Номер 2, страница 296 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

2. В какие виды энергии переходила гравитационная энергия сжатия прото-облака при образовании Солнечной системы?

Решение

1. Какие группы объектов входят в Солнечную систему?

Солнечная система — это гравитационно-связанная система, включающая в себя центральную звезду (Солнце) и все обращающиеся вокруг неё естественные космические объекты. Можно выделить следующие основные группы объектов:

Центральная звезда:

• Солнце — звезда спектрального класса G2V (жёлтый карлик), которая составляет более 99,8% массы всей системы и удерживает своей гравитацией все остальные объекты.

Планеты:

• Планеты земной группы (внутренние планеты): Меркурий, Венера, Земля, Марс. Они отличаются относительно небольшими размерами, высокой плотностью и твёрдой поверхностью.

• Планеты-гиганты (внешние планеты): Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Это массивные планеты, состоящие преимущественно из газов (Юпитер, Сатурн) или летучих веществ, называемых «льдами» (Уран, Нептун). У них низкая средняя плотность и нет твёрдой поверхности.

Карликовые планеты:

• Объекты, которые вращаются вокруг Солнца, имеют достаточную массу для принятия почти сферической формы, но не смогли расчистить окрестности своей орбиты от других объектов. Примеры: Плутон, Церера, Эрида, Макемаке, Хаумеа.

Малые тела Солнечной системы:

• Астероиды: каменистые или металлические тела неправильной формы, большая часть которых сосредоточена в главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

• Объекты пояса Койпера и рассеянного диска: ледяные тела за орбитой Нептуна. Плутон является крупнейшим представителем этой группы.

• Кометы: ледяные тела, которые при приближении к Солнцу образуют кому (облако газа и пыли) и хвост. Их источниками считаются пояс Койпера и гипотетическое облако Оорта.

• Метеороиды: мелкие твёрдые тела, промежуточные по размеру между космической пылью и астероидами.

Другие объекты:

• Естественные спутники планет (луны): тела, вращающиеся вокруг планет и карликовых планет.

• Кольца планет: системы пыли и льда, вращающиеся вокруг планет-гигантов.

• Межпланетная среда: солнечное излучение, солнечный ветер (поток плазмы), космическая пыль и газ, заполняющие пространство между объектами.

Ответ: В Солнечную систему входят: центральная звезда (Солнце), планеты (земной группы и гиганты), карликовые планеты, малые тела (астероиды, кометы, метеороиды), а также спутники планет, кольца и межпланетная среда.

2. В какие виды энергии переходила гравитационная энергия сжатия протооблака при образовании Солнечной системы?

При образовании Солнечной системы из гигантского межзвёздного газопылевого облака (протосолнечной туманности) происходило его гравитационное сжатие. Согласно закону сохранения энергии, потенциальная гравитационная энергия облака не исчезала, а преобразовывалась в другие виды энергии.

Основными видами энергии, в которые переходила гравитационная, были:

1. Тепловая энергия (внутренняя энергия): По мере сжатия частицы газа и пыли сталкивались друг с другом всё чаще и с большей скоростью. Это приводило к увеличению их хаотического теплового движения, то есть к росту температуры и давления. Гравитационная потенциальная энергия превращалась во внутреннюю энергию вещества ($U$), что вызывало сильный разогрев центральной части облака, где формировалось протосолнце, и в меньшей степени — окружающего его диска.

2. Кинетическая энергия вращения: Изначальное облако обладало некоторым, пусть и малым, начальным угловым моментом. По закону сохранения углового момента, при уменьшении радиуса системы (сжатии) скорость её вращения увеличивалась. Таким образом, часть гравитационной энергии переходила в кинетическую энергию упорядоченного вращательного движения ($K_{rot} = \frac{1}{2}I\omega^2$). Именно это ускорение вращения привело к тому, что сжимающееся облако сплющилось, образовав центральное сгущение (протосолнце) и вращающийся вокруг него протопланетный диск.

3. Энергия излучения: Разогретое до высоких температур вещество в центре облака (протосолнце) и в диске начало интенсивно излучать энергию в виде электромагнитных волн (света и тепла). Это излучение уносило энергию из системы, позволяя ей продолжать сжиматься и нагреваться ещё сильнее. В конечном итоге, именно этот процесс позволил протосолнцу достичь в своём ядре температур и давлений, достаточных для начала термоядерных реакций.

Ответ: Гравитационная энергия сжатия протооблака переходила в тепловую энергию (нагрев вещества), кинетическую энергию вращения (ускорение вращения и формирование диска) и энергию излучения (свет и тепло, уносимые в космос).

3. Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?

Планеты Солнечной системы делятся на две большие группы — планеты земной группы и планеты-гиганты, которые кардинально отличаются по ряду характеристик, обусловленных условиями их формирования.

Расположение:

• Земная группа (Меркурий, Венера, Земля, Марс): Находятся во внутренней части Солнечной системы, ближе к Солнцу, до пояса астероидов.

• Гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун): Расположены во внешней части Солнечной системы, за поясом астероидов.

Размер и масса:

• Земная группа: Относительно малые диаметры и небольшая масса. Масса самой крупной планеты земной группы, Земли, в 318 раз меньше массы Юпитера.

• Гиганты: Очень большие размеры и огромная масса. Юпитер, самая большая планета, в 11 раз превосходит Землю по диаметру.

Состав и плотность:

• Земная группа: Состоят из тяжёлых элементов — силикатных пород и металлов (железо, никель). Имеют высокую среднюю плотность (около $4 - 5.5 \text{ г/см}^3$) и твёрдую поверхность.

• Гиганты: Состоят в основном из лёгких элементов. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн) — из водорода и гелия; ледяные гиганты (Уран, Нептун) — из воды, аммиака и метана в «ледяном» состоянии. Имеют низкую среднюю плотность (от $0.7 \text{ г/см}^3$ у Сатурна до $1.76 \text{ г/см}^3$ у Нептуна) и не имеют чётко выраженной твёрдой поверхности.

Атмосфера:

• Земная группа: Атмосферы, если они есть, относительно тонкие (кроме Венеры).

• Гиганты: Обладают очень мощными, глубокими и плотными атмосферами, составляющими значительную часть их массы.

Вращение:

• Земная группа: Вращаются вокруг своей оси относительно медленно (период вращения — от 24 часов до 243 суток).

• Гиганты: Вращаются очень быстро (период вращения — около 10–17 часов), что приводит к их заметному сжатию у полюсов.

Спутники и кольца:

• Земная группа: Мало спутников (у Земли — 1, у Марса — 2, у Меркурия и Венеры — 0) и нет колец.

• Гиганты: Имеют большое количество спутников (десятки у каждой) и все обладают системами колец, состоящими из пыли и льда.

Ответ: Планеты земной группы — это малые, плотные, каменистые планеты внутренней Солнечной системы с малым числом спутников и медленным вращением. Планеты-гиганты — это огромные, массивные, газово-ледяные планеты внешней Солнечной системы с низкой плотностью, быстрым вращением, многочисленными спутниками и кольцами.