой и меньшей массой медленно вращаются, а экваториальная скорость Солнца составляет всего 2 км с-1. Однако исходные экваториальные скорости могут быть намного выше, единственное ограничение состоит в том, что звезда должна быть устойчивой к вращению. Во время стадии T-Tauri развития звезды происходят очень сильные звездные ветры, выходящий ионизированный материал которого связан со звездными линиями магнитного поля и выполняется на расстоянии нескольких звездных радиусов с постоянной угловой скоростью до того, как он отделится. Это усиление момента импульса звездным ветром приводит к уменьшению углового момента звезды, и большинство первоначального звездного момента может быть удалено таким образом (Cole and Woolfson, 2013).
Прогресс звездообразования в галактическом кластере был исследован Уильямсом и Кремином (1969), наблюдая «Юные звездные объекты» (YSOs) в четырех очень молодых кластерах. С позиции YSOs на диаграмме Герцшпрунга-Рассела можно вывести как их массы, так и их возраст с того момента, когда они впервые стали идентифицируемыми протозвездами. Результат этого исследования показан для молодого кластера NGC2264 на рисунке 1. Это показывает, что:
(i) Первые звезды производятся около 8 × 106 лет назад. Ранняя группа считается аберрантной
(ii) Полученные первые звезды имеют среднюю массу, несколько превышающую 1 М
iii) Существует два потока развития: один — с уменьшением массы во времени, а другой, начиная примерно с 5 миллионов лет назад, с увеличением массы с течением времени.
(iv) Скорость образования звезд увеличивается со временем.
Рисунок 1. Массы звезд, созданных в молодом звездном кластере, как функция времени.
Происхождение представляет «сейчас» (после Уильямса и Кремина, 1969)
Поток возрастающей массы со временем может быть связан с моделью Боннелла, Бате и Циннекера (2005) для образования массивных звезд за счет агрегации меньших звезд массы или протозвезды в плотной звездной среде.
Типичный новообразованный протозвезды может иметь радиус 2000 au, плотность 10-14 кг m-3 и температуру 20 К, что соответствует массе несколько более 0,5 М. Время свободного падения для такого тела равно tff = 21000 лет, и в течение большей части этого периода он останется расширенным объектом; после времени 0,8 tff (~ 17 000 лет) его радиус упадет до 1,000 au.
Формирующее скопление звезд, погруженных в газ облака, считается во встроенном состоянии. По мере образования звезд облако вместе с содержащимися звездами продолжает разрушаться под самогравитацией, так что плотность звездного числа (SND) неуклонно возрастает. Излучение от образующих звезд медленно вытесняет газ из облака, но, когда самые массовые звезды становятся сверхновых после нескольких миллионов лет, скорость вытеснения газа значительно возрастает.
Освободившись от гравитационного влияния газа, кластер звезд начинает расширяться. В 90% случаев он будет неограниченно расширяться, чтобы дать звезд поля и полевые двоичные системы. В других 10% случаев галактический звездный кластер, обычно содержащий несколько сотен звезд, образуется в квазиравновесном состоянии; в течение 108 или более лет он постепенно испаряется, заканчиваясь небольшой стабильной звездной системой.
Максимальное SND, достигнутое в плотном встроенном состоянии кластера, может быть чрезвычайно высоким; по оценкам, ядро кластера Трапеция в туманности Ориона имеет SND несколько раз 104 pc-3. Моделирование эволюции звездообразующего облака Bonnell, Bate and Vine (2003) с использованием SPH высокой четкости показало, что на последних этапах краха, длительностью около 5 миллионов лет, облако распалось на фрагменты каждый из которых содержит десятки звезд, внутри которых SND составлял до 2 × 105 pc-3, хотя средний SND всего облака был на два порядка меньше.
Впоследствии фрагменты расширяются и объединяются, образуя более крупные фрагменты, но эти более крупные фрагменты сближаются, так что, хотя пик SND внутри фрагментов уменьшает среднее значение SND в целом, увеличивается. В конце моделирования было 400 звезд в пяти фрагментах с максимальным SND фрагмента, несколько превышающим 2 × 104 pc-3, и SND с полным облаком достигла пика на 2 × 104 pc-3.
Средняя скорость звезд в плотном встроенном кластере составляет около 1 км с-1 (Гайдос, 1995), поэтому в 17 000 лет, в течение которого это расширенный объект радиуса от 1000 до 2000 au, протозвезды могут путешествовать более 3000 au. Для SND 2 × 104 pc-3 среднее расстояние между звездами составляет чуть более 8000 au. Из размеров протозвезд, расстояний, которые они перемещают как расширенные объекты и SND, которые могут возникнуть, ясно, что могут иметь место близкие подходы к расширенным протозвездам и конденсированным звездам.
То, что мы сейчас рассматриваем, — это приливное взаимодействие между расширенным протозвезды и компактной YSO или звездой главной последовательности.
Anderson D. R. et al. (2010) Astrophys. J., 709, 159-167
Armitage, P.J. and Clarke, C.J. (1996) Mon. Not. R. Astr. Soc., 280, 458-468 Bailey, M.E. (1983) Mon. Not. R. Astr. Soc., 204, 603-633
Bailey, V et al. (2014) Astrophys. J. L., 780 L4.
Benz, W., Slattery, W.L. and Cameron, A.G.W. (1986) Icarus, 66, 515-535
Bonnell, I.A, Bate, M.R. and Vine, S.G. (2003) Mon. Not. R. Astr. Soc., 349, 413-418. Bonnell, I.A., Bate, M.R. and Zinnecker, R. (2005) Proc. I,A.U. Sympoaium, No.227, eds. R.
Cesaroni, M. Felli, E, Churchwell and C,M. Walmsley Borucki, N.J. et al. (2011) Astrophys. J., 736, 19-40
Cole, G.A.H. and Woolfson, M.
M. (2013) Planetary Science: The Science of Planets around Stars, 2nd Ed. p. 501, CRC Press, Boca Raton
Cook, A.H. (1977) Celestial masers, Cambridge University Press: Cambridge D’Angelo, G. and Lubow, S.H. (2010) Astrophys. J. 724, 730-747.
Dormand, J.R. and Woolfson, M.M. (1977) Mon. Not. R. Astr. Soc., 180, 243-279 Fabrycky, D.C. and Tremaine, S., (2007) Astrophys. J. 669, 1298-1315 Feuchtgruber, H. et al., 2013, arXiv:1301.5781[astro-ph.Ep]
Fowler, W.A., Caughlan, G.R. and Zimmerman, B. (1967) Ann. Rev. Astron. Ap., 5, 525-576. Fowler, W.A., Caughlan, G.R. and Zimmerman, B. (1975) Ann. Rev. Astron. Ap., 13, 69-112. Gaidos, E.J. (1995) Icarus, 114, 258-268
Golanski, Y. and Woolfson, M.M. (2001) Mon. Not. R. Astr. Soc., 320, 1-11. Goldreich, P. and Ward, W.R. (1973) Astrophys. J. 183, 24-26.
Hayashi, C. (1966) Ann. Rev. Astron. Astrophys., 4, 171-192
Head, J.
W. (1976) Reviews of Geophysics and Space Physics, 14, 265-300
Heller, R., htpp//ooo.aip.de/People/rheller/content/main_spinorbit.html, 20th June, 2013.
Planet formation and the evolution of the Solar System
M M WOOLFSON
University of York, Heslington, York YO10 5DD, UK
Дидактическая структура урока* | Деятельность учителя | Деятельность учеников | Задания для учащихся, выполнение которых приведет к достижению планируемых результатов | Планируемые результаты | |||||||||||||
Организационный момент | Приветствие учащихся, проверка готовности уч-ся к уроку. | Приветствие учителя, подготовка к уроку | |||||||||||||||
1. Актуализации новых знаний. | Задаёт вопросы на связь нового материала с ранее изученной темой. | Отвечают на вопросы. Высказывают своё мнение | Что такое Вселенная? Какой древнегреческий учёный, первый предположил, что Земля вовсе не плоская, а имеет форму шара? Назовите польского астронома, который наблюдая, за звездами и планетами, сделав математические расчеты, пришёл к выводу, что Земля обращается вокруг Солнца? Кто из древнегреческих учёных считал, что в центре Вселенной расположена неподвижная Земля вокруг, которой вращаются восемь небесных сфер, а на них неподвижно закреплены небесные тела: планеты, Луна, Солнце, звёзды? Какой итальянский учёный считал, что у Вселенной нет центра, а Солнце это центр Солнечной системы? | К. П.:ориентироваться в своей системе знаний | |||||||||||||
2.Постановка учебной проблемы. | Организует работу учащихся по определению учебной проблемы. Предлагает учащимся ответить на вопросы. Подводит детей к постановке учебной проблемы | Отвечают на вопросы учителя, высказывают свою точку зрения, формулируют учебную проблему. | Скажите люди, какой профессии могут путешествовать во Вселенной? На какой планете мы живём? Как вы думаете, есть ли другие планеты? Существует ли жизнь на других планетах? Можем ли мы сейчас ответить на этот вопрос? | К. организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками, общаться и взаимодействовать друг с другом, высказывать свое мнение П.: ориентироваться в своей системе знаний, определять проблему | |||||||||||||
3. | Организует работу учащихся со схемой в учебнике стр52 «Схема Солнечной системы» Подводит учащихся к теме урока. Учащиеся отвечают на вопросы, и формулирует тему ицели урока. | Отвечают на вопросы, работают со схемой Солнечной системы в учебнике, анализируют ответы, высказывают свою точку зрения по поводу темы и цели урока. | Можем мы назвать Землю соседкой Солнца? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим на рисунок на стр. 52 учебника, демонстрирующий схему Солнечной системы. Назовите планеты, являющиеся соседями Солнца. Подумаем, какая тема сегодняшнего урока? У кого какие предположения? Как вы считаете, какая будет цель нашего урока? О чём сегодня нам необходимо узнать? | Р.:самостоятельно выделять и формулировать тему и цель К.:организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками, выражать своё мнение | |||||||||||||
4. | Организует работу учащихся со схемой Солнечной системы в учебнике стр52 по определению понятия «солнечная система» | Работают со схемой Солнечной системы. Отвечают на вопросы, анализируя схему Солнечной системы, делают выводы. | Сколько планет является соседями Солнца? Что объединяет эти планеты? Какое значение для планет имеет солнце? Что является центром для этих планет? Что ещё, кроме планет нарисовано на нашей схеме? Какой вывод мы можем сделать? Чем планеты отличаются друг от друга? Можем ли мы разделить планеты на 2 группы? Назовите планеты гиганты? Назовите планеты земной группы | Р.:планировать свою деятельность под руководством учителя П.:добывать новую информацию из учебника, делать анализ | |||||||||||||
Организует работу учащихся по работе с учебником для выявления особенностей планет Солнечной системы. | Отвечают на вопросы учителя. Работают с учебником стр.53-54 и заносят в таблицу данные о планетах Солнечной системы. | На какой вопрос мы не смогли с вами ответить? Чтобы узнать, есть ли жизнь на других планетах, что нам нужно знать? Характеристика планет Солнечной системы
| П. Р.:работать в соответствии с поставленной задачей П.:научиться составлять характеристику планет по плану | ||||||||||||||
Предлагает учащимся продемонстрировать итоги своей деятельности | Представляют результаты своей деятельности, обмениваясь работами. | На слайде образец заполнения таблицы. | П.:делать анализ;ориентироваться в своей системе знаний Р.:оценивать свою работу и работу одноклассников К.:общаться и взаимодействовать друг с другом | ||||||||||||||
Подводит учащихся к решению проблемы | Отвечают на вопросы учителя, формулируют вывод об отличии Земли от других планет. | На какой вопрос мы не смогли ответить в начале урока? Почему на планете Земля есть жизнь? Скажите, на какой планете из планет Солнечной системы может существовать жизнь? Почему? Как мы нашли ответ на этот вопрос? | П. Р.:сравнивать полученные результаты с ожидаемыми | ||||||||||||||
5.Закрепление нового материала | Задаёт вопросы на усвоение и закрепление новых знаний. | Отвечают на вопросы учителя о Солнечной системе и планетах земной группы, закрепляя пройденный материал | На слайде планеты Солнечной системы и вопросы: Что такое Солнечная система? На какие две группы делят планеты Солнечной системы? Назовите планеты земной группы. Какая планета земной группы расположена ближе всех к Солнцу, а какая дальше? Какая планета земной группы самая маленькая, а какая самая большая? В чём заключается главное отличие земли от других планет? Какие планеты солнечной системы имеют спутники? | П.:называть планеты земной группы и планеты-гиганты,объяснять главное отличие Земли от других планет П. | |||||||||||||
6.Контроль | Учитель организует работу учащихся на выполнение теста по пройденному материалу. Организует у учащихся взаимопроверку теста. | Выполняют работу по выполнению теста «Солнечная система» Обмениваются работами для взаимопроверки. Правильные ответы с критериями оценки на слайде. | Тест «Солнечная система» 1.Сколько планет входит в Солнечную систему? 1) 4 2) 6 3) 8 4) 10 2.Сколько спутников имеет Марс? 1) 1 2) 2 3) 3 4) 4 3.Какая планета расположена ближе всего к Солнцу? 1) Меркурий 2)Венера 3)Земля 4)Марс 4.Планета солнечной системы, на которой есть жизнь. 1)Венера 2)Земля 3)Марс 4)Меркурий 5.На какой планете средняя температура -700? 1) Меркурий 2)Венера 3)Земля 4)Марс 6.У какой планеты поверхность занимают в основном холмистые равнины? 1)Венера 2)Земля 3)Марс 4)Меркурий | Р. К.:организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками,общаться и взаимодействовать друг с другом | |||||||||||||
7.Рефлексия | Учитель задаёт вопросы | Учащиеся отвечают на вопросы | Что нового вы узнали на уроке? Что показалось сложным? Как вы оцениваете свою деятельность на уроке? Кто оценивает свою работу на уроке на отлично — поднимают красные жетоны, на хорошо — зелёные. Кто считает, что сегодня, мог бы поработать лучше, показывают синие жетоны. | Л: мотивация к познавательной деятельности Р.:оценивать свою работу и работу одноклассников | |||||||||||||
8.Итоги урока | Комментирует оценки за урок, даёт домашнее задание. | Учащиеся записывают в дневник домашнее задание. | Выполнить задание на стр. 26-27 рабочей тетради. |
Земля совершит полный оборот вокруг Солнца за 365 дней. Мы называем продолжительность обращения вокруг Солнца годом, но, чтобы облегчить жизнь, в большинстве лет 365 дней, а в каждом 4-м году — 366 дней. Мы называем год с 366 днями високосным. Дополнительный день — 29 февраля. 2012 год был високосным, а 2016 и 2020 годы будут високосными.
Та же сила, которая удерживает вас на поверхности Земли, чтобы вы не уплыли при прыжке, — вот что заставляет Луну вращаться вокруг Земли, а Землю — вокруг Солнца.Эта сила называется гравитация , и первым человеком, обнаружившим ее существование, был сэр Исаак Ньютон в 17 веке.
Земля — единственная планета, на которой, как мы знаем, жили растения и животные.
На некоторых планетах нет воздуха для дыхания, а на других либо слишком жарко, либо слишком холодно. Некоторые ученые считают, что существа, возможно, жили на Марсе миллионы лет назад, когда Марс был теплее и на нем было больше воздуха, — они пытаются найти доказательства, подтверждающие, что это правда.
До 2006 года люди думали, что в Солнечной системе девять планет. Девятой планетой был Плутон, и он даже дальше от Солнца, чем Нептун. Астрономы решили, что Плутон слишком мал, чтобы его можно было назвать планетой, поэтому сейчас планет всего восемь.
Солнце — звезда, огромный шар из очень горячего газа. Температура Солнца составляет около 5 500 ° C — оно настолько горячее, что вы можете почувствовать тепло от него на Земле, находящейся за миллионы миль от нас, и увидеть излучаемый им свет.Солнцу около 4,5 миллиардов лет и просуществует до 10 миллиардов лет.
В Млечном Пути более 100 миллиардов звезд, и есть много разных типов звезд. Наше Солнце относится к типу «желтый карлик».
Ученые группируют звезды по размерам и яркости. Некоторые примеры — красные карлики и сверхгиганты. Красный карлик — это звезда размером примерно в половину Солнца и намного менее яркая, чем Солнце. Звезда-сверхгигант примерно в 70 раз больше Солнца и может быть в 100 000 раз ярче.
Ближайшая к Земле звезда после Солнца — Проксима Центури. Это красный карлик, который меньше и холоднее нашего Солнца и излучает гораздо меньше света. Несмотря на то, что это ближайшая звезда за пределами Солнечной системы, свет от нее слишком слаб, чтобы его можно было увидеть без помощи телескопа. Проксима Центури находится в 24 триллионах миль от Земли, и свету требуется четыре года и три месяца, чтобы достичь Земли.
Меркурий — это ближайшая к Солнцу планета.Это самая маленькая планета, сделанная из камня. Он настолько близок к Солнцу, что ему требуется всего 88 дней, чтобы завершить свою орбиту, и он намного горячее, чем Земля.
Венера — Венера — следующая планета от Солнца после Меркурия.
Он тоже сделан из камня. Как и Земля, у Венеры есть атмосфера (воздух) вокруг нее, но она намного толще, чем у Земли, а Венера постоянно покрыта облаками. Венера — самая горячая планета со средней температурой 460 ° C. Он примерно такого же размера, как Земля.Облет Солнца занимает 225 дней.
Земля — Здесь мы живем! Земля состоит из камня и является единственной планетой, где вода жидкая. Остальные планеты либо слишком горячие, либо слишком холодные. Земля совершает оборот вокруг Солнца за 365 дней.
Марс — Марс немного меньше Земли, но намного дальше. Раньше у него была такая же атмосфера, как у Земли и Венеры, но теперь ее мало. Марс имеет красноватый цвет, и его иногда называют «красной планетой».Марсу требуется 687 дней, чтобы завершить свой оборот вокруг Солнца, а средняя температура составляет -63 ° C.
Юпитер — Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе. Внутри Юпитера можно разместить 1321 Землю.
Он сделан из газа и является одним из четырех «газовых гигантов». У Юпитера 66 спутников; один из них, Ганимед, больше Меркурия. Юпитер находится в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, и ему требуется почти 12 лет, чтобы облететь Солнце.
Сатурн — Сатурн известен своими кольцами.Кольца были впервые обнаружены (с помощью телескопа) в 1610 году Галилеем и состоят из огромного количества небольших кусков льда и пыли (в основном льда). Кусочки в кольцах могут быть от миллиметра до нескольких метров в диаметре. Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы и еще один из «газовых гигантов», подобных Юпитеру. Облет Солнца занимает 29,5 лет.
Уран — Уран — еще один из «газовых гигантов». Внутри Урана можно разместить 63 планеты размером с Землю.Уран обращается по орбите вокруг Солнца за 84 года и является самой холодной планетой со средней температурой -220 ° C.
Нептун — Нептун — самая дальняя планета от Солнца.
Он в 30 раз дальше от Солнца, чем Земля, и за 165 лет, чтобы облететь его вокруг Солнца. Нептун — последний из четырех «газовых гигантов», его объем в 58 раз больше Земли.
Астероид — Астероиды — это тела из камня и льда в космосе. Миллионы астероидов вращаются вокруг Солнца — между Марсом и Юпитером.Они различаются по размеру от 1 метра до 600 миль в поперечнике.
Атмосфера — слой газа вокруг планеты
Комета — комета представляет собой тело из льда, пыли и кусочков камня, которое проходит через космос, оставляя за собой ледяной и пыльный хвост. Комета может достигать 25 миль в поперечнике.
День — промежуток времени, за который Земля совершает полный оборот, чтобы получить ночь и день — 24 часа.
Галактика — большая группа звезд, вращающихся вокруг центральной точки.
Гравитация — сила, притягивающая луну к планете или планету к звезде.
Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. 5,9 триллиона миль
Метеор — небольшой кусочек космического мусора размером до валуна
Млечный Путь — галактика, в которой мы живем
Луна — Луна — это меньший объект, вращающийся вокруг планеты. На некоторых планетах много лун. У Земли есть только один, под названием Луна.
Орбита — путь, по которому планета движется вокруг Солнца, или путь, по которому луна движется вокруг планеты
Планета — большое тело из камня или газа, которое движется по постоянной орбите вокруг звезды
Падающая звезда — Это не совсем звезда! Падающая звезда — это метеор, который проходит через атмосферу Земли и становится настолько горячим, что светится в ночном небе.
Солнечная система — Солнце и совокупность звезд
Звезда — Звезда представляет собой огромный шар из очень горячих газов, излучающий много света и тепла.
У некоторых звезд есть планеты, вращающиеся вокруг них, но не все.
Солнце — звезда в нашей Солнечной системе
Вселенная — Вселенная — это все, что существует: все галактики, все звезды, все планеты и все, что находится между
годом — период времени, который занимает Путешествие Земли вокруг Солнца, 365 дней
1.Просмотрите порядок и относительные размеры планет в нашей солнечной системе.
Покажите иллюстрацию НАСА: Все размеры планет. Попросите учащихся указать местонахождение Земли. Затем предложите им определить все планеты, расположенные снаружи от Солнца (слева направо): внутренние планеты Меркурий, Венера, Земля, Марс; внешние планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Напомните студентам, что Плутон больше не считается планетой в нашей солнечной системе; В 2006 году ей был присвоен статус карликовой планеты.
Укажите местоположения пояса астероидов (между Марсом и Юпитером) и пояса Койпера (после Плутона), если они были включены в эту иллюстрацию. Объясните студентам, что на иллюстрации показаны планеты в относительном размере. Спросите: Что, по вашему мнению, означает относительный размер? Объясните учащимся, что картинки показывают, насколько велики планеты по сравнению друг с другом и с Солнцем. Спросите: Какая планета самая маленькая? (Меркурий) Какой самый большой? (Юпитер)
2.Попросите учащихся собрать данные и сравнить размеры планет.
Разделите учащихся на небольшие группы. Раздайте по одной копии таблицы «Сравнение планетарных размеров» каждой группе. Попросите группы использовать интерактивный метод «Сравнение размеров планет» для поиска и записи данных о диаметрах и соотношениях планет. Спросите:
)Предложите учащимся обсудить ответы в своих небольших группах. Затем соберите все вместе, чтобы обсудить идеи студентов.
3. Постройте фон об астрономической единице (AU).
Объясните студентам, что астрономическая единица или AU — это упрощенное число, используемое для описания расстояния планеты от Солнца. Это единица длины, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца, примерно 149 600 000 километров (92 957 000 миль).
Только Земле можно присвоить AU 1. У более удаленных планет будет AU больше 1; у ближайших планет будет меньше 1. Спросите: Как вы думаете, почему ученые считают полезным использовать астрономические единицы? (Возможный ответ: расстояния в солнечной системе очень большие.Использование AU помогает держать числа управляемыми или меньшими, поэтому мы можем легко вычислить очень большие расстояния.) Какие проблемы возникают при использовании вместо них километров или миль? (Возможный ответ: использование километров или миль усложнит вычисления и может привести к ошибкам в измерениях, необходимых для точной отправки зонда или посадочного модуля на другую планету.) Объясните учащимся, что астрономическая единица обеспечивает способ выразить и связать расстояния между объектами в солнечной системе и проводить астрономические расчеты.Например, утверждение, что планета Юпитер находится на расстоянии 5,2 а.е. (5,2 земных расстояния) от Солнца, а Плутон — почти 40 а.е., позволяет вам легче сравнивать расстояния до всех трех тел.
4. Начните с моделирования.
Скажите ученикам, что они собираются заменить планеты и планетарные объекты, чтобы создать модель относительных размеров планет и относительных расстояний. Покажите иллюстрацию НАСА: Насколько велико Солнце? чтобы дать учащимся представление об относительных размерах планет по сравнению с обычным предметом, таким как баскетбольный мяч.Убедитесь, что учащиеся понимают, что расстояния между планетами очень большие по сравнению с размерами каждой планеты. Это чрезвычайно затрудняет создание точного масштаба нашей солнечной системы, поэтому в этом упражнении мы сосредоточимся на сравнении расстояний.
5. Попросите группы создать модели относительных планетарных расстояний.
Разделите учащихся на группы по 9, 10 или 11 человек, в зависимости от размера класса. (Если 9, один ученик представляет Солнце, а остальные ученики представляют 8 планет; Если 10, Солнце, планеты и пояс астероидов; Если 11, Солнце, планеты, пояс астероидов и пояса Койпера) Отведите учеников на большую территорию , например спортзал или пустая автостоянка.
Каждой группе потребуется достаточно места, чтобы разложиться и создать свою модель в следующем масштабе, каждый шаг которого составляет примерно 1 метр (примерно 3,28 фута):
Подчеркните, что в этом масштабе солнце было бы меньше единицы.3 сантиметра (0,5 дюйма) в диаметре. Попросите учащихся описать, что они замечают в планетных расстояниях от модели. При необходимости позвольте одному ученику из каждой группы поставить предмет на свое место и пройтись по модели своей группы, чтобы сделать наблюдения.
6.
Попросите учащихся установить математическую связь.
Раздайте копии рабочего листа «Выход из Солнечной системы» среди каждой группы. Попросите учащихся пересчитать количество шагов для орбиты каждой планеты в зависимости от размера доступной области.Используйте предоставленный ключ ответа, чтобы проверить работу групп. Затем попросите учащихся воссоздать модель.
Duschl, R.A., and R.J. Гамильтон, ред. 1992. Философия науки, когнитивной психологии и педагогической теории и практики. Олбани, штат Нью-Йорк: Государственный университет Нью-Йорка.
Глейзер, Р. 1984. Образование и мышление: роль знания. Американский психолог, 39 (2): 93-104.
Гросслайт, Л., К. Унгер, Э. Джей и К.Л. Смит. 1991. Понимание моделей и их использование в науке: концепции учащихся средних и старших классов и экспертов. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 799-822.
Hewson, P.W., and N.R. Торли. 1989. Условия концептуального изменения на уроках. Международный журнал естественнонаучного образования, 11 (5): 541-553.
Ходсон, Д. 1992. Оценка практической работы: некоторые соображения по философии науки.Наука и образование, 1 (2): 115-134.
Ходсон Д. 1985. Философия науки, естествознания и естественнонаучного образования. Исследования в области естественно-научного образования, 12: 25-57.
Kyle, W. C. Jr. 1980. Различие между исследованием и научным исследованием и почему старшеклассники должны осознавать это различие. Журнал исследований в области преподавания естественных наук, 17 (2): 123-130.
Лонгино, Е. 1990. Наука как социальное знание: ценности и объективность в научных исследованиях.Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
Mayer, W.V., ed. 1978. Справочник учителя биологии BSCS, третье издание. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.
Metz, K.E. 1991. Развитие объяснения: постепенные и фундаментальные изменения в детских знаниях физики. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 785-797.
NRC (Национальный исследовательский совет). 1988. Улучшение показателей качества естественно-математического образования в классах K-12.Р.Дж. Murnane, S.A. Raizen, ред. Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы.
NSRC (Национальный центр научных ресурсов). 1996. Ресурсы для преподавания естественных наук в начальной школе. Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия прессы.
Ohlsson, S. 1992. Познавательные навыки формулирования теории: забытый аспект научного образования. Наука и образование, 1 (2): 181-192.
Рот, К.Дж. 1989. Научное образование: недостаточно «делать» или «относиться». Американский педагог, 13 (4): 16-22; 46-48.
Резерфорд, Ф.Дж. 1964. Роль исследования в преподавании естественных наук.
Журнал исследований в области преподавания естественных наук, 2: 80-84.
Шаубле, Л., Л.Е. Клопфер, К. Рагхаван. 1991. Переход студентов от инженерной модели к научной модели экспериментов. [Специальный выпуск] Journal of Research in Science Teaching, 28 (9): 859-882.
Schwab, J.J. 1958. Преподавание науки как исследования. Бюллетень ученых-атомщиков, 14: 374-379.
Schwab, J.J. 1964. Преподавание науки как исследования. В «Преподавании науки» Дж. Дж. Шваб и П.Ф. Брандвейн, ред .: 3-103. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета.
Welch, W.W., L.E. Клопфер, Г.С.Айкенхед и Дж. Робинсон. 1981. Роль исследования в естественно-научном образовании: анализ и рекомендации. Научное образование, 65 (1): 33-50.
Физические науки, науки о жизни, Земли и космоса AAAS (Американская ассоциация развития науки).1993. Ориентиры для научной грамотности. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
AAAS (Американская ассоциация развития науки). 1989. Наука для всех американцев: отчет проекта 2061 по целям грамотности в науке, математике и технологиях. Вашингтон, округ Колумбия: AAAS.
Земляноцентричная Вселенная Аристотеля и Птолемея господствовала на Западе. думает почти 2000 лет.Затем, в 16 веке возникла «новая» (но помните Аристарха) идея была предложенный польским астрономом Николай Коперник (1473-1543).
| Вселенная Коперника |
| Ретроградное движение в системе Коперника |
Разница заключалась в том, что система Коперника требовала многих
На эпициклов на меньше, чем в системе Птолемея, потому что она переместила Солнце в
центр.Коперник оспорил предположение 1, но не предположение 2. Мы также можем отметить, что модель Коперника неявно ставит под сомнение третий принцип, что объекты в небе были сделаны из особого неизменного материала. Поскольку Земля — это просто еще один планете, в конечном итоге будет естественное развитие идеи, что планеты сделаны из того же материала, что и на Земле.
Коперник был неожиданным революционером. Считается
многими, что
его книга была опубликована только в конце его жизни, потому что он боялся
насмешки и неприязнь со стороны его сверстников и церкви, которая подняла
идеи Аристотеля до уровня религиозной догмы.
Однако этот неохотный революционер начал
привести в движение цепочку событий, которая в конечном итоге (намного позже его жизни)
произвести величайшую революцию
в мышлении, которое видела западная цивилизация.
Его идеи
оставалось малоизвестным в течение примерно 100 лет после его
смерть. Но в 17 веке работы Кеплера, Галилея и Ньютона
будет опираться на гелиоцентрическую Вселенную Коперника и производить
революция, которая полностью смела бы идеи Аристотеля и заменила
их с
современный
взгляд на астрономию и естествознание.Эта последовательность обычно называется Коперниканская революция .
В истории есть много примеров, в том числе в современной раз, когда теория или часть теории предлагается и не приживается изначально, а только позже приносит плоды — и, возможно, с позже сторонник получает признание, которое действительно заслуживает создатель. Я думаю, что пример Аристарха очень острый.
Это применимо здесь, потому что идея Коперника не была новостью!
А Солнцецентрическая Солнечная система была предложена еще около 200 г.
Б.C.
Аристарх Самосский
(Самос
остров у побережья современной Турции).
Аристарх фактически предположил, что
Земля вращалась в дополнение к своей орбите
вокруг солнца.
К сожалению, многие произведения Аристарха были утеряны.
Но что еще более важно, они недолго выжили в условиях
вес влияния Аристотеля и «здравого смысла» того времени:
| Параллакс больше для более близких объектов |
Эффект параллакса есть,
но он очень маленький, потому что звезды так далеко, что
их параллакс можно наблюдать только с помощью очень точных инструментов.Действительно, параллакс звезд не был окончательно измерен до тех пор, пока
1838 год. Таким образом, гелиоцентрическая идея Аристарха быстро была
забыли, и западная мысль застопорилась почти на
2000 лет как ждали Коперника
возродить гелиоцентрическую теорию.
Обратите внимание, что Сам Коперник первоначально дал благодарность Аристарху в его гелиоцентрическом трактате, De Revolutionibus caelestibus, где он написал: «Филолай верил в подвижность земли, а некоторые даже говорят, что Аристарх Самосский придерживался этого мнения.»Интересно, что этот отрывок был вычеркнут незадолго до публикации, возможно, потому что Коперник решил, что его трактат сам по себе достоин.
Вселенная заполнена миллиардами звездных систем. Расположенные внутри галактик, эти космические устройства состоят по крайней мере из одной звезды и всех объектов, которые перемещаются вокруг нее, включая планеты, карликовые планеты, луны, астероиды, кометы и метеороиды. Звездная система, с которой мы наиболее знакомы, конечно же, является нашей собственной.
Дом, милый дом Если вы посмотрите на гигантское изображение космоса, увеличите масштаб галактики Млечный Путь, а затем снова увеличите масштаб одного из ее внешних спиральных рукавов, вы найдете Солнечную систему.
Астрономы полагают, что оно образовалось около 4,5 миллиардов лет назад, когда массивное межзвездное облако газа и пыли схлопнулось само на себя, дав начало звезде, которая закрепляет нашу солнечную систему — этот большой шар тепла, известный как Солнце.
Помимо Солнца, в наши космические окрестности входят восемь больших планет.Ближе всего к Солнцу находится Меркурий, за ним следуют Венера, Земля и Марс. Они известны как планеты земной группы, потому что они твердые и каменистые. За орбитой Марса вы найдете главный пояс астероидов, область космических скал, оставшихся после образования планет. Затем идут гораздо более крупные газовые гиганты Юпитер и Сатурн, которые известны своими большими кольцевыми системами, состоящими из льда, камня или того и другого. Дальше — ледяные гиганты Уран и Нептун. Кроме того, множество меньших ледяных миров собираются на огромном участке пространства, называемом поясом Койпера.Пожалуй, самый известный житель — Плутон. Плутон, который когда-то считался девятой планетой, теперь официально классифицируется как карликовая планета вместе с тремя другими объектами пояса Койпера и Церерой в поясе астероидов.
Более 150 лун вращаются вокруг миров нашей Солнечной системы. Известные как естественные спутники, они вращаются вокруг планет, карликовых планет, астероидов и других обломков. Среди планет луны чаще встречаются на окраинах Солнечной системы.Меркурий и Венера свободны от Луны, у Марса есть две маленькие луны, а у Земли только одна. Между тем, у Юпитера и Сатурна их десятки, а у Урана и Нептуна их больше 10. Несмотря на то, что Плутон относительно невелик, у Плутона пять лун, одна из которых настолько близка по размеру к Плутону, что некоторые астрономы утверждают, что Плутон и этот спутник Харон, являются двоичной системой.
Слишком маленькие, чтобы называться планетами, астероиды — это каменистые глыбы, которые также вращаются вокруг нашего Солнца вместе с космическими камнями, известными как метеороиды. Десятки тысяч астероидов собраны в поясе, лежащем между орбитами Марса и Юпитера.Кометы, с другой стороны, живут внутри пояса Койпера и даже дальше в нашей солнечной системе, в далекой области, называемой облаком Оорта.
Солнечная система окутана огромным пузырем, называемым гелиосферой. Гелиосфера, состоящая из заряженных частиц, генерируемых Солнцем, защищает планеты и другие объекты от высокоскоростных межзвездных частиц, известных как космические лучи. Внутри гелиосферы некоторые планеты окружены собственными пузырьками, называемыми магнитосферами, которые защищают их от наиболее вредных форм солнечного излучения.На Земле очень сильная магнитосфера, а на Марсе и Венере ее нет.
У большинства больших планет также есть атмосферы. Земля состоит в основном из азота и кислорода — ключевых для поддержания жизни. Атмосфера земных Венеры и Марса состоит в основном из углекислого газа, а толстые атмосферы Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна состоят в основном из водорода и гелия. У Меркурия вообще нет атмосферы. Вместо этого ученые называют его чрезвычайно тонкое покрытие из кислорода, водорода, натрия, гелия и калия экзосферой.
Луны тоже могут иметь атмосферу, но самый большой спутник Сатурна, Титан, — единственный известный спутник с плотной атмосферой, состоящей в основном из азота.
На протяжении веков астрономы полагали, что Земля является центром Вселенной, а Солнце и все другие звезды вращаются вокруг нее. Но в 16 веке немецкий математик и астроном Николай Коперник опроверг эту теорию, предоставив убедительные доказательства того, что Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца.
Сегодня астрономы изучают другие звезды в нашей галактике, в которых находятся планеты, в том числе некоторые звездные системы, такие как наша, у которых есть несколько планетных спутников. Основываясь на тысячах известных миров, обнаруженных к настоящему времени, ученые считают, что миллиарды планетных систем должны существовать только в галактике Млечный Путь.
Так есть ли у Земли где-нибудь во Вселенной близнец? С постоянно совершенствующимися телескопами, роботами и другими инструментами астрономы будущего обязательно узнают.
В случае с Юпитером 9 мая 2018 г.
один набор измерений оказался противоположным (JD 2458247.75) и следующую квадратуру от 6 августа 2018 г. (JD 2458337.492) для разницы в днях 89,74. Это значение, умноженное на разницу угловых скоростей между Землей и Юпитером, дало θ = 81,0 °. Это привело к радиусу орбиты Юпитера 6,41 а.е., тогда как современное значение составляет 5,20 а.е. (, 23% разница ). Вид с Земли на эту квадратуру показан на Рис. 6 .
На первый взгляд кажется, что это значение значительно отличается от современного… и это так! Мы совершили ошибку или это еще одна возможность побудить наших учеников задуматься? Какие предположения, вероятно, неверны? Мы (как и Коперник) предполагали круговые орбиты и постоянные орбитальные скорости , и ни одно из этих предположений не является правильным ни для одной из планет!
Итак, как мы можем использовать этот метод и (неправильное) предположение о круговых орбитах и постоянных орбитальных скоростях, чтобы получить относительно точные значения размеров орбит высших планет?
Ответ состоит в том, чтобы выполнить многократных измерений по крайней мере за один орбитальный цикл планеты, чтобы ответы усреднялись до некоторого медианного значения, которое действительно приближается к современному значению.
Я сделал это для Юпитера, взяв 11 последовательных пар оппозиция-квадратура за один 11-летний цикл его орбиты с 2007 по 2018 год. Когда я усреднил эти 11 определений, я получил значение 5,46 а.е., что составляет всего 5% от современного значения. .
Не воспринимайте это как проблему, а скорее как очень поучительный момент для ваших учеников. Вы можете предложить им как классу провести несколько измерений последовательных пар оппозиции и квадратуры, и они смогут сами наблюдать, как значения усредняются, чтобы приблизиться к современным значениям.Они могут сами увидеть, как ошибки, вносимые нашими предположениями о круговой орбите и постоянных орбитальных скоростях, могут быть минимизированы (но не устранены) с помощью нескольких наблюдений.
Удивительно видеть гений Коперника в этих наблюдениях, которые теперь ваши ученики могут провести сами в планетарии SciDome! Они получат гораздо большее понимание того, как Коперник создал свою масштабную модель Солнечной системы, а также увидят, как эти измерения на самом деле могут быть сделаны с земли.
Выход с Земли — запуск
Первым шагом на пути к Марсу является запуск . Запуск — это запуск космического корабля с поверхности Земли на орбиту вокруг нее. Чтобы достичь орбиты над Землей, требуется много энергии. Учтите, что для того, чтобы прыгнуть на пару футов от земли, требуется вся энергия, которую мы можем собрать.Чтобы оторвать от земли космический корабль весом в тысячу килограммов, требуется невероятное количество энергии. Мы должны преодолеть не только земное притяжение, но и сопротивление атмосферы.
Рассмотрим силы, действующие на ракету. Посмотрите на рис. 1, на котором показана ракета непосредственно перед взлетом. В этом сценарии на ракету действуют две силы: вес ракеты (W) и нормальная сила (N). Нормальная сила — это сила, которая действует на объект через контактную поверхность (в данном случае — землю). Нормальная сила также действует перпендикулярно поверхности — поскольку земля горизонтальна, нормальная сила действует вертикально.
Если сложить силы вместе, мы найдем чистую силу (F net ), действующую на ракету: F net = N — W. Весу предшествует знак минус, потому что вес ракеты направлен вниз ( нормальная сила действует вверх и, таким образом, положительна, но не требует знака плюс по общепринятому математическому соглашению о знаках). Из этой ситуации легко понять, что, поскольку ракета не движется, вес уравновешивается нормальной силой: N = W. Таким образом, результирующая сила равна нулю.
(слева) Рис. 1. Силы, действующие на ракету непосредственно перед взлетом. (справа) Рис. 2. Силы на ракете после старта.
Теперь рассмотрим сценарий после старта. Посмотрите на рисунок 2. Нормальной силы больше нет, потому что ракета не касается земли. Положительная (восходящая) сила теперь является силой тяги (F T ; подробнее об этом позже). Поскольку ракета движется в атмосфере Земли, возникает сила сопротивления (F D ; мы можем почувствовать сопротивление, когда высовываем руки из окна движущегося автомобиля).
Давайте найдем чистую силу, действующую на эту ракету: F net = F T — F D — W. Движение ракеты зависит от величин этих сил в данный момент времени.
Если сила тяги меньше суммы силы сопротивления и веса (т. Е. Силы, направленные вниз, больше, чем сила, направленная вверх), то ракета упадет обратно на Землю.
Если сила тяги равна сумме силы сопротивления и веса, то ракета продолжит движение вверх с той же скоростью (она не будет ускоряться или замедляться).Этот сценарий описывает 1-й закон движения Ньютона — этот закон (известный как «закон инерции») просто означает, что если объект находится в движении и на него не действуют неуравновешенные силы, объект будет продолжать движение с той же скоростью ( он не будет ускоряться или замедляться). (Первый закон также описывает сценарий на рисунке 1 — если объект находится в состоянии покоя и не подвергается действию несбалансированных сил, он будет оставаться в состоянии покоя.
) Чтобы двигаться достаточно быстро для выхода на орбиту, ракета должна достичь минимума скорость 8 километров в секунду (обсуждается позже).Если он не достигнет этой скорости, он в конце концов упадет обратно на Землю.
Если сила тяги больше, чем сумма силы сопротивления и веса, то ракета будет ускоряться вверх (скорость будет продолжать увеличиваться). Этот сценарий иллюстрирует 2-й закон движения Ньютона. Второй закон математически описывается уравнением F net = ma, где m — масса ракеты, а a — ее ускорение. Таким образом, легко увидеть, что ускорение ракеты зависит от чистой силы и массы ракеты.
Если мы изменим уравнение для 2-го закона движения Ньютона так, чтобы a было само по себе (разделите обе части на m), то мы получим:
Теперь нам легче увидеть влияние массы ракеты на ее ускорение. Когда масса увеличивается, ускорение уменьшается. Когда масса уменьшается, ускорение увеличивается. Мы можем описать это математически, как показано ниже:
Это демонстрирует важность сохранения минимальной массы ракеты — это позволит ракете разгоняться намного быстрее.
Чтобы определить, с какой скоростью нам нужно выйти на орбиту вокруг Земли, мы используем следующее уравнение:
, где ∆ означает изменение, а V означает скорость.
Итак, ∆V Launch — это полное изменение скорости, необходимое для запуска космического корабля на орбиту вокруг Земли. ∆V — конечная скорость минус начальная скорость. Поскольку скорость космического корабля изначально равна нулю, когда он находится на земле, ∆V — это просто конечная скорость.∆V выгорание — это оставшаяся скорость, которую нам нужно поддерживать и вращаться вокруг Земли. Об этой скорости мы поговорим чуть позже. ∆V гравитация — это изменение скорости, необходимое для преодоления гравитации Земли. ∆V сопротивление — изменение скорости, необходимое для преодоления сопротивления.
Для достижения требуемой ∆V инженеры НАСА используют огромные ракеты. Фактический размер и масса ракеты, которую инженеры называют ракетой-носителем , значительно превосходят фактический космический корабль, который обозначается как полезная нагрузка .
Для типичного полета на низкую околоземную орбиту (НОО) масса ракеты-носителя и топлива примерно в 40 раз превышает массу фактической полезной нагрузки.
Итак, как ракета создает нужную нам ∆V? (Ответ: Ракеты используют преимущества того, что описано в третьем законе движения Ньютона.) Третий закон Ньютона гласит, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие. Если бы вы встали на скейтборд и толкнулись о стену, вы бы двинулись в противоположном направлении. Это пример третьего закона Ньютона.Автомобили используют шины, чтобы оттолкнуться от дороги, что заставляет их двигаться в противоположном направлении. Конечно, ракеты не сталкиваются с воздухом, но движение ракеты все же описывается третьим законом движения Ньютона. Ракета работает, создавая сверхгорячие газы и очень быстро «отбрасывая» их назад. Этот «бросок» в воздух и есть действие . Реакция заключается в том, что ракета движется в противоположном направлении, вперед.
Мы используем два основных числа для характеристики ракет.
Первая из них — это тяга , тяга — сила, которая толкает ракету на орбиту. Мы рассчитываем количество тяги, создаваемой ракетой, с помощью следующего уравнения:
, где сила тяги (F) равна массовому расходу (м), умноженному на скорость выпуска (V e ). Массовый расход — это скорость выхода массы из ракеты. Масса — это выхлопные газы, образующиеся при горении топлива. Массовый расход измеряется в килограммах в секунду (кг / с).Скорость истечения является мерой того, насколько быстро горячий газ покидает сопло ракеты.
Другое число, которое мы используем для характеристики ракет, — это удельный импульс (I sp ) — мера содержания энергии в топливе и того, насколько эффективно оно преобразуется в тягу. По сути, удельный импульс говорит нам, сколько «рентабельности» мы получим от ракет определенного типа. Для расчета удельного импульса делим тягу на массовый расход:
Весовой расход — это массовый расход (м), умноженный на ускорение свободного падения Земли (g = 9.
81 м / с 2 ). Удельный импульс измеряется секундами. I sp измеряет, сколько тяги мы получаем в зависимости от того, сколько топлива мы используем. Более высокое значение I sp означает, что мы получаем большую тягу при меньшем расходе топлива, и это более эффективная система.
В настоящее время в космосе используются ракеты трех различных типов: химические, электрические и газовые. Химические ракеты являются наиболее распространенным типом, используемым сегодня, и включают ракеты на жидком топливе, ракеты на твердом топливе и их гибрид.Химические ракеты основаны на химическом горении, которое создает перегретый газ под высоким давлением. Этот газ под высоким давлением может выйти только через сопло. Согласно третьему закону движения Ньютона, этот газ, покидающий ракету с очень высокой скоростью, является действием, в то время как ракета, движущаяся в противоположном направлении, представляет собой противоположную реакцию.
Рис.
1. Схема ракеты на жидком топливе. Авторское право
Copyright © NASA http://spaceplace.jpl.nasa.gov/en/kids/ (под редакцией Джеффа Хилла, Университет Колорадо, 2004 г.)
Жидкое топливо хранится в больших резервуарах и перекачивается в камеру сгорания, где оно воспламеняется, прежде чем покинуть ракету через сопло.На рисунке 1 представлена схема ракеты на жидком топливе. Системы жидкого топлива сложны, поскольку для них требуется несколько баков, сложных клапанов и сложных трубопроводов, но они создают большую тягу, имеют высокий Isp и при необходимости могут быть дросселированы и перезапущены. В главных двигателях космических шаттлов используется жидкое топливо, представляющее собой смесь жидкого кислорода и жидкого водорода. На рис. 2 показаны бак для жидкого топлива и главный двигатель на жидком топливе космического челнока.
Рис. 2. Ракеты космического челнока.авторское право
Авторское право © http://nvo.gsfc.nasa.gov/astrodata/epohst-s satellite.html (под редакцией Джеффа Хилла, Университет Колорадо, 2004 г.
)
Ракеты на твердом топливе можно описать как трубу, наполненную твердым топливом, с заглушкой на одном конце и соплом на другом конце. Твердое топливо легко воспламеняется и работает так же, как и система жидкого топлива. Когда топливо сгорает, из сопла выходит горячий газ под высоким давлением, создавая тягу. Системы на твердом топливе очень просты, дешевы и надежны, но их нельзя отключить после запуска, и они не так эффективны, как жидкое топливо.Примером твердотопливной системы являются твердотопливные ускорители (SRB) космического корабля многоразового использования (см. Рисунок 2). Это две белые ракеты, привязанные к боку корабля, которые используются для отрыва космического шаттла от земли. Как только топливо внутри ускорителей заканчивается, они выпускаются из шаттла и сбрасываются в океан. Бутылочные ракеты и модельные ракеты считаются твердотопливными.
Электрические ракеты используют электричество для ускорения частиц, которые направляются в заднюю часть космического корабля, создавая таким образом тягу.
Ракеты обычно используют заряженные атомы, называемые ионами, которые имеют связанный с ними положительный или отрицательный заряд. Электрический источник, такой как солнечные элементы или ядерный реактор, используется для зарядки пластин в двигателе разными зарядами, так что ионы выталкиваются и вытягиваются из космического корабля. Обратной стороной электрических ракет является то, что они не могут создавать большую тягу. Если вы держите один лист бумаги в руке, сила, с которой бумага давит на вашу руку из-за своего веса, примерно равна тяге электрической ракеты.Плюс электрических ракет в том, что они очень эффективны и имеют высокий Isp. Поскольку тяга электрической ракеты настолько мала, запустить ракету в космос невозможно; но, как только космический корабль находится на орбите вокруг Земли, электрическая ракета может использоваться, чтобы избежать гравитации Земли и отправиться в разные места вокруг нашей солнечной системы. Небольшая тяга означает, что кораблю требуется много времени, чтобы набрать достаточную космическую скорость, но высокая эффективность системы означает, что для достижения желаемой скорости требуется меньше топлива.
Первые электрические ракеты в космосе использовались на борту Deep Space 1, который был запущен на борту обычной ракеты на жидком топливе 24 октября 1998 года. После выхода на орбиту она запустила собственный двигатель и в конце концов достигла кометы Боррелли в сентябре 2001 года.
Ракеты на холодном газе используют сжатый газ, который не воспламеняется. Обычно это негорючий газ, например азот или гелий. Баллон, который наполняется, а затем отпускается, является примером системы холодного газа. Сжатый газ может выходить только из сопла, и при этом он создает тягу.Системы холодного газа имеют очень низкую тягу и очень неэффективны (низкий I sp ), но они очень просты и дешевы. Они часто используются на космических кораблях для очень малых изменений скорости там, где большие ракеты не подходят. Ракетные ранцы, которые астронавты используют, когда они находятся за пределами космического челнока или международной космической станции, используют ракеты на холодном газе.
В таблице 1 показаны различные типы ракет, а также типичные тяги и удельные импульсы для каждой системы.
Таблица 1.Ракеты, тяги и удельные импульсы.
Орбиты
После того, как ракета-носитель вывела космический корабль из атмосферы Земли, он должен выйти на орбиту . Орбита — это круговой или эллиптический путь вокруг небесного тела (Солнца, звезды, планеты, астероида и т. Д.), По которому следует такой объект, как космический корабль. Распространенное заблуждение состоит в том, что на космическом шаттле и на международной космической станции нет силы тяжести. Фактически, гравитация — это сила тяжести , действующая на человека, находящегося на орбите вокруг Земли, но он / она не чувствует это так, как мы чувствуем это на Земле, потому что не существует почвы, которая могла бы оттолкнуть человека в космосе.Итак, почему космический корабль просто не упадет на Землю, как только ракеты отключатся? Это связано с тем, что космический корабль стремится пролететь мимо Земли, а гравитация тянет его назад. Эти два действия компенсируются, образуя орбиту.
Орбиту можно объяснить первым законом движения Ньютона, который гласит, что движущийся объект остается в движении, если против него не действует сила. Это означает, что объект будет двигаться по прямой линии, если сила не толкнет его в другом направлении. Чтобы любой объект мог изменить направление, в котором он движется, на него должна действовать сила.Например, когда вы едете на велосипеде и хотите повернуть (изменить направление), ваша шина должна приложить силу к земле. Эта сила называется трением; без трения это было бы похоже на езду на велосипеде по идеально гладкому льду. Если вы попытаетесь повернуться, силы трения не будет; вы бы продолжали двигаться по прямой, как описывает первый закон Ньютона. Как и ваш велосипед, космический корабль не повернется, если на него не действует сила. Сила, которая действует на объекты и в конечном итоге заставляет их вращаться вокруг планеты или звезды, — это гравитация.Орбита — это просто баланс между скоростью объекта и гравитацией.
Рис.
3. Как работает орбита. Авторское право
Авторское право © 2004 Джефф Хилл, Университет Колорадо в Боулдере
На рисунке 3 показано, как сила тяжести влияет на траекторию космического корабля. На схеме слева показан путь космического корабля без гравитации. В этом случае космический корабль продолжил бы движение по прямой. На схеме справа показан путь космического корабля под действием силы тяжести.Гравитация тянет космический корабль к центру Земли, в то время как скорость космического корабля заставляет космический корабль продолжать движение мимо Земли. Баланс этих двух противоположных действий известен как орбита. Для низкой околоземной орбиты (НОО), высота которой составляет от 600 до 2000 километров над поверхностью Земли, космический корабль должен иметь скорость около 8 километров в секунду. Это означает, что он может совершить полный оборот вокруг Земли за 90 минут. Итак, что произойдет, если космический корабль не движется (то есть не имеет скорости)? Если скорости нет, то единственная сила, действующая на космический корабль, — это гравитация.
Это означает, что космический корабль упадет на Землю так же, как камень упадет на землю, когда вы его уроните. Итак, что произойдет, если космический корабль будет двигаться намного быстрее, чем 8 км / с, необходимые для поддержания низкой околоземной орбиты? В этом случае гравитация не сможет удерживать космический корабль как можно ближе к Земле, и космический корабль либо перейдет на орбиту, которая находится дальше от Земли, либо, если он движется достаточно быстро, он преодолеет гравитацию Земли. полностью. Это называется космической скоростью , и это минимальная скорость, необходимая для выхода из гравитации Земли.
Сэр Исаак Ньютон провел знаменитый мысленный эксперимент, чтобы продемонстрировать, как работает орбита, при которой стреляют из пушек с вершины горы. Посмотрите демонстрацию орбиты пушечного ядра на веб-сайте НАСА по адресу https://spaceplace.nasa.gov/how-orbits-work/en/.
На Марс
Теперь, когда наш космический корабль покинул гравитационное поле Земли, наша миссия — прибыть на Марс.
Мы оставили влияние земной гравитации, но мы не совсем свободны от нее. Поскольку сейчас мы вращаемся вокруг Солнца, теперь мы находимся под влиянием гравитации Солнца.
До сих пор мы говорили о круговых орбитах — простейшем виде орбиты. Однако большинство орбит на самом деле представляют собой эллипсы, вытянутый круг. Эллипсы часто называют овалами. На рис. 4 показана схема эллиптической орбиты.
Рис. 4. Эллиптическая орбита. Авторское право
Copyright © 2004 Джефф Хилл, Университет Колорадо в Боулдере
Два фокуса (каждый из которых называется фокусом) определяют эллипс: перицентр , который является точкой на эллиптической орбите, ближайшей к планете или солнцу; и апоапис , точка, наиболее удаленная от планеты или солнца.Возможно, вы также слышали, что эти точки называются перигеем и апогеем . Это перицентр и апоапсис для эллиптической орбиты вокруг Земли соответственно. На эллиптической орбите Земля (или другое массивное тело) находится в одном из двух фокусов.
Эллиптические орбиты позволяют перемещаться между планетами. Используя Солнце в качестве одного из фокусов и Землю в качестве перицентра, космический корабль будет фактически ближе к Солнцу, когда он будет в перицентре. Когда космический корабль находится в апоапсисе, он будет дальше от Солнца.Это полезно для путешествий к планетам, удаленным от Солнца, например к Марсу. На рисунке 5 показано, как можно использовать половину эллиптической орбиты, чтобы добраться от Земли до Марса.
Рис. 5. Эллиптическая орбита перехода от Земли к Марсу. Авторское право
Copyright © 2004 Джефф Хилл, Университет Колорадо в Боулдере
В дополнение к великолепным инженерным разработкам и превосходным расчетам ученых, чтобы достичь Марса, требуется хорошее время. Поскольку Земля и Марс движутся, это все равно, что стоять на движущейся платформе и пытаться бросить баскетбольный мяч в кольцо, которое также движется.Что еще хуже, поскольку космическому кораблю требуется около 6 месяцев, чтобы перейти от Земли к Марсу, ученые и инженеры должны предвидеть, где будет Марс, когда космический корабль прибудет туда.
Если мы попытаемся выстрелить космическим кораблем прямо в Марс, то к тому времени, как он действительно туда доберется, великой Красной планеты уже не будет. Добравшись до Марса, мы должны сбавить скорость, чтобы оказаться на орбите вокруг пункта назначения. С нашей орбиты мы можем делать снимки Марса, делать научные измерения или даже приземляться на планету.
апоапсис: точка на орбите, наиболее удаленная от центра притяжения (то есть планеты или солнца).
Химическая ракета: Ракета, которая использует химическое горение для создания перегретого газа под высоким давлением, который используется для тяги.
Ракета на холодном газе: ракета, в которой в качестве источника тяги используется выходящий сжатый газ.
электрическая ракета: ракета, которая создает тягу с помощью электричества для ускорения заряженных частиц, которые направляются из задней части автомобиля.
эллипс: замкнутая кривая, напоминающая сплюснутый круг. Большинство орбит имеют форму эллипса.
Скорость убегания: минимальная скорость, необходимая для выхода из-под гравитационного поля небесного тела (Земли, Солнца и т. д.).
фокусы: две точки на эллипсе, в которых сумма расстояний до фокусов от любой точки эллипса является постоянной.
1-й закон Ньютона: для объекта, на который действуют уравновешенные силы: если объект находится в состоянии покоя, он будет оставаться в покое; если объект находится в движении, он останется в движении («закон инерции»).
2-й закон Ньютона: для объекта, на который действуют несбалансированные силы: ускорение объекта зависит от его массы и суммарной силы. Описывается уравнением Fnet = ma.
Третий закон движения Ньютона: на каждое действие существует равное и противоположное противодействие.
нормальная сила: сила, создаваемая контактной поверхностью (например, землей), которая действует перпендикулярно поверхности.
орбита: путь планеты, луны, космического корабля или любого другого объекта в космосе, когда он вращается вокруг другого объекта, такого как солнце.
периапсис: точка на орбите, ближайшая к центру притяжения (то есть к планете или солнцу).
удельный импульс: мера эффективности ракеты, равная тяге ракеты на вес топлива.
тяга: прямая реакция на движение выхлопных газов ракетного двигателя назад.
универсальная гравитационная постоянная: постоянная, которая связывает гравитацию двух объектов в зависимости от их масс и расстояния между ними.
.
Эта планета, как и Юпитер, состоит в основном из водорода и гелия — газов, являющихся основой нашей звезды. При своих размерах, диаметр планеты составляет 57 тыс. км, Сатурн также напоминает протозвезду, которая остановилась в своем развитии. Количество спутников у Сатурна немногим уступает количеству спутников Юпитера — 62 против 67. На спутнике Сатурна Титане, так же как и на Ио — спутнике Юпитера — имеется атмосфера.
:выражать своё мнение
Постановка цели и темы урока.
Освоение нового материала.
:преобразовывать текст в табличную форму
:объяснять главное отличие Земли от других планет
:ориентироваться в своей системе знаний
:сравнивать полученные результаты с ожидаемым,оценивать свою работу и работу одноклассников