Страница 296 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Какие группы объектов входят в Солнечную систему?

1. Решение

Солнечная система — это гравитационно-связанная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, обращающиеся вокруг неё. В состав Солнечной системы входят несколько основных групп объектов:

• Солнце:

  Центральная и единственная звезда Солнечной системы. Это жёлтый карлик спектрального класса G2V, который содержит около 99,86% всей массы системы. Его гравитация удерживает все остальные объекты на их орбитах.

• Планеты:

  Крупные небесные тела, вращающиеся по орбите вокруг Солнца, обладающие достаточной массой, чтобы под действием собственной гравитации принять почти сферическую форму, и расчистившие окрестности своей орбиты от других тел. В Солнечной системе 8 планет, которые делятся на две группы:

  • Планеты земной группы (внутренние планеты): Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они состоят преимущественно из силикатов и металлов, имеют твёрдую поверхность и относительно высокую плотность.
  • Планеты-гиганты (внешние планеты): Юпитер и Сатурн (газовые гиганты), а также Уран и Нептун (ледяные гиганты). Они значительно крупнее и массивнее планет земной группы и состоят в основном из газов (водород, гелий) и летучих веществ (вода, аммиак, метан).
• Карликовые планеты:

  Объекты, которые, как и планеты, вращаются вокруг Солнца и имеют почти сферическую форму, но, в отличие от планет, не смогли расчистить свою орбиту от других объектов. К ним относятся Плутон, Эрида, Церера, Макемаке и Хаумеа.

• Спутники:

  Естественные небесные тела, обращающиеся вокруг планет, карликовых планет или даже астероидов. В Солнечной системе известно более 200 спутников. Например, Луна — спутник Земли, а Европа и Ганимед — спутники Юпитера.

• Малые тела Солнечной системы:

  Это все остальные объекты, вращающиеся вокруг Солнца, за исключением планет, карликовых планет и их спутников. К ним относятся:

  • Астероиды: Небольшие каменистые или металлические тела неправильной формы. Большинство из них сосредоточено в главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера.
  • Кометы: Тела, состоящие из льда, пыли и замёрзших газов. Приближаясь к Солнцу, они нагреваются, и у них образуется кома (газопылевое облако) и хвост. Источниками комет считаются пояс Койпера и облако Оорта.
  • Метеороиды: Очень мелкие твёрдые тела, промежуточные по размеру между космической пылью и астероидами. При входе в атмосферу Земли они сгорают, создавая явление метеора («падающей звезды»). Фрагменты, достигшие поверхности, называются метеоритами.
• Межпланетная среда:

  Разреженное вещество и поля, заполняющие пространство между объектами Солнечной системы. Включает в себя межпланетную пыль, плазму солнечного ветра и космические лучи.

Ответ: Солнечная система включает следующие группы объектов: центральную звезду (Солнце), восемь планет (разделяемых на планеты земной группы и планеты-гиганты), карликовые планеты, спутники, малые тела (астероиды, кометы, метеороиды) и межпланетную среду (пыль, газ, плазма).

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.

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

Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?

Планеты земной группы и планеты-гиганты представляют собой два фундаментально разных класса планет в Солнечной системе, различающихся по множеству ключевых характеристик:

1. Состав и строение.

Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) состоят в основном из тяжелых элементов: силикатных пород и металлов (железо, никель). Они имеют четко выраженную твердую поверхность и высокую среднюю плотность.

Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) состоят преимущественно из легких элементов. Юпитер и Сатурн — это газовые гиганты, состоящие в основном из водорода и гелия. Уран и Нептун — ледяные гиганты, содержащие, помимо водорода и гелия, значительное количество замерзших летучих веществ (воды, аммиака, метана), которые называют "льдами". У них нет твердой поверхности, а их средняя плотность низкая (у Сатурна она даже меньше плотности воды).

2. Размер и масса.

Планеты земной группы имеют относительно небольшие размеры и массу.

Планеты-гиганты значительно превосходят их по этим параметрам. Масса одного лишь Юпитера в 2,5 раза больше массы всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых.

3. Расположение в Солнечной системе.

Планеты земной группы находятся во внутренней части Солнечной системы, близко к Солнцу.

Планеты-гиганты расположены во внешней части Солнечной системы, далеко от Солнца.

4. Спутники и кольца.

У планет земной группы мало спутников (у Земли — 1, у Марса — 2, у Меркурия и Венеры их нет) и отсутствуют кольца.

Все планеты-гиганты обладают большим количеством спутников и имеют системы колец, состоящие из частиц льда и пыли (наиболее известны кольца Сатурна).

5. Вращение и атмосфера.

Планеты-гиганты вращаются очень быстро (период вращения от 10 до 17 часов), что приводит к их заметному сжатию у полюсов. Их атмосферы очень мощные и плотные, состоят в основном из водорода и гелия.

Планеты земной группы вращаются медленнее, а их атмосферы (если есть) значительно менее массивны.

Ответ: Планеты земной группы — это небольшие, плотные, каменисто-металлические тела с твердой поверхностью, малым числом спутников и без колец, расположенные близко к Солнцу. Планеты-гиганты — это огромные, массивные тела с низкой плотностью, состоящие в основном из газов и льдов, без твердой поверхности, с мощными атмосферами, многочисленными спутниками и системами колец, расположенные далеко от Солнца.

Чем эти отличия обусловлены?

Ключевая причина различий между двумя группами планет кроется в условиях, которые существовали в протопланетном диске на заре формирования Солнечной системы около 4,6 миллиарда лет назад. Основным фактором является температурный градиент в диске: чем ближе к молодому Солнцу, тем выше была температура.

Существовала условная граница, называемая "линией замерзания" или "снеговой линией". Она находилась примерно между орбитами Марса и Юпитера.

– Внутри снеговой линии (внутренняя часть Солнечной системы) температура была слишком высокой, чтобы летучие соединения, такие как вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$) и метан ($CH_4$), могли сконденсироваться в твердые частицы (лед). Здесь могли существовать в твердом виде только тугоплавкие вещества — металлы и силикатные породы. Поскольку этих веществ в протопланетном диске было относительно мало, из них смогли сформироваться лишь небольшие по массе планеты — планеты земной группы.

– За снеговой линией (внешняя часть Солнечной системы) температура была достаточно низкой для конденсации не только металлов и пород, но и огромного количества летучих соединений (льдов). Это привело к тому, что твердого строительного материала здесь было на порядок больше. Из-за этого зародыши планет смогли быстро набрать большую массу.

Достигнув критической массы (порядка $10$ масс Земли, или $10 M_{⊕}$), эти массивные ядра получили возможность своим мощным гравитационным полем захватывать и удерживать легчайшие и самые распространенные газы в туманности — водород и гелий. Этот процесс, называемый аккрецией газа, привел к формированию огромных газовых и ледяных гигантов.

Планеты земной группы, не набрав достаточной массы, не смогли удержать значительные объемы водорода и гелия, которые впоследствии были "сдуты" из внутренней части Солнечной системы мощным солнечным ветром молодого Солнца.

Ответ: Отличия обусловлены условиями формирования планет в протопланетном диске. Во внутренней, горячей части диска могли конденсироваться только тугоплавкие металлы и породы, из которых сформировались небольшие планеты земной группы. Во внешней, холодной части за "линией замерзания" конденсировались также многочисленные льды, что позволило сформироваться массивным ядрам, которые затем притянули к себе огромные объемы газа (водорода и гелия), став планетами-гигантами.

Почему планеты Солнечной системы не покидают её; не падают на Солнце?

Планеты Солнечной системы не падают на Солнце и не улетают в открытый космос благодаря тонкому равновесию между двумя фундаментальными силами: силой гравитационного притяжения Солнца и инерцией движения самих планет.

С одной стороны, Солнце, обладая колоссальной массой (около 99,86% от массы всей Солнечной системы), создает мощное гравитационное поле, которое притягивает к себе все планеты. Эта сила, описываемая законом всемирного тяготения, всегда направлена к центру Солнца и стремится заставить планеты упасть на него. Если бы планеты были неподвижны, они бы неминуемо рухнули на Солнце.

С другой стороны, планеты не неподвижны. Они движутся с очень большой скоростью, которая досталась им в наследство от вращающегося газопылевого облака, из которого и сформировалась наша система. Согласно закону инерции, любое тело стремится сохранить свою скорость и направление движения. Таким образом, из-за своей скорости планета постоянно пытается улететь по прямой линии, по касательной к своей орбите, в открытый космос.

Стабильная орбита является результатом непрерывного компромисса между этими двумя тенденциями. Гравитационная сила Солнца постоянно "изгибает" прямолинейную траекторию движения планеты, не давая ей улететь и заставляя ее двигаться по замкнутой кривой — эллипсу. В свою очередь, боковая скорость планеты не позволяет ей упасть на Солнце. Этот процесс можно сравнить с раскручиванием шарика на веревке: натяжение веревки (аналог гравитации) удерживает шарик от улетания, а его скорость не дает ему упасть в центр.

В физике это описывается через понятия космических скоростей. Для удержания на круговой орбите тело должно иметь первую космическую скорость ($v_1$), которая рассчитывается по формуле:

$v_1 = \sqrt{\frac{GM}{R}}$

где $G$ — гравитационная постоянная, $M$ — масса центрального тела (Солнца), а $R$ — радиус орбиты.

Чтобы навсегда покинуть гравитационное поле центрального тела, необходимо достичь второй космической скорости (скорости убегания):

$v_2 = \sqrt{\frac{2GM}{R}}$

Орбитальные скорости планет нашей системы как раз находятся в промежутке между этими двумя значениями для их расстояний от Солнца. Их скорости достаточно велики, чтобы не упасть на Солнце, но недостаточны для того, чтобы преодолеть его гравитацию и покинуть систему.

Ответ:Планеты не падают на Солнце, потому что обладают значительной скоростью движения, которая постоянно "уводит" их в сторону от прямого падения, заставляя двигаться по орбите. Они не покидают Солнечную систему, так как их скорость недостаточна для преодоления мощной силы гравитационного притяжения Солнца.