На самом деле, как только планета прибывает, она становится невидимой — высшее соединение. Проще говоря, Солнце в данный момент находится между ним и Землей, загораживая обзор.
Лекция. Конфигурации планет. Законы движения планет
Планетарные конфигурации определяют положение планет по отношению к Земле и Солнцу и определяют их видимость на небе. Все планеты светятся отраженным солнечным светом, поэтому ближайшая к Земле планета наиболее заметна, когда ее освещенное Солнцем полушарие обращено к нам, поскольку его полушарие освещается Солнцем в течение дня.
На рис. 4.1 показан Марс в оппозиции (М1) — конфигурация, при которой Земля находится на прямой линии между Марсом и Солнцем. Напротив, яркость планеты больше, потому что все ее дневное полушарие обращено к Земле.
Орбиты двух планет Меркурия и Венеры расположены ближе к Солнцу, чем к Земле, поэтому они не находятся в оппозиции. В положении, когда Венера или Меркурий находятся ближе всего к Земле, их нельзя увидеть, потому что ночное полушарие планеты обращено к нам (рис. 4.1). Такая конфигурация называется нижним соединением с Солнцем. В верхнем соединении планета также невидима, поскольку между ней и Землей находится яркое Солнце.
Рисунок 4.1: Конфигурации Венеры и Марса. Марс — ближайшая к Земле планета — виден всю ночь в направлении, противоположном Солнцу. Венера лучше всего видна вечером во время восточной элонгации слева от Солнца B1и утром во время западной элонгации справа от Солнца.2
Противоположная — планета видна с Земли всю ночь в направлении, противоположном Солнцу
Элонгация — угловое расстояние между планетой и Солнцем, как видно с поверхности Земли.
Наилучшие условия для наблюдения Венеры и Меркурия — так называемые вытянутые созвездия. Восточная элонгация — это положение, при котором планета видна ночью B1на левой стороне Солнца. Западная элонгация Венеры наблюдается утром, когда планета видна справа от Солнца в восточной части B.2.
Легенда: Контраст, планета видна всю ночь; связь с Солнцем, планета не видна; восточная элонгация, планета видна в западной части горизонта вечером; западная элонгация, планета видна в восточной части неба утром.
Сидерический и синодический периоды обращения планет
Орбитальный период железа определяет движение тел по отношению к звездам. Это время, которое требуется планете, чтобы совершить один полный оборот по своей орбите вокруг Солнца (рис. 4.2).
Рисунок 4.2: Орбита, соответствующая вторичному периоду орбиты Марса вокруг Солнца, показана синей пунктирной линией, когерентный период — красной пунктирной линией.
Синусоидальный орбитальный период определяет движение тел относительно Земли и Солнца. Это период, в течение которого наблюдаются одни и те же последовательные конфигурации планет (оппозиция, соединение, элонгация). На рис. 4.2 показаны позиции N-S1—М1и С-32—М2— две последовательные оппозиции Марса. Между синодическими периодами S и вторичными периодами T планетарного вращения существует следующая зависимость: (4.1)
Законы Кеплера
Иоганн Кеплер (рис. 4.3) обнаружил, что Марс вращается вокруг Солнца по эллипсу, а позже было показано, что и другие планеты имеют эллиптические орбиты.
Первый закон Кеплера. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсоидам, а Солнце находится в одном из центров этих эллипсоидов (рис. 4.4 и 4.5).
Рисунок 4.4: Планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсам. AF1=Fmin— на перигелии; BF1=Fmax— в афелии.
Самое важное следствие первого закона Кеплера: расстояние между планетой и Солнцем не остается постоянным, а колеблется в диапазоне: rmax≤ r ≥ rmin
Точка A орбиты, в которой планета находится ближе всего к Солнцу, называется перигелием (греч. peri — близко к Солнцу), а точка B орбиты планеты, наиболее удаленная от центра Солнца, называется афелием (греч. aro — далеко). Сумма расстояний до перигелия и афелия соответствует главной оси AB эллипса: rmax+ rmin= 2a. Полубольшая ось земной орбиты (OA или OM) называется астрономической единицей. 1 AU = 149,6×10 6 км.
В перигелии 3 и 4 января Земля находится ближе всего к Солнцу и имеет наименьшее расстояние — 147 млн км.
В эфемеридах 3 и 4 июля Земля находится на самом большом расстоянии от Солнца — 153 миллиона километров.
Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планеты описывает равные площади на равных расстояниях.
Второй закон Кеплера прежде всего гласит, что во время движения планеты по своей орбите со временем изменяется не только расстояние планеты от Солнца, но и ее линейная и угловая скорости.
Планета имеет наибольшую скорость в перигелии, когда расстояние от Солнца меньше, и наименьшую скорость в афелии, когда расстояние больше.
Второй закон Кеплера определяет известный физический закон сохранения энергии: сумма кинетической и динамической энергии в замкнутой системе является константой. Кинетическая энергия определяется скоростью планеты, а потенциальная энергия — расстоянием между планетой и Солнцем, так что скорость планеты увеличивается тем больше, чем ближе она к Солнцу (рис. 4.6).
Рис. 4.6: Скорость планеты увеличивается по мере приближения к Солнцу и уменьшается по мере удаления от него.
Если первый закон Кеплера трудно проверить в классе, поскольку расстояние Земли от Солнца нужно измерять зимой и летом, то второй закон Кеплера может проверить любой ученик. Для этого необходимо убедиться, что скорость Земли меняется в течение года. Чтобы проверить это, можно использовать обычный календарь и измерить длину семестра от весеннего равноденствия до осеннего равноденствия (21.03-23.09) и наоборот — от 23.09 до 21.03. Если бы Земля вращалась вокруг Солнца с постоянной скоростью, количество дней в этих шести месяцах было бы одинаковым. Однако, согласно второму закону Кеплера, скорость Земли выше зимой и ниже летом, поэтому лето в северном полушарии длится немного дольше зимы, а в южном полушарии зима длится немного дольше лета.
Максимальная скорость Земли зимой составляе т-30,38 км/с.
Минимальная скорость Земли летом составляет 29,36 км/с.
В июле Земля движется медленнее, поэтому в северном полушарии лето длится дольше, чем в южном. Это объясняет, почему среднегодовая температура выше в северном полушарии, чем в южном.
Законы движения планет Солнечной системы
Вы уже знаете, что революционная идея Николая Коперника о гелиоцентрической системе мира дала невероятный толчок развитию астрономии. Однако стоит помнить, что Коперник в своем учении не отказался от идей Аристотеля о «совершенстве» планетарных орбит. Только в начале XVII века австрийский астроном Иоганн Кеплер открыл кинематические законы движения планет. На этом уроке мы познакомимся с формулировками трех законов Кеплера. Мы также узнаем, какую роль они сыграли в дальнейшем развитии астрономии.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам необходимо добавить его в свой личный кабинет.
2. Распределите видеоуроки по личным кабинетам ваших учеников.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Конспект урока «Законы движения планет Солнечной системы»
Вы уже знаете, что революционная идея Николая Коперника о гелиоцентрической системе мира дала невероятный толчок развитию астрономии. Однако, как вы помните, Коперник в своем учении не отказался от идей Аристотеля о «совершенстве» планетарных орбит. Поэтому для объяснения многих явлений (например, повторяющегося движения планет) его теория по-прежнему включала эпициклы и отклонения.
В то же время многие ученые считали, что движение небесных тел должно быть равномерным и по «самой совершенной кривой», то есть по окружности. Поэтому до конца XVI века они не могли точно рассчитать относительное положение планет на несколько лет вперед. Теория показала сильное расхождение с результатами наблюдений.
Только в начале XVII века австрийский астроном Иоганн Кеплер открыл кинематические законы движения планет. Его поиски основывались на убеждении, что «числа правят миром», которое уже было высказано Пифагором. Кеплер пытался сравнить свойства планетарного движения с законами музыкальной гаммы, длиной сторон, многоугольников, описанных и вписанных в орбиты планет, и так далее.
Но, к сожалению, каждый раз, когда Кеплер сравнивал свою модель с наблюдаемыми орбитами планет, ему приходилось признавать, что их реальное поведение не укладывается в описанные им тонкие рамки. Как метко заметил современный британский биолог Джон Холдейн, «идея о Вселенной как о геометрически совершенном произведении искусства оказалась еще одной красивой гипотезой, разрушенной плохими событиями».
Только когда он переехал в Прагу и стал учеником датского астронома Тихо Браге, Кеплеру пришли в голову идеи, которые обессмертили его имя в анналах науки.
Представим себе проблему, с которой столкнулся Кеплер, следующим образом. Мы находимся на планете, которая, с одной стороны, вращается вокруг своей оси, а с другой стороны, вращается вокруг Солнца по неизвестной нам орбите. Когда мы смотрим в небо, мы видим другие планеты, которые также движутся по неизвестным нам орбитам. Вопрос: Как мы можем определить орбиту и скорость других планет по наблюдениям за сферой, вращающейся вокруг своей оси и вокруг Солнца?
Вопрос кажется довольно сложным, даже с учетом современных компьютерных технологий. А у Кеплера их не было, и все же он сумел найти ответ!
Наблюдая за движением Марса в космосе и используя координаты и конфигурации этой планеты, определенные Тихо Браге в течение нескольких лет, Кеплер обнаружил, что Марс движется нерегулярно. Он решил построить орбиту Марса. Для этого он сделал небольшое приближение, предположив круговую орбиту Земли (что не противоречило наблюдениям). Он рассуждал следующим образом. Нам известно угловое расстояние Марса (точка М на рисунке) от точки весеннего равноденствия в момент одной из оппозиций планеты, т.е. его прямое восхождение a1.
Т1— это положение Земли в момент противостояния Марса.
Чтобы Марс вернулся в ту же точку своей орбиты, должно пройти 687 дней (это боковой период вращения Марса). Солнечный период Земли составляет 365 дней. Поэтому у него нет времени «добежать» до точки T.1и в это время находится на орбите с температурой T2. Поэтому прямой восход Марса будет меняться для наблюдателя. Таким образом, Кеплер получил целую серию точек, многократно изучая различные оппозиции Марса. Соединив их плавной кривой, он нарисовал орбиту этой планеты, которая не оказалась кругом.
Видимое движение планет и Солнца
На уроках естествознания вы получили общее представление о строении Солнечной системы. Теперь вы более подробно рассмотрите структуру Солнечной системы и начнете с описания и анализа наблюдаемых движений планет. Пять планет можно увидеть невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.
Планету нелегко отличить от звезды по внешнему виду, главным образом потому, что она не всегда намного ярче звезды. Планеты относятся к числу светил, которые не только участвуют в суточном вращении небесной сферы, но и движутся (иногда незаметно) на фоне зодиакальных созвездий. Эта особенность планет связана с самим словом «планета». которые древние греки называли «блуждающими звездами». Чем лучше вы знаете ночное небо, тем больше вероятность того, что вы найдете планеты как «лишние» светила в созвездиях. В 8-кратный бинокль (а еще лучше в телескоп!) можно увидеть, что Венера, Юпитер и Сатурн имеют диски, в отличие от звезд, видимых в оптические приборы как точечные объекты. Если отслеживать движение любой планеты, например, Марса, ежемесячно отмечая его положение на звездной карте, то можно увидеть главную особенность видимого движения планеты: Планета описывает петлю на фоне звездного неба.
Перемещение планет в созвездиях зодиака смог определить только Николай Коперник в начале XVI в. Это видимое представление на небесной сфере обусловлено движением Земли и планет с разной скоростью вокруг Солнца. Термин эклиптика используется для описания небесных тел Луны, Солнца и планет, экваториальные координаты которых быстро меняются. Эклиптика — это видимый годовой путь центра диска Солнца по небесной сфере. Видимое движение Солнца по эклиптике отражает фактическое движение Земли вокруг Солнца (что было доказано только в 1728 году открытием Джеймсом Брэдли годового отклонения).
Орбита небесного тела — это траектория его движения во Вселенной. Орбиты планет становятся тем меньше, чем дальше они удаляются от Солнца. Плоскости орбит всех планет Солнечной системы лежат вблизи плоскости эклиптики и отклоняются от нее.
Планеты движутся между звездами в основном с запада на восток (как Солнце и Луна), такое движение называется прямым. Однако в определенный момент каждая планета замедляет свое движение, останавливается и начинает двигаться с востока на запад; это движение называется боковым. Затем Солнце снова останавливается и возобновляет движение вперед. Поэтому видимая орбита любой планеты на небе представляет собой сложную линию зигзагов и петель. Эта орбита также меняется от цикла к циклу, при этом планета занимает примерно одинаковое положение между звездами.
Планеты делятся на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) в соответствии с их орбитами и условиями видимости с Земли. Внешние планеты всегда обращены к Земле той стороной, которую освещает Солнце. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне. Планеты, орбиты которых лежат в пределах орбиты Земли, называются нижними планетами, а планеты, орбиты которых лежат за пределами орбиты Земли, называются верхними планетами.
2. Конфигурация планет
Конфигурации — это некоторые характерные относительные положения планет, Земли и Солнца. Конфигурации нижних и верхних планет отличаются, потому что условия их видимости различны. Видимость планеты зависит от ее положения по отношению к Солнцу, которое освещает планету, и Земле, с которой мы наблюдаем планету.
Для нижних планет существуют куспиды (ниже и выше) и продолговатые (восток и запад).
Для верхних планет мы различаем соединение, оппозицию и квадрат.
Из-за орбиты всех планет вокруг Солнца их конфигурации, естественно, периодически повторяются. А промежуток времени между двумя последовательными конфигурациями одноименной планеты называется финоидным периодом (от греческого σύνοδος — синопсис). Проще говоря, это период времени, через который планета (или любое другое тело в Солнечной системе) возвращается в свое прежнее положение относительно Солнца для наблюдателя с Земли.
Планетарные периоды рассчитываются с древних времен, когда предполагалось, что все тела вращаются вокруг Земли. Однако мы уже знаем, что Земля не является неподвижным телом, а движется вокруг Солнца вместе с другими планетами. Период времени, в течение которого планета совершает один полный оборот вокруг Солнца, вращаясь вокруг звезд, называется сидерическим периодом (sidus, от латинского sidus — звезда, в просторечии sideris). Для простоты продолжительность периода часто называют годом. Например, год Земли, год Меркурия, год Юпитера и т.д.
По движущейся Земле невозможно определить малый период обращения планеты вокруг Солнца, так как Земля к моменту его окончания успевает сместиться в новую точку пространства, и проекция планеты на фон неподвижных звезд также смещается. Оказалось, что планета не может достичь или пройти точку между звездами, с которых наблюдалось ее движение. Однако существует взаимосвязь между когерентным (видимым) и вторичным (фактическим) периодами планет. Давайте установим это:
3. Сутки в асторономии
Продолжительность суток на планете зависит от угловой скорости ее вращения. В астрономии различают несколько типов двадцатичетырехчасовых периодов, в зависимости от системы отсчета. Если в качестве точки отсчета вращения выбрать далекую звезду, то такой день имеет иную продолжительность, чем у центрального светила планетарной системы. На Земле, например, есть средний солнечный день (24 часа) и боковой день (около 23 часов, 56 минут и 4 секунд). Это не одно и то же, поскольку из-за орбитального движения Земли вокруг Солнца для наблюдателя на поверхности Земли Солнце смещено на фоне далеких звезд.
Сидерические сутки — это период вращения небесного тела вокруг своей оси в инерциальной системе отсчета, которая обычно является системой отсчета, связанной с далекими звездами. Для Земли это время, необходимое для совершения одного оборота вокруг своей оси относительно далеких звезд. На рисунке выше: 1-2 — это боковой день.
Сидерические сутки — это время, за которое небесное тело совершает один оборот вокруг своей оси относительно центра Солнца. На рисунке выше: 1-3 — это солнечные дни.
Эклиптика. Движение Солнца по эклиптике
Древние астрономы, наблюдавшие за небесными телами, заметили, что солнце в полдень в течение года находится на разной высоте. Если вы посмотрите на горизонт в полночь летом или зимой, весной или осенью, вы сможете отчетливо увидеть различные созвездия на южной стороне. Например: то, что видно летом, совсем не видно зимой. И как раз наоборот: летние звезды созвездий совсем не видны зимой. На основе этих наблюдений было определено годовое движение Солнца относительно звезд. Термин «эклиптика» появился в науке.
Мы уже знаем, что движение Солнца относительно. Видимое движение звезды относительно движения Земли вокруг Солнца. Суточное движение Земли, т.е. один полный оборот вокруг своей оси, происходит за 23 часа, 56 минут и 4 секунды. Аналогичным образом, Солнце перемещается по небосводу на 1° в день. Время, за которое он проходит весь круг небесной сферы, называется годом. Это соответствует 365 дням и 6 часам. Каждый четвертый год является високосным, поскольку в течение года добавляются дополнительные дни. Таким образом, високосный год имеет 366 дополнительных дней.
Зодиакальные созвездия
В течение года Земля движется по круговой траектории на своей орбите. На своем пути по эклиптике Солнце проходит через 13 созвездий, которые обычно называют знаками зодиака.
Другими словами, созвездия, расположенные вдоль эклиптики, называются зодиакальными созвездиями.
В современной астрономии в зодиаке насчитывается 13 созвездий, а не 12, как в прошлом. Еще древние астрономы дали каждой звезде имя, которое оставалось связанным с созвездием в течение многих лет. При выборе имени обычно учитывалось сходство с определенным предметом, животным или образом. Сегодня все знают их имена. К созвездиям зодиака относятся:
- Овен.
- Телец.
- Близнецы.
- Рак.
- Лев.
- Дева.
- Весы.
- Скорпион.
- Змееносец.
- Стрелец.
- Козерог.
- Водолей.
- Рыбы.
Если вы проследите путь Солнца из Овна (19 апреля — 3 мая), звезда вернется в то же созвездие ровно через год. Всего за один месяц Луна пройдет через все созвездия зодиака за меньшее время. В конце концов, полная орбита Земли занимает всего 27 дней. Планеты также движутся через созвездия с разной скоростью. Это зависит от их расстояния от Земли и Солнца. Точкой отсчета зодиакальных созвездий является весеннее равноденствие 20 марта.
Каждому знаку зодиака принадлежит большое количество ярких звезд. Эти звезды помогли разделить небо на определенные регионы, и каждый знак зодиака получил свои границы. Вот некоторые из самых ярких звезд. В созвездии Близнецов есть звезда Поллукс, Альхена и Бобр, в Скорпионе — Саргас и Антарес, в Стрельце — Нунки и Каус Аустралис, во Льве — Альгиеба и т.д.
Следует помнить, что современные границы созвездий были официально установлены Международным астрономическим союзом в 1928 году.
Овен
Относится к древним созвездиям. Он был известен уже в Древней Греции. Он расположен в северном полушарии. Созвездие хорошо видно на всей территории России. Лето, осень и зима — лучшее время для его наблюдения. Согласно легенде, Овен — это волшебный баран с витыми рогами (Золотое руно). Аргонавты (в греческой мифологии — участники экспедиции в Колхиду (побережье Черного моря) на корабле «Арго») отправились на поиски Золотого руна.
Созвездие состоит из 57 звезд, видимых невооруженным глазом. По размеру Овен занимает 39-е место среди 88 современных созвездий. На нем есть яркие звезды.
Таурус
Созвездие принадлежит древним. У многих народов это животное было священным и почитаемым. Тельца хорошо видно по всей стране. Без приборов можно увидеть 216 звезд, составляющих Тельца. Он расположен в северном полушарии. Лучшее время для наблюдений — с ноября по январь. Самые яркие звезды включают. Он занимает 17-е место по занимаемой площади в небе.
Близнецы.
Это созвездие находится в северном полушарии и имеет две довольно яркие звезды (Кастор и Полидицея), расположенные близко друг к другу. Они представляют собой головы братьев-близнецов. Их ноги находятся в Млечном Пути и направлены на юго-запад. Близнецов лучше всего наблюдать в декабре и январе. Невооруженным глазом можно увидеть 70 звезд, что ставит их на 30-е место в регионе.
