Опишите закономерность изменения скорости при движении планеты вокруг солнца кратко

Обновлено: 05.07.2024

Опишите закономерность изменения скорости при движении планеты вокруг Солнца.

Ответы на вопрос

Скорость планеты максимальна в перигелии, постепенно она уменьшается по мере удаления планеты от Солнца. Минимальное значение скорость имеет в афелии, а затем снова увеличивается.

1. Расположите планеты в порядке их удаления от Солнца. Для всех ли планет такая последовательность согласуется с правилом Тициуса-Боде?
2. Сформулируйте закономерность в распределении средних скоростей вращения планет вокруг Солнца.
3. От чего зависит продолжительности суток на планете?
4. Сформулируйте, с чем связано различие в продолжительности года у разных планет?
5. Главной закономерностью Солнечной системы является движение планет: планеты движутся вокруг Солнца в том же направлении, в каком Солнце вращается вокруг своей оси. Есть ли исключение из этого правила? Поясните.
6. Почему планеты-гиганты имеют много спутников?
7. Можно ли утверждать, что температура на поверхности планеты зависит только от её близости к Солнцу? Ответ обоснуйте конкретным примером.
8. Почему между Марсом и Юпитером нет планеты, как следует из правила Тициуса-Боде?

Читать 16 мин

Движение планет вокруг Солнца задает бег карусели нашей Солнечной системы. А скорость и направление вращения во многом помогли успешному появлению и развитию жизни на Земле. Однако в течение многих столетий на нашей планете царствовала геоцентрическая теория, утверждавшая, что Солнце вращается вокруг Земли. Польский ученый Николай Коперник доказал несостоятельность этой доктрины, хотя и пострадал от своих революционных для того времени идей.

Сегодня нам вовсе не нужно оспаривать церковные догматы, ведь мы прекрасно знаем, что именно вокруг Солнца вращаются все остальные планеты нашей системы. Но как именно они движутся? Почему движение нашей планеты позволяет ей поддерживать равномерную температуру, в то время как на гигантах Солнечной системы градусник буквально зашкаливает то в плюс, то в минус? Что заставляет планеты двигаться по таким разнообразным орбитам?

Открытие движения планет вокруг Солнца как историческое событие

Датский астроном Тихо Браге после смерти Коперника продолжил его дело. Он был состоятельным человеком и не жалел денег на оборудование для изучения небесных тел. На своем собственном острове он разместил бронзовые круги, на которых фиксировал результаты наблюдений. Впоследствии его наработки использовал немецкий математик Иоганн Кеплер при выведении трех законов, которыми описывается движение планет вокруг Солнца.

Кеплер привел неоспоримые доказательства вращения шести открытых к тому времени планет вокруг Солнца по эллипсам. Эту теорию развивал и английский ученый Исаак Ньютон. Основываясь на выведенном им законе всемирного тяготения, он объяснил приливы и отливы влиянием Луны.

Влияние модели движения планет вокруг Солнца на структуру и состав Солнечной системы

Солнечная система включает несколько элементов:

Солнце

Является центром и основным источником энергии. Благодаря сильнейшей гравитации Солнце обеспечивает постоянное расположение планет и их вращение по своим орбитам.

Планеты земной группы

В астрономии Солнечная система делится на два участка – внутренний и внешний. В первую входят четыре планеты, расположенные ближе остальных к Солнцу: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Их объединяет наличие горных пород и металлов и вытекающая из этого высокая плотность. Кроме того, планеты скалистого типа отличаются небольшими размерами и массой по сравнению с другими небесными телами Солнечной системы.

Пояс астероидов, который находится за Марсом

По мнению астрономов, время его образования совпадает с периодом формирования Солнечной системы. Образуют пояс космические обломки разных размеров.

Планеты-гиганты

Внешний участок Солнечной системы – это четыре газовых гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их общими характеристиками являются огромные размеры и низкая плотность, которая объясняется газовым составом. Эта особенность не мешает им обладать мощной гравитацией и удерживать вокруг себя массу спутников. Так, вокруг Юпитера вращается 63 небесных тела. Планеты-гиганты находятся на значительном удалении от Солнца.

Астероидные кольца

Главное кольцо астероидов расположено между внутренним и внешним участками Солнечной системы, в районе Марса и Юпитера. Второе астероидное кольцо называется пояс Койпера и включает Плутон, который раньше считался планетой, а сейчас относится к карликам и является самым крупным объектом пояса Койпера. На сегодняшний день изучено 10 тысяч астероидов в главном кольце, а всего их, по предположениям астрономов более 300 тысяч.

Кометы

Эти небесные объекты изо льда и пыли находятся за вторым астероидным кольцом, в межзвездном пространстве. Иногда они под воздействием гравитации попадают в Солнечную систему и разрушаются, превращаясь в пар и пыль.

Зарождение Солнечной системы

Ясными летними ночами люди с восхищением смотрят на небо, поражаясь огромному количеству звезд. При этом нам видна лишь малая часть огромного количества небесных тел, составляющих Вселенную. Представить себе ее истинные масштабы очень сложно. Существует мнение, что Вселенная бесконечна, человек может изучать ее только в тех пределах, которые предоставляет современное астрономическое оборудование.

Вселенную составляют галактики – скопления звезд.

Солнечная система входит в галактику Млечный Путь, при этом Солнце является одной из миллиардов других звезд. Каждая звезда – это раскаленный газовый сгусток, обладающий собственными характеристиками: яркостью, температурой, размерами, структурой, которая формируется в результате воздействия небесных тел, вращающихся вокруг.

Астрономы считают, что со времени возникновения Солнечной системы прошло 4,5 миллиарда лет.

Рождение новой звезды – длительный процесс. Газопылевая туманность под действием гравитации сжимается до облака, которое затем начинает вращаться и превращается в диск с сосредоточением основного вещества в центре. В ходе гравитационного коллапса центральное уплотнение уменьшается в размерах, а его температура повышается. Когда она достигает десятков миллионов градусов, запускается термоядерная реакция и рождается звезда.

Температура вокруг нее так высока, что рядом могут существовать исключительно твердые тела, одним из которых стала Земля. На значительном удалении от Солнца, где нет больших температур, сформировались газовые гиганты.

Скорость и направление движения планет вокруг Солнца

На протяжении почти 5 млрд лет своего существования Солнце движется по своей галактической орбите. Скорость его перемещения составляет 270 км/с, а полный оборот вокруг центра галактики занимает 226 млн лет. Это значит, что последний раз Солнце находилось на том же месте, что и сейчас, в эпоху динозавров.

Для отслеживания перемещения Солнца используются различные системы отсчета, в том числе связанные с ближайшими звездами. Астрономы полагают, что Солнечная система движется в сторону созвездия Геркулеса с запада на восток по большому кругу небесной сферы – эклиптике. Полный оборот занимает один год.

Одновременно Солнце вращается вокруг собственной оси – один оборот за 22,14 года. Кроме того, как и остальные планеты Солнечной системы, наша звезда движется вокруг общего центра масс.

Солнечную систему составляют восемь планет. До 2006 года девятой считался Плутон, но сейчас он относится к карликам. Каждая планета вращается вокруг своей оси и движется по собственной орбите. Находясь на разных расстояниях от Солнца, все они перемещаются в одном направлении.

Рассмотрим все планеты по мере удаления от светила:

Меркурий – самая маленькая и расположенная ближе всех к Солнцу планета совершает оборот вокруг него за 88 земных суток

Венера – по массе и размерам близка к Земле, однако средняя температура составляет 462 градуса по Цельсию. Год на Венере равен дню: вокруг Солнца она совершает оборот за 224,7 земных суток, а вокруг своей оси – за 223

Земля – оборот вокруг своей оси совершает за 24 часа, вокруг главного светила – за 365 суток

Марс – оборачивается вокруг Солнца за такой же период, что и Земля – 24 часа 37 минут

Юпитер – планета-гигант, поэтому вокруг своей оси делает оборот за 10 часов, при этом ему требуется 10 земных лет, чтобы совершить полный круг по орбите

Сатурн – здесь сутки длятся 10,7 часа, а год – 29,5 земных лет

Уран – оборот вокруг Солнца занимает 84 земных года, или 30 687 дня

Нептун – совершает полный круг по орбите за 164,79 земного года, вокруг своей оси – около 16 часов

Закономерность проста: с удалением от Солнца снижается скорость движения планеты и увеличивается путь, который ей предстоит пройти. Из этого следует, что скорость движения планет Солнечной системы наиболее высока около главного светила и снижается к окраинам. До изменения классификации небесных тел крайней планетой считался Плутон, который движется со скоростью 4,67 км/с.

На скорость перемещения планеты влияет ее конкретное нахождение на той или иной точке орбиты. Самая удаленная точка от Солнца на эллиптической траектории называется перигелий, а самая близкая к нему – афелий. В перигелии линейная скорость движения выше, чем в афелии. Это значит, что планета перемещается по орбите то быстрее, то медленнее.

Период движения Земли и планет вокруг Солнца

Главный пояс астероидов, расположенный в области Марса и Юпитера, тоже перемещается вокруг Солнца. Период обращения составляет от 3,5 до 6 земных лет, направление совпадает с траекторией движения планет.

Законы гравитации одинаковы для всех небесных тел, в том числе для пояса Койпера – второго астероидного кольца, состоящего из карликовых планет и расположенного на краю Солнечной системы. Облако Оорта представляет собой миллиарды ледяных тел, которые также вращаются вокруг главного светила, делая полный оборот за 200 лет. Дальше этих скоплений астероидов действие гравитации не распространяется, здесь проходит своеобразная граница Солнечной системы.

Гравитация управляет движением планет Солнечной системы. Без нее планеты, составляющие Солнечную систему, разбежались бы в разные стороны и потерялись в безбрежных просторах мирового пространства.

Закономерности движения планет с давних пор привлекали внимание людей. Изучение движения планет и строения Солнечной системы и привело к созданию теории гравитации – открытию закона всемирного тяготения.

С точки зрения земного наблюдателя планеты движутся по весьма сложным траекториям (рис. 1.24.1). Первая попытка создания модели Вселенной была предпринята Птолемеем (~ 140 г.). В центре мироздания Птолемей поместил Землю, вокруг которой по большим и малым кругам, как в хороводе, двигались планеты и звезды.

Рисунок 1.24.1. Условное изображение наблюдаемого движения Марса на фоне неподвижных звезд

Геоцентрическая система Птолемея продержалась более 14 столетий и только в середине XVI века была заменена гелиоцентрической системой Коперника. В системе Коперника траектории планет оказались более простыми. Немецкий астроном Иоганн Кеплер в начале XVII века на основе системы Коперника сформулировал три эмпирических закона движения планет Солнечной системы. Кеплер использовал результаты наблюдений за движением планет датского астронома Тихо Браге.

Первый закон Кеплера (1609 г.):

Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

На рис. 1.24.2 показана эллиптическая орбита планеты, масса которой много меньше массы Солнца. Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Ближайшая к Солнцу точка P траектории называется перигелием, точка A, наиболее удаленная от Солнца – афелием. Расстояние между афелием и перигелием – большая ось эллипса.

Для круговых орбит первый и второй закон Кеплера выполняются автоматически, а третий закон утверждает, что T 2 ~ R 3 , где Т – период обращения, R – радиус орбиты. Отсюда можно получить зависимость гравитационной силы от расстояния. При движении планеты по круговой траектории на нее действует сила, которая возникает за счет гравитационного взаимодействия планеты и Солнца:

Свойство консервативности гравитационных сил позволяет ввести понятие потенциальной энергии. Для сил всемирного тяготения удобно потенциальную энергию отсчитывать от бесконечно удаленной точки.

Потенциальная энергия тела массы m, находящегося на расстоянии r от неподвижного тела массы M, равна работе гравитационных сил при перемещении массы m из данной точки в бесконечность.

Математическая процедура вычисления потенциальной энергии тела в гравитационном поле состоит в суммировании работ на малых перемещениях (рис. 1.24.5).

Рисунок 1.24.5. Вычисление потенциальной энергии тела в гравитационном поле

Закон всемирного тяготения применим не только к точеным массам, но и к сферически симметричным телам. Работа гравитационной силы на малом перемещении есть:

Полная работа при перемещении тела массой m из начального положения в бесконечность находится суммированием работ ΔAi на малых перемещениях:

В пределе при Δri → 0 эта сумма переходит в интеграл. В результате вычислений для потенциальной энергии получается выражение

Если тело находится в гравитационном поле на некотором расстоянии r от центра тяготения и имеет некоторую скорость υ, его полная механическая энергия равна

В соответствии с законом сохранения энергии полная энергия тела в гравитационном поле остается неизменной.

Полная энергия может быть положительной и отрицательной, а также равняться нулю. Знак полной энергии определяет характер движения небесного тела (рис. 1.24.6).

При E = E₁ r_max. В этом случае небесное тело движется по эллиптической орбите (планеты Солнечной системы, кометы).

Рисунок 1.24.6. Диаграмма энергий тела массой m в гравитационном поле, создаваемом сферически симметричным телом массой M и радиусом R

При E = E₂ = 0 тело может удалиться на бесконечность. Скорость тела на бесконечности будет равна нулю. Тело движется по параболической траектории.

При E = E₃ > 0 движение происходит по гиперболической траектории. Тело удаляется на бесконечность, имея запас кинетической энергии.

Законы Кеплера применимы не только к движению планет и других небесных тел в Солнечной системе, но и к движению искусственных спутников Земли и космических кораблей. В этом случае центром тяготения является Земля.

Первой космической скоростью называется скорость движения спутника по круговой орбите вблизи поверхности Земли.

Эту скорость необходимо набрать, чтобы преодолеть притяжение Земли и вывести тело (например, спутник) на орбиту Земли.

Второй космической скоростью называется минимальная скорость, которую нужно сообщить космическому кораблю у поверхности Земли, чтобы он, преодолев земное притяжение, превратился в искусственный спутник Солнца (искусственная планета). При этом корабль будет удаляться от Земли по параболической траектории.

Рис. 1.24.7 иллюстрирует космические скорости. Если скорость космического корабля равна υ₁ = 7.9·10 3 м/с и направлена параллельно поверхности Земли, то корабль будет двигаться по круговой орбите на небольшой высоте над Землей. При начальных скоростях, превышающих υ₁, но меньших υ₂ = 11,2·10 3 м/с, орбита корабля будет эллиптической. При начальной скорости υ₂ корабль будет двигаться по параболе, а при еще большей начальной скорости – по гиперболе.

В начале 17 века немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер вывел три закона движения планет в Солнечной системе. Они были выведены на основании наблюдений за небесными телами, сделанных Браге и другими исследователями космического пространства того времени.

Первый закон Кеплера

Кеплер обратил внимание, что результаты наблюдений Браге расходятся с представлениями о круговой траектории обращения планет вокруг Солнца. Особенно это касалось Марса, чья траектория движения по наблюдения датчанина никак не могла описывать идеальный круг. Браге был очень точен в своих расчетах и сомнений в их правдивости у его последователя не возникло.

Тогда немецкий математик принял орбиты за эллипсы, у каждого из которых есть два фокуса. Это условные точки, выбранные таким образом, что сумма расстояний от них до любой точки эллипса – величина постоянная. При этом для эллиптической орбиты в одном из фокусов находится Солнце.

Форма эллипса вычисляется благодаря отношению фокального расстояния к большой полуоси орбиты. Полученное значение описывает эксцентриситет орбиты. Если он равен нулю – орбита представляет собой идеальную окружность, от нуля до единицы – эллипс различной вытянутости, больше единицы – параболу.

Второй закон Кеплера

Если орбита – это эллипс, то каким образом происходит движение небесного тела по ней? В каких отрезках орбитального пути оно ускоряется и замедляется?

Немецкий ученый обнаружил, что есть взять два любых отрезка орбитального пути, которые планета Солнечной системы проходит за одинаковые промежутки времени, провести от их концов радиус-векторы к центральной звезде, то площади полученных образований будут одинаковы. Это упрощенная формулировка второго закона.

Для того, чтобы постоянство площадей сохранялось, тело должна двигаться в разных точках орбиты с разной скоростью. Так, например, Земля в наибольшем приближении к Солнцу движется быстрее, чем в максимальном удалении от него

Третий закон Кеплера

Третий постулат о движении небесных тел в Солнечной системе как раз касается понятий перигелия и афелия. Если провести между ними условную линию, получится большая ось траектории обращения планеты. Соответственно, половина этого отрезка – большая полуось.

Кеплер на основании наблюдений вывел, что отношение полных оборотов вокруг центральной звезды для двух любых планет системы, возведенных в квадрат, всегда равняется отношению больших полуосей орбитальных путей этих тел, возведенных в куб.

Трудность в доказательстве и принятии трех законов состояла в том, что он вывел их эмпирически. Но в конце 17 века Ньютоном был открыта классическая теория тяготения. Он и помог установить правильность суждений немецкого астронома и описал движение планет по эллипсу вокруг Солнца. Ньютон установил, что кроме массы объекта и его удаления от звезды никакие другие свойства не влияют на гравитационное притяжение.

Также Ньютон внес корректировки и в третий постулат Кеплера. Он открыл, что для соблюдения соотношения необходимо учитывать массу космического объекта. Данная трактовка третьего закона помогает установить массу планеты или спутника, зная величину его орбиты и период обращения.

Законы Иоганна Кеплера помогли установить форму планетарной траектории, вычислить период обращения планет, их скорость и ее изменения по мере приближения и удаления от Солнца. Ученый вывел Землю из ранга особенных астрономических объектов системы и установил, что она подчиняется всем трем законом, как и любая другая планета нашей звездной системы.

Читайте также: