Конфигурации планет. Основные конфигурации нижних и верхних планет Внутренние планеты могут иметь следующие конфигурации

УРОК 7. КОНФИГУРАЦИИ ПЛАНЕТ,

РАССТОЯНИЯ ДО ТЕЛ И ИХ РАЗМЕРЫ.

1. Основные конфигурации нижних и верхних планет.

2. Сидерический и синодический периоды планет.

3. Определение размеров Земли

4. Определение расстояний до тел.

5. Определение размеров тел.

1. Основные конфигурации внутренних и внешних планет.

Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово "планета" в переводе с древнегреческого означает "блуждающая" или "бродяга". Траектория движения небесного тела называется его орбитой .

По отношению к орбите Земли планеты разделяются на внутренние (нижние) - Меркурий, Венера, их орбиты расположены внутри земной орбиты, и внешние (верхние) - Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун их орбиты расположены вне орбиты Земли. Внешние планеты всегда повернуты к Земле стороной, освещаемой Солнцем. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне. Плоскости орбит всех планет Солнечной системы лежат вблизи плоскости эклиптики, отклоняясь от нее менее, чем на 7°. Скорости движения планет по орбитам различны и убывают с удалением планет от Солнца. Земля движется медленнее Меркурия и Венеры, но быстрее всех остальных планет. Из-за различия скоростей движения планет в определенные моменты времени возникают различные взаимные расположения Солнца и планет.

Особые, геометрически правильные, взаимные расположения Солнца, Земли и планет называются конфигурациями. Одинаковые конфигурации планет происходят в разных точках их орбит, напротив разных созвездий, в разное время года. Конфигурации, которые создаются нижними и верхними планетами различны.

У нижних планет это соединения V 1 и V 3 (верхнее и нижнее) и элонгации V 2 и V 4 (восточная и западная). У верхних планет это – квадратуры M 2 и М4 (восточная и западная), соединение M 1 и противостояние M 3 .

Что же стоит за этими страшными названиями. Соединения - это расположение Солнца, Земли и планеты на одной прямой , при этом планета находится либо между Солнцем и Землей (нижнее соединение), либо прячется от Земли за Солнцем (верхнее соединение). Единственной конфигурацией, в которой может находиться любая, и нижняя, и верхняя планета, является верхнее соединение, при этом планету естественно нельзя наблюдать. Нижнее соединение присуще только нижним планетам, при этом, хотя и достаточно редко, мы можем наблюдать прохождение Меркурия и Венеры (в виде черного кружка) на фоне диска Солнца.

Видимое движение нижних планет напоминает колебательное движение около Солнца. Максимальное угловое удаление нижних планет от Солнца называется элонгацией. В случае элонгации Земля планета и Солнце образуют прямоугольный треугольник, при этом в вершине прямого угла находится планета. Наибольшая элонгация Меркурия - 28˚, Венеры - 48˚. С Земли в это время видно не все освещенное Солнцем полушарие планеты, а только его часть, называемая фазой. При восточной элонгации планета видна на западе вскоре после захода Солнца, при западной – на востоке незадолго перед восходом Солнца.

Наиболее удобный момент наблюдения верхних планет – это противостояние. Все три небесных тела, как и при соединении, находятся на одной линии, но Земля в этом случае расположена между Солнцем и планетой и все полушарие планеты освещено Солнцем. Внешняя планета может находиться на любом угловом расстоянии от Солнца от 0˚ до 180˚. Когда угловое расстояние между Солнцем и верхней планетой составляет 90˚, то говорят, что планета находится в квадратуре (квадратура – угловая четверть круга), соответственно в восточной или западной, как и при элонгации. В этом случае Земля, Солнце и планета так же образуют прямоугольный треугольник, но в вершине прямого угла находится Земля.

Система Земля - Луна - Солнце особая, в ней имеется нижнее соединение, как у внутренних планет, при этом происходит новолуние (Луна между Солнцем и Землей), и противостояние, как у внешних планет, во время полнолуния.

2. Сидерический и синодический периоды планет.

Промежуток времени, в течение которого планета совершает полный оборот вокруг Солнца по орбите, называется сидерическим (или звездным) периодом обращения планеты (Т), а промежуток времени между двумя одинаковыми конфигурациями планеты – синодическим периодом (S ). Планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, и каждая из них через промежуток времени, равный ее сидерическому периоду, совершает один полный оборот вокруг Солнца. Пусть планеты находились в определенной конфигурации. За промежуток времени равный сидерическому периоду Земли любая нижняя планета сделает больше одного оборота вокруг Солнца и обгонит Землю, а любая верхняя - меньше полного оборота, и отстанет от Земли. Следовательно, через земной год конфигурация планет не повторится, т. е. синодический период не равен сидерическому. Однако между периодами существует зависимость, которую легко установить. Эта зависимость называется уравнением синодического движения.

Составим уравнение для нижней планеты. За земные сутки планета смещается на угол где Т – сидерический период планеты, а Земля на угол , где - сидерический период Земли. Разность этих углов даст угол опережения α, , на который нижняя планета за сутки опередит Землю. Когда за S суток накопится опережение в 360º (α·S=360º) конфигурация планет повторится. S - в данном случае - синодический период. Окончательно уравнение для нижней планеты выглядит так:

или или

Поскольку верхние планеты движутся медленнее, чем Земля, то для них уравнение принимает вид: или или

Задача. Определите период обращения Марса вокруг Солнца, зная, что противостояния Марса происходят каждые 780 суток?

3. Определение размеров Земли.

Представление о Земле как о шаре, который свободно без всякой опоры висит в пространстве, безусловно, является одним из величайших достижений науки древнего мира. И первое точное определение земных размеров было сделано Эратосфеном из Египта. Проделанный им эксперимент относится к одному из десяти самых красивых физических экспериментов, придуманных человечеством. Он решил измерить длину небольшой дуги земного меридиана не в градусах, а в единицах длины, и далее определить, какую часть в градусах полной окружности она составляет. Зная часть, найти длину всей окружности. Затем по длине окружности определить величину радиуса, который и является радиусом земного шара.

Очевидно, что длина дуги меридиана в градусах равна разности географических широт двух пунктов, находящихся на одном меридиане: Δφ=φв – φА. Для того чтобы определить эту разность, Эратосфен сравнил высоту Солнца в кульминации в один и тот же день в пунктах А и В (Александрия и Асуан). В Асуане в этот день Солнце освещало дно самых глубоких колодцев, т. е. было в зените, а в Александрии отстояло от зенита на 7,2˚, Из простых геометрических построений следовало, разность широт этих городов Δφ=7,2˚. В древних единицах измерения расстояние между Александрией и Асуаном составляло 5000 греческих стадий, современное – 800 км. Обозначив длину меридиана Земли через L, имеем следующую пропорцию: откуда получаем длину меридиана равную 40000 км. Зная длину окружности, легко находим радиус Земли - 6366 км, что отличается от среднего радиуса всего на 5 км.

В какой степени форма Земли отличается от шара, выяснилось только в конце XVIII века в результате работы двух экспедиций в Южной Америке в Перу и в Скандинавии вблизи Северного полярного круга. Измерения показали, что длина в 1˚ дуги меридиана на севере и на юге больше, чем на экваторе. Это означало, что Земля сплюснута у полюсов. Ее полярный радиус на 21 км короче экваториального. Это означает, что сечение Земли по меридиану будет не окружностью, а эллипсом, у которого большая ось проходит в плоскости экватора, а малая совпадает с осью вращения Земли. И уже в ХХ веке выяснилось, что земной экватор также нельзя считать окружностью. Его сплюснутость в 100 раз меньше сплюснутости меридиана, но она все же существует. Точнее всего форму нашей планеты передает фигура, называемая эллипсоидом, у которого любое сечение плоскостью, проходящей через центр Земли, не является окружностью.

4. Определение расстояний до тел.

Определить географическую широту двух пунктов оказывается гораздо проще, чем измерить расстояние между ними, чему могут мешать естественные препятствия. Поэтому используется способ, основанный на явлении параллактического смещения. Параллактическим смещением называется изменение направления на предмет при перемещении наблюдателя. Сначала точно вычисляют длину удобно расположенного отрезка ВС, называемого базисом и двух углов В и С в треугольнике АВС. Далее по теореме синусов легко находятся значения АС и АВ. Аналогичным методом пользуются и при определении расстояния до небесных тел. Измерить расстояние от Земли до Солнца впервые удалось лишь в XVIII веке, когда был определен горизонтальный параллакс Солнца. Горизонтальным параллаксом (р) называется угол, под которым со светила, находящегося на горизонте, виден радиус Земли, перпендикулярный лучу зрения. По сути дела, при этом измеряется параллактическое смещение объекта, находящегося за пределами Земли, а базисом является радиус Земли. Единственное отличие в том, что треугольник строится прямоугольный, что упрощает вычисления.

Из треугольника OAS можно выразить величину расстояния SО=D: где RÅ – радиус Земли. Конечно, со светила никто не наблюдает радиус Земли, а горизонтальный параллакс определяют по измерениям высоты светила в момент верхней кульминации из двух точек Земли, находящихся на одном меридиане и имеющих известные широты, по аналогии с методом Эратосфена. Очевидно, что чем дальше расположен объект, тем меньше его параллакс. Наибольшее значение имеет параллакс Луны (р ƒ =57΄02΄΄ ), параллакс Солнца р =8,79′′. Такому значению параллакса соответствует расстояние до Солнца равное км. Это расстояние принимается за одну астрономическую единицу (1а. е.) и используется при измерении расстояний между телами Солнечной системы.

Для малых углов sinp ≈ p , при этом р выражен в радианах. Если р выразить в секундах, то формула примет вид: Å, так как в одном радиане 206265′′.

Методом горизонтального параллакса определяли расстояние до объектов вплоть до второй половине 20 века, когда появились новые методы определения расстояний в Солнечной системе - радиолокация и лазерная локация. С помощью этих методов были уточнены расстояния до многих тел с точностью до километра, а лазерная локация Луны позволяет определять расстояния с точностью до сантиметров.

Задача. На каком расстоянии от Земли находится Сатурн, когда его параллакс равен 0,9’’ ?

5. Определение размеров тел.

2. Что такое соединение?

3. Можно ли наблюдать Венеру утром на востоке, а вечером на западе?

4.Угловое расстояние планеты от Солнца равно 55°.Какая это планета, верх или ниж?

5. Что такое конфигурация?

6. Какие планеты могут пройти на фоне диска Солнца?

7. Во время каких конфигураций хорошо видны нижние планеты?

8. Во время каких конфигураций хорошо видны верхние планеты?

9. Что такое сидерический период планеты?

10. Что такое синодический период?

11. Что такое горизонтальный параллакс?

12. Что называется параллактическим смещением?

13. Когда верхняя планета находится в квадратуре?

14. Что такое элонгация?

15. При каком соединении можно наблюдать внутреннюю планету?

Тема . Конфигурации и условия видимости планет

Цели урока .

Учащиеся должны усвоить:

1. Понятия: сидерический период, синодический период, верхнее и нижнее соединения, противостояние, элонгация.

2. Связь сидерического и синодического периодов движения планет.

Основные понятия . Сидерический период, синодический период, верхнее и нижнее соединения, противостояние, элонгация, квадратура.

Демонстрационный материал . Иллюстрации. Модели.

Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение тестовых заданий.

Мировоззренческий аспект урока. Развивать навыки логического мышления учащихся и научного подхода к изучению мира.

План урока.

Конспект урока.

Условия видимости планеты зависят от ее расположения по отношению к Солнцу, которое планету освещает, и Земли, с которой мы ее наблюдаем. Положение планеты относительно Земли и Солнца называется конфигурацией. Конфигурации, а, следовательно, и условия видимости, различаются у верхних и нижних планет.

Конфигурации и условия видимости нижних планет

Нижние планеты, Меркурий и Венера, расположены к Солнцу ближе Земли и поэтому обращаются вокруг него с большей скоростью и меньшим сидерическим периодом, чем Земля.

Конфигурация, при которой планета проходит между Солнцем и Землей, называется нижним соединением (с Солнцем), так как планета находится в направлении на Солнце и как бы соединяется с ним на небе (рис. 1). Из-за наклонения орбит обе планеты в нижнем соединении проходят выше или ниже солнечного диска.

Вблизи нижнего соединения планета не видна, так как находится над горизонтом днем, недалеко от Солнца. К Земле обращено темное полушарие планеты и в хороший телескоп виден только чрезвычайно узкий серп от освещенного Солнцем полушария. Но если эта конфигурация наступает вблизи узлов орбиты, то планета проецируется на Солнце в виде черного кружка, различимого лишь в телескопы. Такие прохождения нижних планет случаются крайне редко: у Меркурия - только в мае и ноябре, через 33 года, затем через 13 и 7 лет; у Венеры – в июне и декабре, с чередованием через 8 лет, 10,5 года, снова 8 лет и 121,5 года. Даты прохождения Венеры по диску Солнца представлены в таблице

К прохождению Венеры по диску Солнца 1761 года относится выдающееся открытие, сделанное, которое было совершенно точно истолковано его автором как открытие атмосферы Венеры. Отчет об этом открытии отличается ясностью и образностью. «…Ожидая вступления Венерина на Солнце… увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде равен…. При выступлении Венеры из Солнца, когда передний её край стал приближаться к солнечному краю… появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила…. Сие не что иное показывает как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере». (Рис. 2)

https://pandia.ru/text/80/198/images/image003_0.jpg" width="250 height=280" height="280">

С увеличением западного удаления планеты возрастают её фаза, продолжительность предутренней видимости и геоцентрическое расстояние, т. е. расстояние от Земли, а угловые размеры уменьшаются. Постепенно западное удаление достигает наибольшего значения, при котором прямая, соединяющая Землю с планетой становится касательной к орбите планет (рис.4): такая конфигурация называется наибольшей западной элонгацией (или наибольшим западным удалением). В это время видна половина диска планеты (рис. 5), а предутренняя видимость как правило достигает максимальной продолжительности.

Рис. 5 Меркурий в западной элонгации

После наибольшей западной элонгации планета приближается к Солнцу с запада, её элонгация уменьшается фаза растет геоцентрическое расстояние увеличивается а продолжительность утренней видимости сокращается (рис. 6).

Наконец, вблизи конфигурации называемой верхним соединением с Солнцем, планета снова становится невидимой невооруженному глазу (рис. 7). Во время верхнего соединения планета находится за Солнцем её геоцентрическое расстояние наибольшее, видимый диаметр наименьший, а фаза равна 1, т. к. к Земле обращено все её полушарие освещенное Солнцем.

Затем планета отходит к востоку от Солнца – начинается её восточная элонгация, при которой планета заходит за горизонт после захода Солнца и поэтому видна в западной области неба по вечерам часто на фоне зари.

Восточное удаление планеты увеличивается до конфигурации, называемой наибольшей восточной элонгацией при которой прямая соединяющая планету с Землей опять становится касательной к планетной орбите. При наибольшей восточной элонгации фаза планеты снова равна 0,5 и наступают, как правило, наиболее благоприятные условия её вечерней видимости. На протяжении всего периода вечерней видимости геоцентрическое расстояние и фаза планеты уменьшаются, а угловой диаметр возрастает.

Наибольшие элонгации у Меркурия бывают от 180 до 280 , а у Венеры от 450 до 480 , поэтому продолжительность предутренней и вечерней видимости Меркурия не превышает 1,5 часа, а Венеры – 4 часов. Таким образом, Меркурий и Венера не могут быть видны на протяжении ночи, а видны либо в предутреннее время, либо по вечерам. (Рис. 9)

Рис. 9 Венера на небе

Из-за различной скорости движения Земли и планеты её одноименные конфигурации наступают в разных точках их орбит, подобно тому, как минутная и часовая стрелки часов встречаются у разных делений циферблата. Промежуток времени между двумя последовательными одноименными конфигурациями (период смены конфигураций) называется синодическим периодом обращения и отличается от звездного (сидерического) периода.

Рассмотрим, как связан синодический период планеты со звездными периодами Земли и самой планеты. Пусть звездный период обращения нижней планеты равен Р, звездный период Земли – Т , а синодический период – S . Тогда угловая скорость движения планеты по орбите будет , а у Земли .

За синодический период обращения планеты S Земля пройдет угловой путь

(1)

Планета, уйдя вперед, сделает один оборот вокруг Солнца и затем нагонит Землю, т. е. пройдет угловой путь

(2)

Из формул (1) и (2) следует, что

, откуда

Выражение (3) часто называют уравнением синодического движения. При вычислении синодического периода обращения по сидерическому периоду (или наоборот) проще всего выражать их в звездных годах, полагая Т = 1 году, а полученный результат переводить в средние сутки из расчета, что Т = 1 звездный год = 365,26 суток.

Если подставить в полученную формулу значения сидерических периодов Меркурия и Венеры, найдем для Меркурия S = 116д, а для Венеры S = 584д. Однако, в действительности одноименные конфигурации Меркурия наступают через промежутки от 104 до 132 суток, а Венеры – от 576 до 591 суток. Расхождение вызвано тем, что формула (3) выведена из условия равномерного движения планет по окружности, в то время как планеты движутся по эллиптическим орбитам с переменной скоростью. Следовательно, эта формула (3) позволяет вычислять лишь среднее, а точнее – наиболее частое значение синодического периода обращения.

Условия видимости нижних планет зависят не только от конфигураций. Так, если склонение планеты меньше склонения Солнца, то даже в эпохи наибольших элонгаций планета восходит и заходит в светлое время суток. Особенно это относится к Меркурию, который из-за близости к Солнцу доступен наблюдениям в общей сложности не более одной трети года.

Наилучшие условия вечерней видимости нижних планет создаются весной, когда эклиптика по вечерам высоко поднимается над горизонтом. Аналогичные условия предутренней видимости складываются осенью. Совместные действия всех причин приводят к тому, что одинаковые условия видимости Меркурия повторяются через 13 лет, а Венеры – через 8 лет.

Конфигурации и условия видимости верхних планет

Верхние планеты отстоят от Солнца дальше Земли и движутся медленнее её. В конфигурации, называемой соединением (рис. 11), планета находится за Солнцем и из-за наклонения её орбиты расположена на небе несколько ниже или выше солнечного диска. Если же соединение произойдет вблизи узла орбиты, то планета пройдет за диском Солнца. Вблизи соединения планета располагается на небе недалеко от Солнца, восходит и заходит почти одновременно с ним и поэтому не видна. Её геоцентрическое расстояние наибольшее, а диаметр диска наименьший.

Из-за движения Земли Солнце смещается по эклиптике к востоку быстрее планеты, которая, перемещаясь в том же направлении, но с меньшей угловой скоростью, отстает от Солнца к западу (рис. 12) и через несколько дней становится видимой в восточной области неба на фоне утренней зари, незадолго до восхода Солнца.

По мере возрастания западного удаления планета с каждым днем восходит раньше, чем накануне, и условия ее видимости заметно улучшаются: она дольше видна над горизонтом, ее геоцентрическое расстояние уменьшается, а угловой диаметр и блеск возрастают. Когда западное удаление достигнет 90°, наступает конфигурация, называемая западной квадратурой (рис. 13), при которой планета восходит около полуночи и видна до рассвета.

https://pandia.ru/text/80/198/images/image019.jpg" width="253" height="279">

После оппозиции планета постепенно сближается с Солнцем (которое приближается к ней с западной стороны), располагается на небе слева (к востоку) от него и видна по вечерам после его захода. Условия видимости планеты ухудшаются, с каждым днем она раньше заходит за горизонт, ее геоцентрическое расстояние возрастает, а блеск и видимые размеры уменьшаются. Когда восточное удаление планеты от Солнца сократится до 90°, наступает конфигурация восточная квадратура (рис. 15), при которой планета после захода Солнца видна в южной области неба и заходит вблизи полуночи.

Наконец, Солнце подходит к планете так близко (рис. 16), что она становится видимой уже на фоне вечерней зари, а затем скрывается в солнечных лучах - наступает ее очередное соединение с Солнцем (рис. 17).

https://pandia.ru/text/80/198/images/image023.gif" width="76" height="41">

Эта формула также дает среднее значение синодического периода обращения, от которого имеются отклонения в обе стороны.

Условия видимости верхних планет зависят от их расположения в зодиакальных созвездиях. Даже в эпохи противостояний эти условия резко различны: наилучшие наступают в зимние месяцы, когда планеты перемещаются по созвездиям Тельца и Близнецов, высоко поднимаются и большую часть суток видны над горизонтом, чему способствуют длинные зимние ночи. Летние противостояния - самые неблагоприятные, так как наступают в созвездиях Скорпиона и Стрельца, суточный путь которых над горизонтом сравнительно низок, а короткие летние ночи сокращают и без того небольшую продолжительность видимости планет. Конечно, в южных местностях, где летние зодиакальные созвездия высоко поднимаются над горизонтом, условия видимости планет значительно улучшаются.

Эллиптичность орбит сказывается на геоцентрических расстояниях планет даже при одинаковых их конфигурациях, а, следовательно, и на их блеске. У далеких планет относительное изменение геоцентрического расстояния не слишком велико.

Для близкого Марса к тому же обращающегося по значительно вытянутой орбите, различия весьма существенны. В соединении Марс может удалиться от Земли почти на 400 млн., и тогда даже не всякий астроном сразу заметит его на небе. Зато в противостоянии Марс может подойти к Земле на расстояние 100 млн. км до 55,3 млн. Оппозиции Марса при геоцентрическом расстоянии, не превышающем 60 млн. км, называют великими противостояниями. В это время своим ярким красноватым цветом Марс привлекает внимание даже лиц, далеких от астрономии . На рисунке 18 показаны геоцентрические расстояния Марса при eго оппозициях в разные годы, а также месяцы, обозначенные римскими цифрами, на протяжении которых Земля проходит участки своей орбиты. Жирной линией отмечены те участки обеих орбит, на которых возможны великие противостояния.

Рис. 18 Обычные и великие противостояния Марса.

Числа между изображениями Земли и Марса показывают расстояния в млн. км.

Великие противостояния Марса недалеко от перигелия повторяются дважды через 15 лет и затем через 17 лет, но, конечно, в разных точках близкого к Земле участка своей орбиты, и происходят в интервале с 5 июля по 5 октября . Наиболее часто они наступают в августе и сентябре.

В период наибольшего блеска Венера так ярка, что в темное время суток освещаемые ею земные предметы отбрасывают тени, а иногда она бывает видна невооруженным глазом даже днем.

Задание учащимся.

1. С помощью планетария пронаблюдайте положение Венеры и Солнца в 08.06.2004 и 06.06.2012. Какое явление может произойти в это время?

2. Определите с помощью электронного планетария, в какой фазе находилась Венера 1 июня 2007 года? Можно ли было её наблюдать вечером? утром?

3. Определите с помощью электронного планетария, в какое время года лучшие условия утренней видимости Венеры, вечерней видимости Венеры.

4. Определите с помощью электронного планетария во время противостояния Марса, в каком месяце его яркость наибольшая.

5. Найдите ошибки в таблице и справьте их.

Венера

6. Чему равен звездный период обращения Венеры вокруг солнца, если верхние соединения с Солнцем повторяются через 1,6 года? Изобразите положение планет в данной конфигурации.

7. Звездный период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет 12 лет. Каково среднее расстояние от Юпитера до Солнца?

8. Через какой промежуток времени повторяются противостояния Марса, если звездный период его обращения вокруг Солнца равен 1,9 года?

9. Наилучшая вечерняя видимость Венеры была 5 апреля . Когда в следующий раз наступит ближайшая лучшая видимость Венеры в тех же условиях, если звездный период обращения Венеры вокруг Солнца равен 225 суток?

Конфигурациями планет называют некоторые характерные взаимные расположения планет, Земли и Солнца .

Прежде всего заметим, что условия видимости планет с Земли резко различаются для планет внутренних (Венера и Меркурий), орбиты которых лежат внутри земной орбиты, и для планет внешних (все остальные).

Внутренняя планета может оказаться между Землей и Солнцем или за Солнцем. В таких положениях планета невидима, так как теряется в лучах Солнца. Эти положения называются соединениями планеты с Солнцем. В нижнем соединении планета ближе всего к Земле, а в верхнем соединении она от нас дальше всего (рис. 28).

Легко видеть, что угол между направлениями с Земли на Солнце и на внутреннюю планету никогда не превышает определенной величины, оставаясь острым. Этот предельный угол называется наибольшим удалением планеты от Солнца . Наибольшее удаление Меркурия доходит до 28°, Венеры - до 48°. Поэтому внутренние планеты всегда видны вблизи Солнца либо утром в восточной стороне неба, либо вечером в западной стороне неба. Из-за близости Меркурия к Солнцу увидеть эту планету невооруженным глазом удается редко.

Венера отходит от Солнца на небе на больший угол, и она бывает ярче всех звезд и планет. После захода Солнца она дольше остается на небе в лучах зари и даже на ее фоне видна.отчетливо. Также хорошо она бывает видна и в лучах утренней зари. Легко понять, что в южной стороне неба и среди ночи ни Меркурия, ни Венеры увидеть нельзя.

Если, проходя между Землей и Солнцем, Меркурий или Венера проецируются на солнечный диск, то они тогда видны на нем как маленькие черные кружочки. Подобные прохождения по диску Солнца во время нижнего соединения Меркурия и особенно Венеры бывают сравнительно редко, не чаще чем через 7-8 лет.

Освещенное Солнцем полушарие внутренней планеты при разных положениях ее относительно Земли нам видно по-разному (рис. 29). Поэтому для земных наблюдателей внутренние планеты меняют свои фазы, как Луна. В нижнем соединении с Солнцем планеты повернуты к нам своей неосвещенной стороной и невидимы. Немного в стороне от этого положения они имеют вид серпа. С увеличением углового расстояния планеты от Солнца угловой диаметр планеты убывает, а ширина серпа делается все большей. Когда угол при планете между направлениями на Солнце и на Землю составляет 90°, мы видим ровно половину освещенного полушария планеты. Полностью такая планета обращена к нам своим дневным полушарием во время верхнего соединения. Но тогда она теряется в солнечных лучах и невидима.

Внешние планеты могут находиться по отношению к Земле за Солнцем (в соединении с ним), как Меркурий и Венера, и тогда они тоже теряются в солнечных лучах. Но они могут находиться и на продолжении прямой линии Солнце - Земля, так что Земля при этом оказывается между планетой и Солнцем. Такая конфигурация называется противостоянием. Она наиболее удобна для наблюдений планеты, так как в это время планета, во-первых, ближе всего к Земле, во-вторых, повернута к ней своим освещенным полушарием и, в-третьих, находясь на небе в противоположном Солнцу месте, планета бывает в верхней кульминации около полуночи и, следовательно, долго видна и до и после полуночи.

Моменты конфигураций планет, условия их видимости в данном году приводятся в "Школьном астрономическом календаре".

2. Синодические периоды обращения планет и их связь с сидерическими периодами

Мы наблюдаем планеты с Земли, которая сама обращается вокруг Солнца. Это движение Земли необходимо учитывать, чтобы узнать периоды обращения планет в невращающейся инерциальной системе отсчета, или, как часто говорят, по отношению к звездам.

Период обращения планет вокруг Солнца по отношению к звездам называется звездным или сидерическим периодом.

Чем ближе планета к Солнцу, тем больше ее линейная и угловая скорости и короче звездный период обращения вокруг Солнца.

Убедитесь в этом, изучив приложение V.

Однако из непосредственных наблюдений определяют не сидерический период обращения планеты, а промежуток времени, протекающий между ее двумя последовательными одноименными конфигурациями, например между двумя последовательными соединениями (противостояниями). Этот период называется синодическим периодом обращения . Определив из наблюдений синодические периоды 5, путем вычислений находят звездные периоды обращения планет Т.

Рассмотрим, как же связаны синодический и звездный периоды обращения планет на примере Марса.

Скорость движения планет тем больше, чем они ближе к Солнцу. Поэтому после противостояния Марса Земля станет его обгонять. С каждым днем она будет отходить от него все дальше. Когда она обгонит его на полный оборот, то снова произойдет противостояние.

Синодический период внешней планеты - это промежуток времени, по истечении которого Земля обгоняет планету на 360° при их движении вокруг Солнца.

Все космогонические гипотезы можно разделить на несколько групп. Согласно одной из них Солнце и все тела Солнечной системы: планеты, спутники, астероиды, кометы и метеорные тела - образовались из единого газовопылевого, или пылевого облака. Согласно второй Солнце и его семейство имеют различное происхождение, так что Солнце образовалось из одного газовопылевого облака (туманности, глобулы), а остальные небесные тела Солнечной системы - из другого облака, которое было захвачено каким-то, не совсем понятным, образом Солнцем на свою орбиту и разделилось каким-то, еще более непонятным образом на множество самых различных тел (планет, их спутников, астероидов, комет и метеорных тел), имеющих самые различные характеристики: массу, плотность, эксцентриситет, направление обращения по орбите и направление вращения вокруг своей оси, наклонение орбиты к плоскости экватора Солнца (или эклиптики) и наклон плоскости экватора к плоскости своей орбиты.
Девять больших планет обращаются вокруг Солнца по эллипсам (мало отличающимся от окружностей) почти в одной плоскости. В порядке удаления от Солнца - это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон . Кроме них в Солнечной системе множество малых планет (астероидов), большинство которых движется между орбитами Марса и Юпитера. Пространство между планетами заполнено крайне разреженным газом и космической пылью. Его пронизывают электромагнитные излучения.
Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и примерно в 333 000 раз массивнее Земли . Масса всех планет составляет всего лишь около 0,1% от массы Солнца, поэтому оно силой своего притяжения управляет движением всех членов Солнечной системы.

Конфигурация и условия видимости планет

Конфигурациями планет называют некоторые характернее взаимные расположения планет, Земли и Солнца.
Условия видимости планет с Земли резко различаются для планет внутренних (Венера и Меркурий), орбиты которых лежат внутри земной орбиты, и для планет внешних (все остальные).
Внутренняя планета может оказаться между Землей и Солнцем или за Солнцем. В таких положениях планета невидима, так как теряется в лучах Солнца. Эти положения называются соединениями планеты с Солнцем. В нижнем соединении планета ближе всего к Земле, а в верхнем соединении она от нас дальше всего.

Синодические периоды обращения планет и их связь с сидерическими периодами

Период обращения планет вокруг Солнца по отношению к звездам называется звездным или сидерическим периодом.
Чем ближе планета к Солнцу, тем больше ее линейная и угловая скорости и короче звездный период обращения вокруг Солнца.
Однако из непосредственных наблюдений определяют не сидерический период обращения планеты, а промежуток времени, протекающий между ее двумя последовательными одноименными конфигурациями, например между двумя последовательными соединениями (противостояниями). Этот период называется синодическим периодом обращения. Определив из наблюдений синодические периоды, путем вычислений находят звездные периоды обращения планет.
Синодический период внешней планеты - это промежуток времени, по истечении которого Земля обгоняет планету на 360° при их движении вокруг Солнца.

Законы Кеплера

Заслуга открытия законов движения планет принадлежит выдающемуся немецкому ученому Иоганну Кеплеру (1571 -1630). В начале XVII в. Кеплер, изучая обращение Марса вокруг Солнца, установил три закона движения планет.

Первый закон Кеплера . Каждая планета обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера (закон площадей). Радиус-вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади.

Третий закон Кеплера . Квадраты звездных периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Среднее расстояние всех планет от Солнца в астрономических единицах можно вычислить, используя третий закон Кеплера. Определив среднее расстояние Земли от Солнца (т. е. значение 1 а.е.) в километрах, можно найти в этих единицах расстояния до всех планет Солнечной системы.Большая полуось земной орбиты принята за астрономическую единицу расстояний (=1 a.e.)
Классическим способом определения расстояний был и остается угломерный геометрический способ. Им определяют расстояния и до далеких звезд, к которым метод радиолокации неприменим. Геометрический способ основан на явлении параллактического смещения .

Параллактическим смещением называется изменение направления на предмет при перемещении наблюдателя .

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Задача . Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая полуось ее орбиты?

Дано	РЕШЕНИЕ Большую полуось орбиты можно определить из третьего закона Кеплера: , а звездный период - из соотношения между сидерическим и синодическим периодами: ,
- ?

Размер и форма Земли

На фотоснимках, сделанных из космоса, Земля выглядит как шар, освещенный Солнцем.
Точный ответ о форме и размере Земли дают градусные измерения , т. е. измерения в километрах длины дуги в 1° в разных местах на поверхности Земли. Градусные измерения показали, что длина 1° дуги меридиана в километрах в полярной области наибольшая (111,7 км), а на экваторе наименьшая (110,6 км). Следовательно, на экваторе кривизна поверхности Земли больше, чем у полюсов, а это говорит о том, что Земля не является шаром. Экваториальный радиус Земли больше полярного на 21,4 км. Поэтому Земля (как и другие планеты) вследствие вращения сжата у полюсов.
Шар, равновеликий нашей планете, имеет радиус, равный 6370 км. Это значение принято считать радиусом Земли.
Угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный к лучу зрения, называется горизонтальным параллаксом.

Масса и плотность Земли

Закон всемирного тяготения позволяет определить одну из важнейших характеристик небесных тел - массу, в частности массу нашей планеты. Действительно, исходя из закона всемирного тяготения, ускорение свободного падения g=(G*M)/r 2 . Следовательно, если известны значения ускорения свободного падения, гравитационной постоянной и радиуса Земли, то можно определить ее массу.
Подставив в указанную формулу значение g = 9,8 м/с 2 , G =6,67 * 10 -11 Н * м 2 /кг 2 ,

R =6370 км, найдем, что масса Земли М=6 x 10 24 кг. Зная массу и объем Земли, можно вычислить ее среднюю плотность.

Цель урока:

Знать:

Уметь:

Просмотр содержимого документа
«Конфигурации планет. Синодический период»

Дата:

10б: 01.11.2017

10а, 11: 17.11.2017

Тема: Конфигурации планет. Синодический период

Цель урока: рассмотреть конфигурации планет: противостояние и соединение. Периодическое изменение условий видимости внутренних и внешних планет. Связь синодического и сидерического (звездного) периодов обращения планет.

Знать: определения понятий: конфигурация планет; синодического и сидерического (звездного) периодов обращения планет.

Уметь: решать задачи на вычисление звездных периодов обращения внутренних и внешних планет.

Ход урока.

Организационный момент.

Приветствие.Проверка присутствующих и готовности к уроку.

Актуализация опорных знаний.

Фронтальный опрос по материалу §10, стр.54

Изучение нового материала.

Конфигурация планет – это их взаимное расположение.

Планеты Солнечной системы делятся на внутренние (которые находятся ближе к Солнцу, чем Земля – Меркурий и Венера) и внешние (все остальные).

Конфигурации внутренних планет.

Соединение – конфигурация, при которой планета и Солнце проецируются в одну и ту же точку небесной сферы, т. е. видны в одном и том же месте (хотя, фактически, планета может быть и вообще не видна). Соединение может быть верхним или нижним.

Противостояние – Земля находится между данной планетой и Солнцем.

Элонгация (наибольшее удаление) – планета находится в такой точке своей орбиты, что направление на нее с Земли является касательной к орбите данной планеты.

Некоторые конфигурации внешних планет повторяют конфигурации внутренних планет – это противостояние и верхнее соединение (нижнего соединения внешней планеты принципиально быть не может, разве что Вселенная погрязнет в глобальный хаос).

С другой стороны, есть конфигурации, особые для внешних планет – это восточная и западная квадратуры.

Сидерический и синодический периоды.

Сидерическим (звездным, T) периодом обращения планеты называется время, за которое планета делает полный оборот вокруг Солнца (или той планеты, вокруг которой обращается, если речь идет о спутнике).

Синодический период обращения планеты (S) – это время между двумя одинаковыми конфигурациями данной планеты.

Чем ближе планета к Солнцу, тем меньше ее сидерический период.

Рассмотрим две планеты: P 1 и P 2 такие, что P 1 ближе к Солнце, чем P 2 . Пусть в некоторый момент наступает их соединение. Тогда после него планета P 1 начнет обгонять P 2 , исходя из 1. Ясно, что P 1 проходит за 1 сутки 360/Т 1 (градусов), а P 2 соответственно 360/Т 2 (градусов). Соединение повторится, когда P 1 обгонит P 2 на 360˚, значит поскольку это произойдет за S, то

Преобразовав, получим формулу

Закрепление материала.

Задача 1. Как часто повторяются противостояния Марса, сидерический период которого 1,9 года?

Дано: Р = 1,9 г.

T = 1 г.

Найти: S = ?

Решение:

Марс – внешняя планета

1/S = 1/Т - 1/Р;

S = T*Р / (Р – T);

S = 1,9/0,9 ≈ 2,1 г.

Ответ : S ≈ 2,1

Задача 2. Упражнение 9. №5.Через какой промежуток времени встречаются на циферблате часов минутная (Т) и часовая (Р) стрелки?

Дано: T = 1 ч.

Найти: S = ?

Решение:

Часовая – медленная (аналог внешней планеты)

1/S = 1/Т - 1/Р;

S = T*Р / (Р – T);

S = 1*12/(12-11)=12/11 = 1,(09) ч.

Ответ: S ≈ 1,09 ч.

Д/з: § 11., стр. 54, Упр. 9 (№1-4, 6), стр.57