Движение планет

ОБОУ СПО «Курский монтажный техникум»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Движения планет»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                     Выполнил: студент группы 1-1

                                                                                            отделения СЭЗС

                                                                                            Шафоростов А.В

 

                                                                        Проверил: преподаватель физики

                                                                                           Шелкова М.С

 

 

 

 

                                                        Курск 2014

 

 

План.

 

Введение

1. Законы движения планет – законы Кеплера
2. Характеристика движения планет

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Человека всегда интересовало, что представляет собой мир, в котором мы живем, какие явления скрываются за великолепной россыпью звезд, украшающей ночное небо. Уже в глубокой древности наблюдения за движением планет играли весьма существенную роль в жизни человечества. С помощью небесных светил наши предки находили путь в океане, измеряли время, составляли календари, определяли наиболее благоприятные сроки сельскохозяйственных работ, помогли людям измерить Землю, составить географические карты. Но особенно важное значение наблюдения за небесными телами, их движением приобрели в наше время, в эпоху НТР. Без них оказались бы невозможными многие достижения науки и техники, в том числе успехи современного человечества в освоении космоса. Еще в довоенные годы наблюдения за движением Луны, Солнца, планет привели к тому, что люди пришли к выводу, что небесные тела светятся потому, что в их недрах происходят ядерные реакции. Это натолкнуло на мысль о возможности практического использования атомной и термоядерной энергии. Теперь атомная энергия вырабатывает электрический ток, приводит в движение фабрики и заводы. Можно привести и другие примеры того, как наблюдения за небесными телами нашли практическое применение на Земле. Но все тайны Вселенной еще не раскрыты. Наблюдение за движением небесных тел поможет лучше понять природу, откроет окно в необъятный мир космоса, сделает жизнь насыщенней и интересней. В этом я вижу актуальность выбранной темы.  
На тему «Видимое движение планет и Луны» нет специальных монографий, но эта тема затрагивается многими авторами. Интересна книга В.П.Цесевича «Что и как наблюдать на небе». Ее можно назвать пособием к организации любительских научных наблюдений небесных светил. Она содержит описание звездного неба, основных понятий астрономии и астрофизики, освещает имеющиеся данные о Луне, Солнце, планетах. Систематически излагаются способы наблюдений, доступные любителю астрономии, и обработки наблюдений. Книга Комарова В.Н. «Приглашение к звездам» интересна тем, что содержит рекомендации по изготовлению простейших приборов, с помощью которых можно проводить наблюдения. Книги Дагаева М.М., Воронцова-Вельяминова Б.А., Бакунина П.И., Максимачева Б.А также содержат много ценной информации. Предмет моего исследования – видимое движение Луны и планет. Объект – детально изучить условия видимости планет как верхних, так и нижних, условия видимости Луны и описать явления, наблюдаемые при движении Луны и планет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Законы движения планет – законы Кеплера.

 

 

Чтобы в полной мере оценить весь блеск открытия Закона всемирного тяготения, вернемся к его предыстории. Существует легенда, что гуляя по яблоневому саду в поместье своих родителей, Ньютон увидел луну в дневном небе, и тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите – сила тяготения, которая существует между всеми телами.

Итак, когда великие предшественники Ньютона изучали равноускоренное движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление чисто земной природы — существующее только недалеко от поверхности нашей планеты. Когда другие ученые, изучая движение небесных тел, полагали что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, нежели законы, управляющие движением здесь, на Земле.

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и ранее: о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие. Декарт считал его результатом вихрей в эфире. История науки свидетельствует, что практически все аргументы, касающиеся движения небесных тел, до Ньютона сводились в основном к тому, что небесные тела, будучи совершенными, движутся по круговым орбитам в силу своего совершенства, поскольку окружность — суть идеальная геометрическая фигура.

Таким образом, выражаясь современным языком, считалось, что имеются два типа гравитации, и это представление устойчиво закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах. Изучение движения планет и строения Солнечной системы и привело, в конечном итоге, к созданию теории гравитации – открытию закона всемирного тяготения.

Первая попытка создания модели Вселенной была предпринята Птолемеем (~140 г.). В центре мироздания Птолемей поместил Землю, вокруг которой по большим и малым кругам, как в хороводе, двигались планеты и звезды. Геоцентрическая система Птолемея продержалась более 14 столетий и только в середине XVI века была заменена гелиоцентрической системой Коперника.

В начале XVII века на основе системы Коперника немецкий астроном И.Кеплер сформулировал три эмпирических закона движения планет Солнечной системы, используя результаты наблюдений за движением планет датского астронома Т.Браге.

Первый закон Кеплера (1609): «Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце».

Вытянутость эллипса зависит от скорости движения планеты; от расстояния, на котором находится планета от центра эллипса. Изменение скорости небесного тела приводит к превращению эллиптической орбиты в гиперболическую, двигаясь по которой можно покинуть пределы Солнечной системы.

На рис. 1 показана эллиптическая орбита планеты, масса которой много меньше массы Солнца. Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Ближайшая к Солнцу точка P траектории называется перигелием, точка A, наиболее удаленная от Солнца – афелием. Расстояние между афелием и перигелием – большая ось эллипса.

Рисунок 1 - Эллиптическая орбита планеты массой

m <<M. a – длина большой полуоси, F и F' – фокусы орбиты

Почти все планеты Солнечной системы (кроме Плутона) движутся по орбитам, близким к круговым.

Второй закон Кеплера (1609): «Радиус-вектор планеты описывает в равные промежутки времени равные площади» (рис.2).

Рисунок 2 - Закон площадей – второй закон Кеплера

Второй закон Кеплера показывает равенство площадей, описываемых радиус–вектором небесного тела за равные промежутки времени. При этом скорость тела меняется в зависимости от расстояния до Земли (особенно хорошо это заметно, если тело движется по сильно вытянутой эллиптической орбите). Чем ближе тела к планете, тем скорость тела больше.

 

 

 

 

 

 

 

Третий закон Кеплера (1619): «Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит»:

 или 

 

 

 

Третий закон Кеплера выполняется для всех планет Солнечной системы с точностью выше 1%.

На рис.3 изображены две орбиты, одна из которых – круговая с радиусом R, а другая – эллиптическая с большой полуосью a. Третий закон утверждает, что если R=a, то периоды обращения тел по этим орбитам одинаковы.

 

 

 

Рисунок 3 - Круговая и эллиптическая орбиты

При R=a периоды обращения тел по этим орбитам одинаковы

Законы Кеплера, навсегда вошедшие в основу теоретической астрономии, получили объяснение в механике И.Ньютона, в частности в законе всемирного тяготения.

Несмотря на то, что законы Кеплера явились важнейшим этапом в понимании движения планет, они все же оставались только эмпирическими правилами, полученными из астрономических наблюдений; причину, определяющую эти общие для всех планет закономерности, Кеплеру найти не удалось.

Законы Кеплера нуждались в теоретическом обосновании.

И только Ньютон сделал частный, но очень важный вывод: между центростремительным ускорением Луны и ускорением свободного падения на Земле должна существовать связь. Эту связь нужно было установить численно и проверить.

Именно этим соображения Ньютона и отличались от догадок других ученых. До Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

Два величайших ученых намного обогнавшие свое время, создали науку, которая называется небесной механикой, открыли законы движения небесных тел под действием сил тяготения, и даже если бы этим их достижения ограничились, они все равно бы вошли в пантеон великих мира сего.

Так случилось, что они не пересеклись во времени. Только через тринадцать лет после смерти Кеплера родился Ньютон. Оба они являлись сторонниками гелиоцентрической системы Коперника.

Много лет изучая движение Марса, Кеплер экспериментально открывает три закона движения планет, за пятьдесят с лишним лет до открытия Ньютоном закона всемирного тяготения. Еще не понимая, почему планеты движутся так, а не иначе. Это было гениальное предвидение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика движения планет.

 

Вокруг Солнца движется целая семья небесных тел – планеты, астероиды, кометы, метеорные рои. Совокупность этих тел называется Солнечной системой. Науке известно 9 планет, «удаленных от Солнца в следующей последовательности: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон»  
Далекие планеты Уран, Нептун и Плутон, скудно освещаемые Солнцем, доступны наблюдениям лишь в телескопе. Впрочем, планета Уран выглядит слабой звездочкой почти что шестой звездной величины и может быть замечена зорким невооруженным глазом, но отличить ее по виду от множества таких же слабых звезд нет никакой возможности. Диск Урана хорошо заметен уже в небольшой телескоп при увеличении в 100 раз, а чтобы увидеть диск Нептуна, требуется увеличение в 150 раз при телескопе с диаметром объектива не менее 80 мм, так как блеск Нептуна близок к восьмой звездной величине. Отыскать обе эти планеты на небе нужно по данным астрономических календарей – ежегодников, используя для этого карты видимого пути планет и ориентируясь по звездам, вблизи которых находятся планеты. 

Что касается Плутона, то не следует делать попыток разыскивать его на небе. Чтобы увидеть эту планету, блеск которой равен 15-й звездной величине, необходим телескоп с диаметром объектива не менее 30 см. Все остальные, более близкие к Солнцу планеты, сравнительно обильно освещаются солнечными лучами и хорошо видны невооруженным глазом на фоне звездного неба. Поэтому уже древние народы знали пять планет – Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн.  
Самая близкая к Солнцу планета Меркурий совершает один оборот вокруг Солнца за 8 суток и поэтому она быстро перемещается по небу: ее смещение уже заметно на протяжении одних суток. За быстрое движение планета была названа именем римского бога Меркурий, посланца-скорохода главного бога Юпитера.

Очень яркая изумительная по красоте своего блеска планета названа в честь богини красоты Венеры. Красноватого цвета планета получила название по имени римского бога войны Марса. Яркая и медленно перемещающаяся планета Юпитер получила имя главного бога римской мифологии. Планета мертвенно-желтоватого цвета, подолгу передвигающаяся в пределах одного созвездия, была названа именем римского бога времени и земледелия Сатурна. «В. Гершель при визуальных наблюдениях звездного неба открыл в 1871 г. планету Уран»., названную так в честь бога неба древнегреческой мифологии. Обнаруженная в телескоп И.Галле новая планета (1846 г.), положение которой было предварительно вычислено У.Леверье, названа опять именем римского бога океанов Нептуна за свой зеленовато-голубоватый цвет. Предвычисленная в 1905-1914 гг. П.Ловеллом и открытая К.Томбо по фотографиям неба в 1930г., занептунная планета Плутон получила свое название по имени древнеримского бога подземного царства, поскольку она очень скудно освещается Солнцем. Это название планеты предложено 11-летней девочкой, дочерью английского профессора астрономии. Яркие планеты, видимые невооруженным глазом, резко отличаются от звезд своим ровным, немерцающим светом, а Юпитер и Венера еще и большим блеском, значительно превосходящим блеск ярких звезд. Так как планеты движутся вокруг Солнца в плоскостях, наклоненных к плоскости земной орбиты под очень малыми углами, то их видимое движение происходит по зодиакальным созвездиям.  
Условия видимости каждой планеты меняются и периодически повторяются через промежуток времени, называемый синодическим периодом обращения планеты. По прошествии этого периода взаимное расположение планеты и Солнца, наблюдаемой с Земли, повторяется. Это станет понятным, как только мы вспомним законы движения планеты вокруг Солнца, установленные в 1608-1618 гг. выдающимся немецким астрономом Иоганном Кеплером.

 
Согласно этим законам планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, и поэтому расстояние каждой планеты от Солнца периодически изменяется в небольших пределах. Периодически меняется и скорость движения планеты: наибольшей скоростью планета обладает при прохождении точки орбиты, наиболее близкой к Солнцу и называемой перигелием, а наименьшей – при прохождении точки орбиты, наиболее удаленной от Солнца, называемой афелием. Перигелий и афелий лежат на большой оси эллиптической орбиты в противоположных направлениях относительно Солнца. Половина большой оси орбиты, называемой большой полуосью, является средним расстоянием планеты от Солнца. Периоды обращения планет вокруг Солнца называются в астрономии звездными или сидерическими периодами обращения, так как по истечении их движущиеся за земной орбитой планеты, перемещаясь по небу, снова подходят к тем же звездами, вблизи которых они находились в начале сидерического периода.  
Сидерические периоды обращения Т планет связаны со средними расстояниями a планет от Солнца 3 законом Кеплера.