Номер 3, страница 77 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 1. Законы механики. Параграф 17. Движение тела под действием нескольких сил. Темы докладов и проектов - номер 3, страница 77.

Условие.

3. Искусственные спутники Земли и исследование околоземного пространства.

Решение.

Определение и принцип движения искусственных спутников Земли

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — это космический аппарат, созданный человеком и выведенный на орбиту вокруг Земли. Для того чтобы тело стало спутником, ему необходимо на некоторой высоте над поверхностью сообщить скорость в горизонтальном направлении, достаточную для того, чтобы оно не упало обратно на Землю.

Движение спутника по орбите происходит под действием силы тяготения Земли, которая постоянно "притягивает" его к центру планеты, заставляя двигаться по криволинейной траектории. Эта сила сообщает спутнику центростремительное ускорение. Если пренебречь сопротивлением разреженной атмосферы на больших высотах, спутник движется по инерции, не требуя работы двигателей для поддержания орбитального движения.

Минимальная скорость, которую необходимо придать телу горизонтально у поверхности планеты, чтобы оно стало ее спутником, движущимся по круговой орбите, называется первой космической скоростью ($v_1$). Она определяется из условия равенства силы тяготения и центростремительной силы: $F_{тяг} = F_{цс}$, что в виде формулы выглядит как $G \frac{Mm}{R^2} = \frac{mv_1^2}{R}$. Отсюда можно выразить скорость:

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

где $\text{G}$ — гравитационная постоянная, $\text{M}$ — масса Земли, а $\text{R}$ — радиус орбиты (расстояние от центра Земли). У поверхности Земли (пренебрегая атмосферой) первая космическая скорость составляет примерно 7,91 км/с.

Ответ: Искусственный спутник Земли — это аппарат, запущенный на околоземную орбиту, движение которого определяется балансом между силой гравитации и инерцией, для чего ему необходимо сообщить скорость не менее первой космической.

История и классификация спутников

Космическая эра человечества началась 4 октября 1957 года, когда Советский Союз успешно запустил первый в мире искусственный спутник Земли "Спутник-1". Это событие положило начало освоению космоса и привело к появлению огромного количества спутников, которые можно классифицировать по их назначению:

1. Научные спутники: Предназначены для проведения фундаментальных исследований. Они изучают космическое пространство (космические лучи, солнечное излучение), магнитосферу и ионосферу Земли, а также служат орбитальными обсерваториями для астрономических наблюдений (например, космический телескоп "Хаббл").

2. Спутники связи: Обеспечивают глобальную ретрансляцию радиосигналов, телевизионного вещания, телефонной связи и доступа в интернет. Многие из них (например, системы Intelsat) находятся на геостационарной орбите, "зависая" над одной точкой Земли. Современные низкоорбитальные системы, такие как Starlink, создают глобальное интернет-покрытие.

3. Навигационные спутники: Формируют глобальные системы позиционирования, позволяющие с высокой точностью определять координаты, скорость и время в любой точке планеты. Наиболее известные системы — GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (Европейский союз) и BeiDou (Китай).

4. Метеорологические спутники: Осуществляют непрерывный мониторинг атмосферных явлений, состояния облачности, температуры поверхности океанов. Данные с этих спутников (например, серии "Метеор", GOES) являются основой для составления прогнозов погоды и изучения глобальных климатических процессов.

5. Спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ): Получают изображения поверхности Земли в различных диапазонах электромагнитного спектра. Эти данные используются в картографии, сельском хозяйстве, геологической разведке, мониторинге чрезвычайных ситуаций (лесные пожары, наводнения) и контроле за состоянием окружающей среды.

6. Военные спутники: Используются в целях обороны и безопасности, выполняя задачи разведки (фотографической, радиотехнической), связи, раннего предупреждения о ракетном нападении и навигации для вооруженных сил.

Ответ: С момента запуска первого спутника в 1957 году было создано множество их типов, классифицируемых по задачам: научные, связные, навигационные, метеорологические, ДЗЗ и военные, каждый из которых вносит свой вклад в науку, экономику и безопасность.

Роль спутников в исследовании околоземного пространства

Искусственные спутники стали главным инструментом для прямого изучения (in-situ) и дистанционного наблюдения за околоземным космическим пространством — областью, которая включает верхние слои атмосферы, ионосферу и магнитосферу Земли.

1. Изучение магнитосферы и ионосферы: Именно благодаря данным с первых спутников ("Эксплорер-1", "Спутник-3") были открыты радиационные пояса Земли (пояса Ван Аллена) — гигантские области, где магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы солнечного ветра. Спутники позволяют в реальном времени отслеживать взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой, изучать причины возникновения магнитных бурь и полярных сияний. Мониторинг ионосферы важен для обеспечения стабильности радиосвязи.

2. Исследование гравитационного и магнитного полей Земли: Тщательно отслеживая траектории спутников, ученые обнаруживают мельчайшие отклонения от идеальной орбиты, вызванные неоднородностью гравитационного поля Земли. Это позволяет построить детальную карту гравитационного поля (геоид) и делать выводы о распределении масс в земной коре и мантии. Спутники с магнитометрами на борту создают глобальные карты магнитного поля, отслеживая его вековые изменения, в том числе дрейф магнитных полюсов.

3. Мониторинг "космической погоды": Спутники, размещенные на различных орбитах, ведут непрерывное наблюдение за Солнцем и межпланетной средой. Они регистрируют солнечные вспышки, корональные выбросы массы и потоки заряженных частиц. Эта информация составляет основу прогнозирования "космической погоды", что критически важно для защиты космонавтов, обеспечения стабильной работы других спутников и предотвращения сбоев в работе энергосистем на Земле.

4. Изучение верхних слоев атмосферы и космического мусора: Спутники предоставляют прямые измерения плотности, температуры и химического состава термосферы и экзосферы. Наблюдение за торможением спутников в этих слоях помогает уточнять модели атмосферы. Кроме того, спутники и наземные радары играют ключевую роль в каталогизации и отслеживании космического мусора — обломков старых ракет и недействующих аппаратов, которые представляют серьезную угрозу для всех космических полетов.

Ответ: Искусственные спутники произвели революцию в исследовании околоземного пространства, позволив открыть радиационные пояса, детально изучить магнитосферу, ионосферу, гравитационное и магнитное поля Земли, а также наладить систему мониторинга космической погоды и проблемы космического мусора.