Урок "Планети-гіганти. Фізичні та орбітальні характеристики. Супутники планет. Кільця планет. Карликові планети. Астероїди. Метеорити"

Лекція

Тема. Планети-гіганти. Фізичні та орбітальні характеристики. Супутники планет. Кільця планет. Карликові планети. Астероїди. Метеорити.

Мета: навчальна: продовжити ознайомлення з основними особливостями планет Сонячної системи – планет-гігантів, їхніми фізичними характеристиками, установити причиново-наслідкові зв’язки явищ у Сонячній системі;

розвивальна: продовжити формування умінь самостійно працювати з навчальною, довідковою і науково-популярною літературою; продовжити розвиток інтересу до предмета, використовувати методи роботи з довідковими джерелами;

виховна: продовжити формування самостійного мислення, уміння узагальнювати факти, аналізуючи їх; розвивати науковий світогляд у ході ознайомлення з історією вивчення і природою планет.

Обладнання:

1) комп’ютер; фільм “Подорож по сонячній системі”

ХІД  ЗАНЯТТЯ

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ

ІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ

1. Що таке планета? Які планети Сонячної системи ви знаєте?

2. Які планети Сонячної системи ви знаєте?

3. Дайте визначення понять “Сонячна система”, “планета”, “супутник планети”.

4. Які особливості планет земної групи? Що є спільним між планетами земної групи? (Меркурій, Венера, Земля, Марс).

ІІІ. ПОЯСНЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Студенти готують повідомлення за однією із запропонованих тем (див.нижче). Вони збирають повну інформацію про історію вивчення даних планет, методи вивчення фізичних характеристик цих планет.

Орієнтовний план повідомлення

1. Група, до якої належить планета.

2. Розмір і маса планети.

3. Відстань планети від Сонця.

4. Період її обертання та звернення.

5. Характеристика атмосфери.

6. Температурні умови.

7. Рельєф (планет земної групи).

8. Число характеристики супутників.

9. Цікаві подробиці про планету.

Теми повідомлень

1. Юпітер – найбільша планета Сонячної системи.

2. Сатурн та його кільця.

3. “Лежачи на боці”.

4. Нептун та його супутники.

1. Загальні відомості про планети-гіганти

До планет-гігантів Сонячної системи належать Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, що розташовані за межами кільця малих планет. Порівняно з планетами земної групи (внутрішніми) вони мають великі розміри й маси, унаслідок чого в їхніх надрах тиск значно вищий, більш низька середня густина, що наближається до середньої Сонячної – 1,43 г/см³, швидке обертання і велика кількість супутників.

Дуже низька середня густина і специфічний хімічний склад їхніх атмосфер свідчать про те, що вони складаються з речовини, подібної до сонячної, тобто здебільшого з водню і гелію. Значний тепловий потік, що виходить з Юпітера, указує на високу температуру в його надрах – до 20 тис. градусів. Такий потік тепла свідчить про існування в надрах Юпітера і Сатурна конвективного перемішування тепла. У надрах панує колосальний тиск, що набагато перевищує 2,5 млн. бар, за якого молекулярний водень переходить до металевої фази і цілком подібний до лужних металів. Чи перебуває він у рідкому чи газоподібному стані – важко сказати, тому що температура відома недостатньо точно. Слід, однак, вважати, що металеве ядро Юпітера рідке, в іншому випадку важко було б пояснити існування в Юпітера потужного магнітного поля, значно потужнішого, ніж у Землі. Подібну з Юпітером структуру має Сатурн. Більш густі Уран і Нептун містять, очевидно, значно більше гелію. У цих планет температура нижче, так що біля їхнього центра, можливо, наявні ядра, що складаються із суміші льоду і сполук, що містять водень, кисень, вуглець, азот, сірку й ін.

Юпітер

Юпітер – п’ята за віддаленням від Сонця і перша за величиною планета Сонячної системи. Планета відома з античних часів і названа на честь давньоримського бога Юпітера, аналога давньогрецького Зевса. Належить до типу газових гігантів.

Параметри планети

Юпітер – найбільша планета Сонячної системи. Його екваторіальний радіус дорівнює 71,4 тис.км, що в 11,2 раза перевищує радіус Землі.

Маса Юпітера більш ніж удвічі перевищує сумарну масу всіх інших планет, у 318 разів – масу Землі і всього в 1000 разів менше від маси Сонця. Якби Юпітер був приблизно в 70 разів масивніше, він міг би стати зорею. Густина Юпітера приблизно дорівнює густині Сонця і значно поступається густині Землі.

Екваторіальна площина планети близька до площини її орбіти, тому на Юпітері не буває змін пір року.

Внутрішня будова

Юпітер складається переважно з водню і гелію. Під хмарами знаходиться шар глибиною 7-25 тис.км, у якому водень поступово змінює свій стан від газу до рідини зі збільшенням тиску і температури (до 6000 ^оС). Чіткої границі, що відокремлює газоподібний водень від рідкого, очевидно, не існує. Це має виглядати як безупинне кипіння глобального водневого океану.

Учені вважають, що Юпітер має ядро, яке складається з важких елементів (більш важких, ніж гелій). Його розміри 15-30 тис.км у діаметрі, ядро має високу густину. За теоретичними розрахунками, температура ядра планети – близько 30 000 ^оС, а тиск – 30-100 млн.атмосфер.

Атмосфера

Атмосфера Юпітера складається з водню (81% за кількістю атомів і 75% за масою) і гелію (18% за кількістю атомів і 24% за масою). На частку інших речовин припадає не більше 1%. В атмосфері наявні метан, водяна пара, аміак; є також сліди органічних сполук, етану, сірководню, неону, кисню, фосфіну, сірки. Зовнішні шари атмосфери містять кристали замороженого аміаку.

Магнітне поле і магнітосфера

Юпітер має потужне магнітне поле; вісь диполя нахилена до осі обертання на 10^о. Напруженість поля на рівні видимої поверхні хмар дорівнює 14 Е біля північного полюса і 10,7 Е – біля південного. Його полярність обернена до полярності земного магнітного поля.

Супутники і кільця

У Юпітера нараховується 63 супутники, що є максимальним показником для Сонячної системи.

Сатурн

Сатурн – шоста за віддаленням від Сонця і друга за розміром і масою планета Сонячної системи.

Сатурн знаходиться на середній відстані 1429 млн.км (9,58 а.о.) від Сонця. Період обертання – 29,46 року.

У Сатурна близько 60 супутників і найбільш потужна система кілець серед усіх планет Сонячної системи.

Загальні відомості

Екваторіальний радіус планети дорівнює 60 300 км, полярний радіус – 54 000 км; Сатурн – найбільш сплющена планета Сонячної системи. Маса планети в 95 разів перевищує масу Землі, однак середня густина Сатурна становить усього 0,69 г/см³. Сатурн є найбільш розрідженою планетою Сонячної системи і єдиною планетою, чия густина (середня) менша за густину води.

Один оберт  навколо осі Сатурн робить за 10 годин і 39 хвилин.

Атмосфера

Верхні шари атмосфери Сатурна складаються на 93% з водню (за об’ємом) і на 7% - з гелію (порівняно з 11% в атмосфері Юпітера). У ній містяться домішки метану, водяної пари, аміаку і деяких інших газів. Аміачні хмари у верхній частині атмосфери потужніші за юпітеріанські.

Дослідження Сатурна

Сатурн – одна з п’яти планет Сонячної системи, яку легко бачити неозброєним оком із Землі. У максимумі блиск Сатурна перевищує першу зоряну величину.

Супутники

На липень 2007 р. відомо 60 супутників Сатурна. 12 з них відкриті за допомогою космічних апаратів.

Уран

Уран – сьома за віддаленням від Сонця і третя за величиною планета Сонячної системи. Уран є газовим гігантом, аналогічно до Юпітера, Сатурна і Нептуна. Його було названо на честь давньогрецького бога Урана.

Склад

Уміст водню складає 83%, гелію – 15%, метану – 1,99%. Також виявлені сліди аміаку, етану й ацетилену. Уран і Нептун багато в чому схожі на ядро Юпітера або Сатурна без масивної оболонки з рідкого металевого водню. Зважаючи на це, в Урана немає чітко вираженого ядра, і його речовина розподілена більш-менш рівномірно. Блакитний колір планети пояснюється поглинанням червоного світла атмосферним метаном.

Нахил

Однією з відмітних ознак Урана є нахил його осі, що складає майже 90^о. Тому впродовж частини орбіти один з полюсів Урана спрямований майже точно на Сонце5, а інший – навпаки, від Сонця. У протилежній частині орбіти орієнтація полюсів відносно Сонця міняється на зворотну, а на ділянках між цими екстремумами Сонце “обертається” навколо екватора планети, як на інших планетах.

Магнітне поле

Магнітне поле Урана цікаве тим, що його центр не збігається з центром планети, а його вісь повернена майже на 60^о відносно осі обертання. Очевидно, воно генерується рухом заряджених частинок на порівняно невеликій глибині. Магнітне поле Нептуна має подібне зміщення відносно геометричного центра планети, так що це навряд чи пов’язано з великим нахилом осі обертання. Джерело магнітного поля Урана невідоме.

Відкриття і дослідження Урана

Уран – перша планета, відкрита вже за Нового часу. До свого відкриття її неодноразово спостерігали різні астрономи, але щораз її вважали просто ще однією зорею. Найбільш раннє документоване спостереження припадає на 1690 р., коли Джон Флемстид заніс Уран до свого каталогу як зорю 34 Тільця.

Супутники Урана

Усього відомо 27 супутників Урана. Чотири найбільших з них – це Титанія, Оберон, Аріель і Умбріель.

Кільця Урана

Уран має слабкі, майже непомітні, планетарні кільця, що складаються з несвітлових частинок матерії до 10 м у діаметрі. Перші кільця Урана було виявлено в березні 1977 року Джеймсом Елліотом, Едвардом Данхемом і Дугласом Мінком. Існує також думка, що честь відкриття кілець належить серу Вільямові Гершелю, який спостерігав їх ще 1789 року.

На сьогодні відомі 13 його кілець, що є деяким “рекордом” у Сонячній системі.

Нептун

Нептун – восьма за віддаленістю від Сонця планета Сонячної системи. Планета була відкрита 1846 року і названа на ім’я бога морів у римській міфології. Символ планети Нептуна – стилізований тризубець, що, у свою чергу, є символом міфічного морського бога Нептуна.

Астрономічні дані

Орбіта Нептуна чи не найбільше наближена до кола. Її велика піввісь дорівнює 4504,3 млн.км при ексцентриситеті усього 0,0086. Відстань Нептуна до Сонця змінюється в межах 29,8-30,4 а.о. Нахилення орбіти до площини екліптики дорівнює 1^о46^/. Період обертання планети навколо Сонця дорівнює 164,79 року.

Максимальна зоряна величина Нептуна на земному небі дорівнює 7,8, тобто він приблизно в п’ять разів слабкіше за найслабші зірки, видимі неозброєним оком. У великі телескопи він схожий на маленький блакитнуватий диск діаметром 2,3 кутової секунди.

Фізичні характеристики

У Нептуна, як і в інших планет-гігантів, немає твердої  поверхні, тому за рівень відліку під час вимірювання розмірів планети приймається рівень атмосфери, на якому тиск складає 1 бар. Екваторіальний діаметр Нептуна дорівнює 49 528 км, полярний – 48 680 км; його маса – 1,02∙10²⁶ кг – перевищує земну в 17,147 раза. Таким чином. Ця планета небагато менше і важча за Уран. Середня густина Нептуна – 1,76 г/см³.

Атмосфера Нептуна на 98% складається з водню і гелію. У ній міститься також 2,5-3% метану. Пір’ясті хмари в атмосфері Нептуна, швидше за все, складаються з кристалів замерзлого метану. Сильні лінії поглинання метану, що домінують у спектрі планети, додають Нептунові інтенсивного синього кольору. У спектрі виявлені також сліди молекулярного водню й етану. У мікрохвильовому діапазоні виявлено наявність незначних кількостей аміаку.

Вісь обертання Нептуна нахилена до площини орбіти на  29^о34^/. Період обертання магнітного поля Нептуна, що, як вважають, пов’язаний з обертанням ядра планети, був визначений “Вояджером-2” і становить 16,11 години (16 годин 07 хвилин). Більшість хмар обертаються з іншими періодами, що складають від 12 годин поблизу від південного полюса до 18 годин біля екватора. Це означає, що на Нептуні дмуть вітри зі швидкостями до 2400 км/год, напрямлені проти обертання планети. Це найдужчі вітри в Сонячній системі.

Цікаві факти

Галілей, спостерігаючи супутники Юпітера 28 грудня 1612 р. і 28 січня 1613 р., знайшов зміну відносного положення двох зір. Тільки через 366 років, 1979 р. з’ясувалося, що однією із цих “зір” був Нептун.

Карликові планети

Карликова планета – небесне тіло, що обертається безпосередньо навколо Сонця (тобто не є супутником іншої планети), має достатню масу, щоб гравітація надала їй гідростатично рівноважної форми, проте не розчистила околиці своєї орбіти від інших подібних тіл. Визначення було ухвалено Міжнародним астрономічним союзом 24 серпня 2006 року на розв’язання проблеми щодо з’ясування терміна “планета”.

Комета -  мале тіло Сонячної системи, яке обертається  навколо сонця і має так звану кому (атмосферу) і / або хвіст.

Астероїд або мала планета – невелике небесне тіло діаметром від 50м до 1000км, що складається зі скельних порід або заліза та нікелю.

Метеороїд, або мереорне тіло, - небесне тіло, проміжне за розміром між міжпланетним пилом і астероїдом. Видимий слід метеороїда, що увійшов у атмосферу Землі , називається метеором, а метеороїд, що впав на поверхню Землі, - метеоритом. 

Перегляд кінофільму “Подорож по сонячній системі”

         ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ МАТЕРІАЛУ У ВИГЛЯДІ ТЕСТУВАННЯ.

Студентам пропонується роздатковий матеріал по варіантам з різними ступенями складності.

                                      Що ми дізналися на занятті

• Планети-гіганти – Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун.
• Юпітер – наймасивніша планета Сонячної системи.
• Якби маса Юпітера збільшилась у 80 разів, у Сонячній системі було б дві зорі.
• Планети-гіганти – це великі газові шари. Характерні утворення та деякі особливості.
• Юпітер: Велика червона пляма – колосальний атмосферний вихор, який існує понад 300 років; має сильне магнітне поле та радіаційні пояси; в атмосферу Юпітера входять водень, гелій1 та незначна кількість аміаку, метану та водяної пари; найбільш відомі супутники Юпітера – Європа, гані мед,Іо, Калісто.
• Сатурн: кільця – ширина до 65 000 км, товщина – декілька км; має малу густину (менше густини води); має магнітне поле, величина якого втричі менше від магнітного поля Юпітера;
• Уран і Нептун – гігантські близнюки; мають товстий шар воднево-метанової атмосфери. Уран було відкрито за допомогою телескопа; Нептун – “на кінчику пера”.
• Карликова планета – небесне тіло, що обертається безпосередньо навколо Сонця (тобто не є супутником іншої планети), має достатню масу, щоб гравітація надала їй гідростатично рівноважної форми, проте не розчистила околиці своєї орбіти від інших небесних тіл.

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Знання, які ми отримали на заняттях, узагальнити в таблицю, зробити висновки про планети-гіганти, їх відмінність від планет земної групи

2. Конспект, § 270.