Страница 308 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Что нового вы узнали об атмосфере, строении, магнитном поле Земли?

1. Что нового вы узнали об атмосфере, строении, магнитном поле Земли?

Атмосфера Земли — это газовая оболочка, окружающая нашу планету, которая играет ключевую роль в поддержании жизни.

• Состав и строение: Атмосфера состоит преимущественно из азота (около 78%) и кислорода (около 21%), а также аргона, углекислого газа и незначительного количества других газов. Она имеет слоистую структуру:
  • Тропосфера (до 10–15 км): самый нижний слой, в котором формируется погода. Температура здесь падает с высотой.
  • Стратосфера (до 50–55 км): содержит озоновый слой, который поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Температура в этом слое растет с высотой.
  • Мезосфера (до 80–90 км): здесь сгорает большинство метеоров.
  • Термосфера (до 800 км): характеризуется очень высокой температурой из-за поглощения солнечной радиации, здесь возникают полярные сияния.
  • Экзосфера: внешний слой, который постепенно переходит в межпланетное пространство.
• Значение: Атмосфера обеспечивает нас кислородом для дыхания, защищает от космического излучения и метеоритов, а также регулирует климат на планете благодаря парниковому эффекту.

Внутреннее строение Земли также является слоистым и включает три основные оболочки:

• Земная кора: самый верхний, тонкий и твердый слой.
• Мантия: находится под корой и составляет большую часть объема Земли. Это вязкий, раскаленный слой, вещество которого медленно перемещается, вызывая движение литосферных плит.
• Ядро: центральная часть планеты, состоящая из железа и никеля. Оно делится на:
  • Внешнее ядро: находится в жидком состоянии. Его конвекционные потоки генерируют магнитное поле Земли.
  • Внутреннее ядро: твердое из-за гигантского давления, несмотря на еще более высокую температуру.

Магнитное поле Земли (или магнитосфера) — это невидимый силовой щит, создаваемый движением жидкого металла во внешнем ядре.

• Источник и свойства: Генерируется по принципу динамо-машины. Оно имеет два полюса (северный и южный), которые не совпадают с географическими и со временем смещаются.
• Защитная функция: Магнитное поле отклоняет потоки заряженных частиц, летящих от Солнца (солнечный ветер). Без этой защиты солнечный ветер мог бы "сдуть" атмосферу Земли, сделав планету безжизненной. Частицы, которые все же прорываются в магнитосферу, вызывают такие явления, как полярные сияния.

Ответ: Новые знания касаются слоистой структуры атмосферы (тропосфера, стратосфера с озоновым слоем, мезосфера, термосфера), внутреннего строения Земли (кора, мантия, жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее) и природы ее магнитного поля. Важнейшим открытием является то, что движение расплавленного железа во внешнем ядре генерирует магнитное поле, которое формирует магнитосферу, защищающую все живое и атмосферу от губительного солнечного ветра.

2. Чем могут быть вызваны проблемы с дыханием у здорового человека, поднимающегося на воздушном шаре?

Проблемы с дыханием у здорового человека при подъеме на воздушном шаре вызваны физическими изменениями в атмосфере с набором высоты. Основная причина — это снижение атмосферного давления.

Вот как это происходит поэтапно:

1. Снижение атмосферного давления: С увеличением высоты над уровнем моря воздух становится более разреженным, и общее давление атмосферы падает.
2. Уменьшение парциального давления кислорода: Хотя процентное содержание кислорода в воздухе остается практически неизменным (около 21%), из-за падения общего давления снижается и парциальное давление кислорода. Парциальное давление — это та часть общего давления, которая создается конкретным газом, в данном случае кислородом. Именно оно определяет, насколько эффективно кислород будет поступать в кровь.
3. Нарушение газообмена в легких: Процесс дыхания и насыщения крови кислородом (сатурация) зависит от разницы давлений кислорода в альвеолах легких и в крови. Когда парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе падает, эта разница уменьшается. В результате кислород гораздо хуже проникает из легких в кровь через альвеолярно-капиллярную мембрану.
4. Развитие гипоксии: Недостаточное поступление кислорода в кровь приводит к состоянию, называемому гипоксией, то есть кислородному голоданию тканей и органов организма. Мозг и сердце особенно чувствительны к недостатку кислорода.

Симптомами такого состояния являются одышка (ощущение нехватки воздуха), учащенное сердцебиение, головокружение, слабость, головная боль и спутанность сознания. Организм пытается компенсировать нехватку кислорода, заставляя человека дышать чаще и глубже, а сердце — биться быстрее, но на больших высотах этих мер становится недостаточно.

Ответ: Проблемы с дыханием вызваны снижением парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе из-за падения общего атмосферного давления на высоте. Это приводит к ухудшению газообмена в легких и развитию кислородного голодания (гипоксии).

2. Чем могут быть вызваны проблемы с дыханием у здорового человека, поднимающегося на воздушном шаре?

2. Чем могут быть вызваны проблемы с дыханием у здорового человека, поднимающегося на воздушном шаре?

Проблемы с дыханием у здорового человека при подъеме на воздушном шаре обусловлены изменениями физических свойств атмосферы с увеличением высоты. Главной причиной является снижение атмосферного давления.

По мере набора высоты воздух становится более разреженным, его плотность и общее давление ($P_{атм}$) уменьшаются. Процентное содержание кислорода в воздухе при этом остается практически постоянным (около 21%), однако из-за падения общего давления снижается и парциальное давление кислорода ($P_{O_2}$).

Парциальное давление – это давление, которое создавал бы газ, если бы он один занимал весь объем смеси. Оно вычисляется как произведение общего давления на долю газа в смеси: $P_{O_2} = P_{атм} \cdot F_{O_2}$, где $F_{O_2}$ – доля кислорода. Процесс насыщения крови кислородом в легких (в альвеолах) зависит от разницы (градиента) парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе и в крови.

При подъеме человека на высоту $P_{атм}$ падает, что приводит к уменьшению $P_{O_2}$ во вдыхаемом воздухе. Следовательно, снижается и парциальное давление кислорода в альвеолах. Это уменьшает движущую силу, которая обеспечивает переход кислорода из легких в кровь. В результате кровь хуже насыщается кислородом, и в организме развивается состояние, называемое гипоксией, или кислородным голоданием.

Организм пытается скомпенсировать недостаток кислорода за счет учащения дыхания и сердцебиения. Однако на значительных высотах этих мер становится недостаточно, и проявляются симптомы высотной болезни: одышка, головная боль, головокружение, слабость и тошнота.

Ответ: Проблемы с дыханием при подъеме на высоту вызваны снижением атмосферного давления, что ведет к уменьшению парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Это затрудняет переход кислорода из легких в кровь и вызывает кислородное голодание (гипоксию) организма.

3. Высота тропосферы в полярных областях Земли достигает 10 км, а в экваториальной — 16–18 км. Как бы вы объяснили это различие, используя знания по физике?

3. Различие в высоте тропосферы между полярными и экваториальными областями Земли объясняется двумя основными физическими факторами: температурой и вращением Земли.

Первый фактор — температура. Экваториальные области получают значительно больше солнечной энергии, чем полярные, поэтому воздух у поверхности здесь гораздо теплее. Согласно газовым законам, при нагревании газ расширяется (при постоянном давлении объем прямо пропорционален температуре, $V \propto T$). Теплый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх за счет конвекции. Мощные восходящие конвективные потоки на экваторе "поднимают" границу тропосферы (тропопаузу) на большую высоту. В холодных полярных областях воздух, наоборот, плотный, тяжелый и опускается вниз, что делает тропосферу более низкой.

Второй фактор — вращение Земли. Земля вращается вокруг своей оси, создавая центробежную силу, направленную от оси вращения. Эта сила максимальна на экваторе, где линейная скорость вращения наибольшая (около 465 м/с), и равна нулю на полюсах. Центробежная сила действует на молекулы воздуха, частично противодействуя силе гравитации и "отбрасывая" атмосферу от поверхности. Этот эффект наиболее выражен на экваторе, что способствует дополнительному увеличению высоты тропосферы в этой области. Таким образом, атмосфера, как и сама планета, слегка сплюснута у полюсов и вытянута у экватора.

Ответ: Высота тропосферы больше на экваторе, чем у полюсов, из-за двух причин: во-первых, из-за более высокой температуры на экваторе воздух расширяется и поднимается выше; во-вторых, из-за вращения Земли центробежная сила на экваторе максимальна, что способствует "растягиванию" атмосферы вверх.

4. Крайне разреженная атмосфера Меркурия (которую правильнее называть экзосферой) объясняется совокупностью факторов, но ключевыми являются две причины.

Первая причина — слабая гравитация. Меркурий — небольшая планета с массой всего около 5.5% от массы Земли. Из-за этого сила тяжести на его поверхности слабая, а вторая космическая скорость (скорость убегания) очень низка — всего 4.25 км/с (для сравнения, у Земли — 11.2 км/с). Это означает, что молекулам газа достаточно приобрести относительно небольшую скорость, чтобы навсегда покинуть планету и улететь в космос. Скорость убегания определяется формулой $v_e = \sqrt{2GM/R}$, где $M$ и $R$ — масса и радиус планеты. Малые значения $M$ и $R$ для Меркурия приводят к низкому значению $v_e$.

Вторая причина — близость к Солнцу. Этот фактор имеет два важных следствия. Во-первых, высокая температура: дневная сторона планеты разогревается до температур свыше 400 °C. При такой температуре атомы и молекулы газов приобретают огромную кинетическую энергию и высокие скорости, которых часто достаточно для преодоления слабой гравитации планеты. Во-вторых, мощный солнечный ветер: Меркурий почти не имеет защитного магнитного поля, и интенсивный поток заряженных частиц от Солнца буквально "сдувает" и "выбивает" частицы из его экзосферы, не давая атмосфере накопиться.

Ответ: Атмосфера Меркурия крайне разрежена по двум основным причинам: 1) слабая гравитация планеты не способна удержать газовые молекулы, так как скорость убегания с его поверхности низка; 2) из-за близости к Солнцу интенсивный солнечный ветер "сдувает" атмосферу, а высокая температура придает молекулам газа достаточную скорость для преодоления гравитации планеты.

4. По каким двум причинам атмосфера Меркурия крайне разрежена?

4. По каким двум причинам атмосфера Меркурия крайне разрежена?

Атмосфера Меркурия, которую правильнее называть экзосферой, является чрезвычайно разреженной по двум основным физическим причинам.

Первая причина — слабая гравитация. Меркурий — небольшая планета с массой всего около 5.5% от массы Земли. Из-за этого сила тяжести на его поверхности мала, и, как следствие, низка вторая космическая скорость (скорость убегания) — минимальная скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения. Она составляет всего $v_e \approx 4.25$ км/с (для сравнения, у Земли — 11.2 км/с). Для того чтобы газ мог удерживаться планетой, средняя тепловая скорость его молекул должна быть значительно меньше скорости убегания. При высоких температурах, характерных для Меркурия, скорость даже относительно тяжелых атомов газа становится достаточной, чтобы они со временем покидали планету и улетучивались в космос.

Вторая причина — близость к Солнцу. Это приводит к двум губительным для атмосферы последствиям. Во-первых, дневная сторона планеты разогревается до температур свыше 400 °C. Такая высокая температура придает атомам и молекулам газа огромную кинетическую энергию и, соответственно, высокую скорость, что облегчает их "побег" с планеты. Во-вторых, Меркурий подвергается мощному воздействию солнечного ветра — потока заряженных частиц, который буквально "сдувает" и выбивает частицы разреженной атмосферы в космическое пространство. Собственное магнитное поле Меркурия слишком слабое, чтобы обеспечить эффективную защиту от этого процесса.

Ответ: Двумя основными причинами крайне разреженной атмосферы Меркурия являются его слабая гравитация (что обуславливает низкую скорость убегания) и его близость к Солнцу, что приводит к высоким температурам на поверхности и мощному воздействию солнечного ветра, который сдувает атмосферные газы.

5. Чем отличается магнитное поле Юпитера от магнитного-

Магнитное поле Юпитера кардинально отличается от магнитного поля Земли (и других планет земной группы) по нескольким ключевым параметрам.

1. Колоссальная мощность и размеры. Магнитное поле Юпитера является самым мощным среди всех планет Солнечной системы. Его магнитный момент почти в 20 000 раз превышает земной, а напряженность поля у видимой поверхности облаков более чем в 10 раз сильнее, чем у поверхности Земли. Это мощное поле создает гигантскую магнитосферу, которая простирается на миллионы километров и является самой крупной связной структурой в Солнечной системе. Если бы магнитосфера Юпитера была видима с Земли, её угловой размер на небе в несколько раз превышал бы размер полной Луны.

2. Механизм генерации. Хотя и на Земле, и на Юпитере поле генерируется по принципу гидромагнитного динамо (за счет движения электропроводящей жидкости), само вещество, создающее его, разное. На Земле это потоки жидкого железа и никеля во внешнем ядре. Юпитер же, как газовый гигант, не имеет такого ядра. Его поле генерируется конвективными потоками в обширном слое металлического водорода, который образуется под колоссальным давлением в недрах планеты. В этом состоянии водород приобретает свойства металла и становится отличным проводником электричества, что необходимо для работы динамо-механизма.

3. Полярность и взаимодействие со спутниками. Магнитное поле Юпитера имеет обратную полярность по сравнению с земным: его северный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса планеты (у Земли же вблизи северного географического полюса находится южный магнитный полюс). Кроме того, поле Юпитера активно взаимодействует с его крупными спутниками. В частности, вулканическая активность спутника Ио выбрасывает вещество, которое ионизируется и образует вокруг Юпитера мощный плазменный тор, являющийся важным источником частиц для его магнитосферы. У Земли подобного интенсивного взаимодействия со своим спутником нет.

Ответ: Магнитное поле Юпитера отличается от земного, в первую очередь, своей колоссальной мощностью (магнитный момент больше почти в 20 000 раз) и гигантскими размерами магнитосферы; иным механизмом генерации (конвекция в слое металлического водорода, а не в железном ядре); обратной полярностью и сильным взаимодействием со своими спутниками (особенно с Ио).

5. Чем отличается магнитное поле Юпитера от магнитного поля Земли?

5. Чем отличается магнитное поле Юпитера от магнитного поля Земли?

Магнитное поле Юпитера и Земли, хотя и генерируются схожим механизмом (эффект динамо), имеют существенные различия по нескольким ключевым параметрам:

• Интенсивность и магнитный момент. Главное отличие — это масштаб. Магнитное поле Юпитера гораздо мощнее земного. Его магнитный момент примерно в 18 000 раз превышает магнитный момент Земли, что делает его самым сильным планетарным полем в Солнечной системе. Напряженность поля у экватора на уровне облаков Юпитера составляет около 420 мкТл, в то время как у Земли — всего 30–60 мкТл.

• Источник генерации. Источники полей различны из-за разного внутреннего строения планет. Магнитное поле Земли создается конвективными потоками в жидком железо-никелевом внешнем ядре. У Юпитера, газового гиганта, поле генерируется в огромном слое жидкого металлического водорода, который находится под колоссальным давлением и обладает высокой электропроводностью. Вращение планеты и конвекция в этом слое создают мощнейшее динамо.

• Структура и полярность. Оба поля в основном дипольные. Наклон магнитной оси Юпитера к оси вращения составляет около 10°, что сопоставимо с наклоном у Земли (около 11°). Однако у Юпитера поле имеет более сложную, "неаккуратную" структуру с сильными недипольными компонентами. Кроме того, полярность поля Юпитера противоположна земной: его северный магнитный полюс находится в северном полушарии, в то время как у Земли северный магнитный полюс (куда указывает стрелка компаса) находится в южном полушарии.

• Магнитосфера. Размеры магнитосферы Юпитера колоссальны. Она является самой большой структурой в Солнечной системе (после гелиосферы). Если бы ее можно было видеть с Земли, она казалась бы в несколько раз больше полной Луны. Она заполнена плотной плазмой, основным источником которой является вулканическая активность спутника Ио.

Ответ: Магнитное поле Юпитера, в отличие от земного, значительно мощнее (магнитный момент больше примерно в 18 000 раз), генерируется слоем металлического водорода (а не железо-никелевым ядром), имеет противоположную полярность и более сложную структуру, а также формирует самую большую магнитосферу в Солнечной системе.

6. Что такое металлический водород?

Металлический водород — это фаза вещества, в которой водород приобретает свойства, характерные для металлов, в первую очередь высокую электропроводность.

• Условия образования. Водород переходит в металлическое состояние при сверхвысоких давлениях, порядка нескольких миллионов земных атмосфер (сотни гигапаскалей). Такие условия существуют в недрах планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн.

• Структура. В обычных условиях водород является газом-диэлектриком и состоит из двухатомных молекул $H_2$. Под действием колоссального давления связи в молекулах $H_2$ разрываются. Атомы водорода образуют плотную структуру, состоящую из решетки протонов, в то время как электроны отрываются от своих ядер и становятся "свободными" или "обобществленными". Эти делокализованные электроны образуют "электронный газ", который может свободно перемещаться по всему объему вещества, как это происходит в обычных металлах.

• Роль в астрофизике. Существование слоя жидкого металлического водорода внутри Юпитера и Сатурна является ключевым элементом для объяснения их мощных магнитных полей. Быстрое вращение планет и конвективные течения в этом электропроводящем слое создают условия для работы гидромагнитного динамо, которое и генерирует поле.

Ответ: Металлический водород — это фаза водорода, образующаяся при сверхвысоких давлениях (как в недрах планет-гигантов), в которой он теряет молекулярную структуру, его электроны становятся свободными, и вещество приобретает свойства металла, в частности, высокую электропроводность.

6. Что такое металлический водород?

Решение

Металлический водород — это фаза водорода, которая, как предсказывает теория, образуется при чрезвычайно высоком давлении. В нормальных условиях водород является газом, состоящим из двухатомных молекул $H_2$, и представляет собой диэлектрик. Однако, если подвергнуть водород давлению в несколько сотен гигапаскалей (свыше 400 ГПа, что в миллионы раз превышает атмосферное давление), его физические свойства кардинально изменяются.

Процесс перехода выглядит следующим образом:

1. Под действием гигантского давления расстояние между молекулами $H_2$ сокращается настолько, что их электронные оболочки начинают перекрываться.
2. В конечном итоге ковалентные связи внутри молекул разрываются, и вещество переходит в атомарное состояние.
3. Электроны перестают быть связанными с конкретными протонами (ядрами атомов водорода) и образуют "электронный газ" — совокупность свободных электронов, которые могут перемещаться по всему объёму вещества.
4. Протоны, в свою очередь, выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку.

Такая структура — кристаллическая решётка из положительных ионов и "море" свободных электронов — характерна для металлов. Именно поэтому данная фаза водорода и называется металлической. Как и обычные металлы, металлический водород должен обладать высокой электро- и теплопроводностью.

Где встречается и для чего нужен:

• В природе: Считается, что металлический водород (в основном в жидком виде) составляет значительную часть недр планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Огромное давление в их мантиях создаёт условия для его образования. Предполагается, что электрические токи в слое жидкого металлического водорода генерируют мощные магнитные поля этих планет.
• В науке и технологиях: Получение металлического водорода в лаборатории является одной из важнейших задач физики высоких давлений. Теоретически, он может обладать рядом уникальных свойств:
  • Высокотемпературная сверхпроводимость: Некоторые теории предсказывают, что он может быть сверхпроводником даже при комнатной температуре. Это произвело бы революцию в энергетике и технике.
  • Метастабильность: Существует гипотеза, что металлический водород может оставаться в металлическом состоянии даже после снятия сверхвысокого давления. Если это так, то при его обратном переходе в молекулярную форму выделится огромное количество энергии. Это сделало бы его самым эффективным химическим ракетным топливом, которое только можно представить. Однако большинство современных моделей показывают, что он, скорее всего, неметастабилен.

Экспериментальное получение и подтверждение свойств металлического водорода чрезвычайно сложно, и хотя о его создании в лабораториях заявлялось несколько раз, эти результаты пока остаются предметом научных дискуссий.

Ответ: Металлический водород — это гипотетическая фаза водорода, которая образуется при сверхвысоких давлениях (сотни гигапаскалей), в которой молекулы водорода распадаются на протоны и электроны. Протоны образуют кристаллическую решётку, а электроны становятся свободными, что придаёт веществу свойства металла, в частности, высокую электропроводность.

7. В чём заключаются особенности магнитных полей Урана и Нептуна?

6. Что такое металлический водород?

Металлический водород — это фаза водорода, которая, как предполагается, образуется при чрезвычайно высоких давлениях, в сотни гигапаскалей (в миллионы раз выше атмосферного давления Земли). В таких условиях сила сжатия настолько велика, что она разрушает ковалентные связи в молекулах водорода ($H_2$). В результате атомы водорода образуют кристаллическую решетку из протонов, а их электроны отделяются и становятся общими, формируя так называемое «электронное море» или «электронный газ», как в структуре обычных металлов.

Главное свойство металлического водорода — это его способность проводить электрический ток, то есть он является проводником. Считается, что в недрах планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, существует огромный слой жидкого металлического водорода. Мощные конвективные потоки в этом проводящем слое, в сочетании с быстрым вращением планет, создают условия для работы механизма гидромагнитного динамо, которое и генерирует их очень сильные магнитные поля. Получение металлического водорода в лабораторных условиях является одной из сложнейших задач физики высоких давлений.

Ответ: Металлический водород — это гипотетическая фаза водорода, обладающая свойствами металла (в частности, электропроводностью), которая образуется при сверхвысоких давлениях. Считается, что он существует в жидком виде в недрах газовых гигантов (Юпитера, Сатурна) и является источником их мощных магнитных полей.

7. В чём заключаются особенности магнитных полей Урана и Нептуна?

Магнитные поля ледяных гигантов Урана и Нептуна обладают рядом уникальных особенностей, которые кардинально отличают их от магнитных полей других планет Солнечной системы:

1. Сильный наклон магнитной оси. Магнитная ось обеих планет очень сильно наклонена по отношению к их оси вращения. У Урана этот угол составляет примерно 59°, а у Нептуна — около 47°. Для сравнения, наклон магнитного поля Земли составляет всего около 11°.

2. Значительное смещение от центра. Центр магнитного поля не совпадает с геометрическим центром планеты. У Урана он смещен примерно на треть планетарного радиуса, а у Нептуна — еще больше, примерно на 0,55 радиуса. Это означает, что источник поля находится не в ядре, а где-то в мантии.

3. Сложная, мультипольная структура. В отличие от Земли, Юпитера и Сатурна, чьи магнитные поля в основном являются дипольными (похожими на поле простого стержневого магнита), поля Урана и Нептуна имеют очень сложную, мультипольную структуру. В них велика роль квадрупольных (четырехполюсных) и октупольных (восьмиполюсных) составляющих. Из-за этого напряженность магнитного поля на поверхности этих планет распределена крайне неравномерно.

Эти странности объясняют тем, что источником поля у ледяных гигантов, вероятно, является не металлическое ядро, а конвективные движения в относительно тонком слое на небольшой глубине. Этот слой состоит из электропроводящей «жидкости» — смеси воды, аммиака и метана, находящейся под высоким давлением и температурой (так называемый суперионный лед). Генерация поля в такой неглубокой и турбулентной оболочке и приводит к его смещению, наклону и сложной структуре.

Ответ: Особенности магнитных полей Урана и Нептуна заключаются в их большом наклоне относительно оси вращения (59° и 47° соответственно), значительном смещении центра поля от центра планеты и сложной, мультипольной (недипольной) структуре. Предполагается, что это связано с генерацией поля в неглубокой конвективной оболочке из электропроводящих льдов, а не в ядре.

1. Что является причиной смены времён года на Земле? Есть ли смена времён года на других планетах?

Что является причиной смены времён года на Земле?

Главной причиной смены времён года на Земле является наклон оси вращения нашей планеты по отношению к плоскости её орбиты вокруг Солнца (эклиптики). Ось вращения Земли наклонена под углом примерно $23.5^\circ$ к перпендикуляру, проведённому к этой плоскости.

Из-за этого наклона, пока Земля совершает свой годовой путь вокруг Солнца, разные её части получают разное количество солнечной энергии. Когда Северное полушарие наклонено в сторону Солнца, солнечные лучи падают на его поверхность более отвесно (под большим углом к горизонту), а световой день длится дольше. Это приводит к большему нагреву поверхности, и в Северном полушарии наступает лето. В это же самое время Южное полушарие отклонено от Солнца, солнечные лучи падают на него под меньшим углом, день короче ночи, и там наступает зима.

Спустя полгода Земля оказывается в противоположной точке своей орбиты. Теперь уже Южное полушарие наклонено к Солнцу, и там наступает лето, в то время как в Северном полушарии — зима.

Существуют также два промежуточных положения — весеннее и осеннее равноденствия. В эти моменты ось Земли не наклонена ни к Солнцу, ни от него, и оба полушария получают примерно одинаковое количество света и тепла, а продолжительность дня и ночи практически одинакова по всей планете.

Распространённое мнение о том, что смена сезонов вызвана изменением расстояния от Земли до Солнца (из-за эллиптической формы орбиты), является заблуждением. Хотя это расстояние действительно меняется в течение года, его влияние на климат минимально по сравнению с эффектом от наклона оси.

Ответ: Основной причиной смены времён года на Земле является наклон оси её вращения (около $23.5^\circ$) относительно плоскости орбиты. Этот наклон приводит к тому, что в разное время года одно из полушарий Земли получает больше прямых солнечных лучей и тепла, чем другое.

Есть ли смена времён года на других планетах?

Да, на большинстве планет Солнечной системы также происходит смена времён года. Главным фактором, определяющим наличие и характер сезонов, как и на Земле, является наклон оси вращения планеты. Также на продолжительность и суровость сезонов может влиять форма орбиты (её вытянутость, или эксцентриситет).

•Марс: Имеет наклон оси около $25.2^\circ$, что очень похоже на земной. Поэтому на Марсе существуют четыре отчётливых сезона. Однако они почти в два раза длиннее земных, так как марсианский год длится около 687 земных суток. Из-за более вытянутой орбиты сезоны в северном и южном полушариях Марса заметно отличаются по интенсивности.

•Сатурн и Нептун: Эти газовые гиганты имеют наклон оси, сопоставимый с земным ($26.7^\circ$ у Сатурна и $28.3^\circ$ у Нептуна), поэтому у них есть сезоны. Но из-за огромной продолжительности их года (29.5 земных лет у Сатурна и 165 лет у Нептуна) каждый сезон длится десятилетиями.

•Уран: Обладает экстремальным наклоном оси в $97.8^\circ$. Планета фактически вращается «лёжа на боку» по отношению к своей орбите. Это создаёт самые необычные сезоны в Солнечной системе: каждый полюс в течение 21 земного года находится под непрерывным солнечным светом, а затем на 21 год погружается в полную темноту.

•Венера, Юпитер, Меркурий: У этих планет наклон оси очень мал (менее $3.2^\circ$). По этой причине сезонные изменения, связанные с наклоном, на них практически отсутствуют.

Ответ: Да, на других планетах есть смена времён года, если их ось вращения имеет достаточный наклон. Например, на Марсе, Сатурне и Нептуне есть сезоны, а на Уране они носят экстремальный характер. На планетах с малым наклоном оси, таких как Венера и Юпитер, выраженные сезоны отсутствуют.

2. Считая известными массу Солнца и радиус орбиты планеты (орбиты планет Солнечной системы близки к круговым), получите выражения для определения орбитальной скорости и центростремительного ускорения планеты. Вычислите значения этих величин для Венеры. Значения массы Солнца и среднего радиуса венерианской орбиты найдите в Интернете.

Вывод выражений для орбитальной скорости и центростремительного ускорения

Для вывода необходимых выражений будем считать, что планета массой $m$ движется по круговой орбите радиусом $R$ вокруг Солнца массой $M_S$. Единственной силой, действующей на планету и удерживающей ее на орбите, является сила гравитационного притяжения Солнца. Эта сила сообщает планете центростремительное ускорение.

Согласно закону всемирного тяготения Ньютона, сила гравитационного притяжения между Солнцем и планетой равна: $F_g = G \frac{M_S m}{R^2}$ где $G$ — гравитационная постоянная.

Эта же сила, по второму закону Ньютона, является центростремительной силой: $F_c = m a_c = m \frac{v^2}{R}$ где $v$ — орбитальная скорость планеты, а $a_c$ — ее центростремительное ускорение.

Приравняв оба выражения для силы ($F_g = F_c$), получим основное уравнение движения: $G \frac{M_S m}{R^2} = m \frac{v^2}{R}$

Для нахождения орбитальной скорости $v$ преобразуем это уравнение. Сократим массу планеты $m$ и радиус $R$ в первой степени: $G \frac{M_S}{R} = v^2$ Отсюда получаем итоговое выражение для скорости: $v = \sqrt{G \frac{M_S}{R}}$

Для нахождения центростремительного ускорения $a_c$ вернемся к равенству $G \frac{M_S m}{R^2} = m a_c$. Сократив массу планеты $m$, получим: $a_c = G \frac{M_S}{R^2}$

Ответ: Выражение для орбитальной скорости: $v = \sqrt{G \frac{M_S}{R}}$. Выражение для центростремительного ускорения: $a_c = G \frac{M_S}{R^2}$.

Расчет значений для Венеры

Дано:

Масса Солнца, $M_S \approx 1.989 \times 10^{30}$ кг

Средний радиус орбиты Венеры, $R_V \approx 108.2 \times 10^6$ км

Гравитационная постоянная, $G \approx 6.674 \times 10^{-11}$ Н·м²/кг²

Переведем данные в систему СИ:

$R_V = 108.2 \times 10^6 \text{ км} = 108.2 \times 10^9 \text{ м} = 1.082 \times 10^{11}$ м

Найти:

$v_V$ — орбитальная скорость Венеры

$a_{c,V}$ — центростремительное ускорение Венеры

Решение:

Подставим значения для Венеры в полученные ранее формулы.

Вычисление орбитальной скорости Венеры ($v_V$):

$v_V = \sqrt{G \frac{M_S}{R_V}} = \sqrt{6.674 \times 10^{-11} \frac{\text{Н} \cdot \text{м}^2}{\text{кг}^2} \times \frac{1.989 \times 10^{30} \text{ кг}}{1.082 \times 10^{11} \text{ м}}}$

$v_V \approx \sqrt{\frac{1.327 \times 10^{20}}{1.082 \times 10^{11}}} \text{ м/с} \approx \sqrt{1.226 \times 10^9} \text{ м/с} \approx 35020 \text{ м/с}$

Переводя в километры в секунду: $v_V \approx 35.02 \text{ км/с}$.

Вычисление центростремительного ускорения Венеры ($a_{c,V}$):

$a_{c,V} = G \frac{M_S}{R_V^2} = 6.674 \times 10^{-11} \frac{\text{Н} \cdot \text{м}^2}{\text{кг}^2} \times \frac{1.989 \times 10^{30} \text{ кг}}{(1.082 \times 10^{11} \text{ м})^2}$

$a_{c,V} \approx \frac{1.327 \times 10^{20}}{1.171 \times 10^{22}} \frac{\text{м}}{\text{с}^2} \approx 0.0113 \frac{\text{м}}{\text{с}^2}$

Ответ: Орбитальная скорость Венеры составляет примерно $v_V \approx 35.02 \text{ км/с}$, а ее центростремительное ускорение $a_{c,V} \approx 0.0113 \text{ м/с}^2$.