Урок 4/10
подробно презентация
Тема: Обобщение и уточнение Ньютоном законов Кеплера
Ход урока:
Новый материал (30мин)
1. Закон всемирного тяготения.
Сообщение ученика = Книга “Астрономия в ее развитии” = Рождение великого закона (стр. 38).
| Повторение законов Кеплера: | |
| Сила тяготения между Солнцем и планетой пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. | Гравитация – общее свойство всех тел природы. Для небесных тел объясняет:
|
| Можно показать упрощенный вывод закона Всемирного тяготения описан в учебнике физики для X классов физико-математических школ под редакцией А.А. Пинского. Если планеты движутся по почти круговым орбитам, их центростремительные ускорения равны: | |
| Законы Кеплера как движутся, то ЗВт почему так движутся. 4 закона (3 закона Кеплера и 3Вт) основные законы Небесной механики – раздела астрономии, исследующего движение небесных тел под действием взаимного притяжения. Понятие “небесная механика” ввел в 1799г Пьер Симон Лапласс (1749-1827, Франция) в астрономии исследовал сложные случаи возмущенного движения космических тел (вековые возмущения Юпитера, Сатурна, Луны; фигуры планет; движение полюсов Земли; первая теория движения спутников Юпитера и динамической теории приливов; обоснование механической устойчивости Солнечной системы). Пятитомный "Трактат о небесной механике" стал классическим трудом и в течении 50 лет был основным руководством для астрономов в данном разделе науки. | |
2. Возмущения, открытие других планет.
С глубокой древности, видимые невооруженным глазом, людям были известны 5 планет (Какие?). Н. Коперник научно обосновал, что Земля тоже планета СС.
В 1781г Уильям Гершель (1738 – 1822, Англия) 13 марта в 10ч вечера открыл Уран (правда считал, что это комета и лишь через 4 месяца российский астроном А.И. Лексель (1740 –1784) указал, что это планета.
А
строномы рассчитали орбиту Урана, используя законы небесной механики, но скоро выяснилось, что Уран отклоняется от Кеплеровской (эллиптической) орбиты. Почему?
1. Действие Сатурна или Юпитера (выяснилось, – нет).
2. За Ураном есть еще планета?
Изменения характеристик движения космических тел вследствие притяжения со стороны других космических тел, помимо центрального, называются возмущениями и наблюдаются в виде отклонений от траекторий, вычисленных на основе задачи 2-х тел (законов Кеплера). Невозмущенным называется довольно редкий вид движения космических тел, строго подчиняющегося законам Кеплера.
Закон всемирного тяготения решает задачу взаимодействия двух тел, а тут задача взаимного притяжения трех тел. В реальных ситуациях космические системы только из 2-х тел встречаются сравнительно редко. Чаще приходится описывать движение 3-х небесных тел, определяя движение 2-х тел относительно третьего или всех трех тел относительно центра масс (например, для системы Земля - Луна - Солнце). Точное решение задачи 3-х тел (Зундман, 1912г) носит очень сложный характер и, как правило, заменяется приближенным решением.
Джон Адамс (1819-1892, Англия) – студент, начав с 1844г расчеты, к сентябрю 1845г указал, где искать новую планету. Но ни профессор Кембриджского университета Уэллис, ни директор Гринвичской обсерватории Джорж Эри (1801-1892) не предприняли ее поиска –проигнорировали расчеты молодого математика.
Во Франции Урбен Леверье (1811-1877) так же решил сверхсложную задачу в 1846г используя теорию возмущений, опубликовал три статьи и 18 сентября отправил письмо астроному Берлинской обсерватории Иогану Галле (1812-1910), который 23 сентября 1846г в 52' от указанного места открыл 8-ю планету – Нептун. Кстати, в конце 1612 – начале 1613г в журнале наблюдений Г.Галилея есть зарисованная звездочка- это был Нептун, но ни он, ни Лаланд, наблюдавший Нептун 8 и10 мая 1795г, не обратили внимания.
13 марта 1930г Клайд Томбо (1906-1997, США) сообщает об открытии девятой планеты - Плутона (исключен 24.08.2006г из числа больших планет). Орбита была рассчитана еще в 1905г американскими астрономами Персиваль Ловелл (на фото у него был Плутон, но он не обратил на это внимания) и Эдуардом Пикеринг (1846- 1919) подтверждена в 1915г.
Расчеты, позволившие открыть 8-ю и 9-ю планеты (а так же ряд астероидов) доказали справедливость закона всемирного тяготения.
3. Законы Кеплера в формулировки Ньютона.
Сформулировав задачу двух тел (m1, m2 со скоростями v1, v2) и решая ее с помощью высшей математики (находя коэффициенты тел под действием силы взаимного притяжения) Ньютон вывел все законы Кеплера из Закона Всемирного тяготения, при этом открыл и разработал дифференциальное и интегральное исчисление. Спутниками космических объектов называются объекты, вращающиеся вокруг них (общего центра тяжести) под действием сил тяготения. Луна - единственный естественный спутник Земли, а искусственных спутников Земли (ИСЗ) в настоящее время насчитывается свыше 7500. Спутники есть у всех планет Солнечной системы, кроме Меркурия и Венеры. У больших астероидов тоже есть спутники - астероиды поменьше. Все планеты Солнечной системы можно считать спутниками Солнца. Наша Галактика имеет 2 больших спутника - галактики Большое и Малое Магелланово Облако и более 30 других звездных систем поменьше.
I-й закон Кеплера
- формулировка;
- понятие эллипса и формы эллипса;
- ближайшая и наиболее удаленная точка орбиты;
- астрономическая единица.
Допуская неподвижность одного тела, Ньютон доказывает: Под действием силы тяготения одно небесное тело по отношению к другому может двигаться по окружности, эллипсу, параболе и гиперболе (виды канонического сечения). (гравитационные сферы планет).
Первому закону подчиняется и форма орбиты искусственных небесных тел, которая зависит от модуля и направления начальной скорости.
Зависимость формы орбиты от скорости:
1. Круговая – υo=7,91 км/с.
Для ИСЗ, запускаемых на околоземные низкие орбиты (h = 200 км), υI =7,78 км/с. В общем виде первую космическую скорость можем найти по формуле 
2. Эллиптическая (разной степени вытянутости орбиты): 2 - υ=9 км/с, 3 - υ = 11,1 км/с (облет Луны - сильно вытянутый эллипс).
3. Параболическая 4 - υ2= υo.√2 =11,19 км/с (тело становится ИС Солнца)
В общем виде вторую космическую скорость можно найти по формуле 
4. Гиперболическая 5 – υ3= υ2.√2 =16,67 км/с (при скорости υ3 12 км/с полет к ближайшим планетам, а при скорости υ316,7 км/с полет к дальним планетам СС.
Скорость, с которой запущенный с Земли КЛА покинет пределы Солнечной системы, называют иногда третьей космической скоростью. Она равна сумме скоростей движения Земли вокруг Солнца и II космической скорости КЛА относительно Земли, υIII = 42 км/с.
Для формирование знаний об истории космонавтики лучше использовать внеклассное занятие, или отдельный урок с выступлениями учащихся по предложенной тематике. Часть материала по истории космонавтики здесь.
2-й закон Кеплера
1) формулировка;
2) изменение скорости и энергии.
Закон не потребовал уточнения.
3-й закон Кеплера
- формулировка;
- комментарий формулы.
| И. Ньютон решая задачу двух тел, вращающихся вокруг общего центра, найдя их получаемые ускорения из закона всемирного тяготения и через угловую скорость центростремительное ускорение получил уточненный 3-й закон Кеплера с массами тел. Вывод может выглядеть так: | |
| Угловая скорость их обращения вокруг центра масс равна | |
|
| Квадраты сидерических периодов планет, умноженные на сумму масс Солнца и соответствующей планеты, относятся как кубы больших полуосей орбит планет. Закон применим не только для планет, но и спутников и позволяет определить массу любого тела в связанной системе движущихся тел. (запомнить, что в сумме масс всегда ставится объект и его спутник). |
II. Закрепление материала (8 мин)
Просмотреть пример №5 (стр. 46).
Решается задача №8 (стр. 47).
Решается задача №7 (стр. 47).
Индивидуальные карточки по теме "Законы Кеплера" (Н.Н. Гомулина)
CD- "Red Shift 5.1" Планеты СС- их нахождение в данный момент времени: созвездия, координаты, угловое удаление от Солнца, Луны.
Итог:
1) Закон всемирного тяготения?
2) В чем заключалось уточнение Ньютоном 1-го закона Кеплера?
3) В чем заключалось уточнение Ньютоном 3-го закона Кеплера?
4) Оценки
Домашнее задание: §10, вопросы стр.47, СР№5 стр. 52 п.6-9.
Задачи:
1. Деймос, один из спутников Марса, отстоит от планеты на расстоянии 23500 км и совершает один оборот вокруг Марса за 30 часов 18 минут. Зная среднее расстояние Земли от Солнца и сидерический период Земли, вычислите отношение масс Марса и Солнца.
2. Какую скорость должна иметь на старте с поверхности Луны (Марса) ракета, доставляющая на Землю образцы грунта?


I. Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.
Исаак НЬЮТОН (1643-1727) в 1686г в 3-х книгах "Математические начала натуральной философии", излагает учение о всемирном тяготении и теорию движения небесных тел.
, где Т – период обращения планеты вокруг Солнца, R - радиус орбиты планеты. Из III закона Кеплера
или
. Следовательно, ускорение любой планеты независимо от ее массы обратно пропорционально квадрату радиуса ее орбиты:
. Согласно II закону Ньютона, сила F, сообщающая планете это ускорение, равна:
(1) сила, действующая на любую планету, прямо пропорциональна массе планеты и обратно пропорциональна квадрату расстояния от нее до Солнца.
: где М – масса Солнца.
=
. Обозначим
где G – постоянная величина. Тогда
, где Т – период обращения. Тогда центростремительное ускорение тел:
,
(2), где r1 и r2 - расстояния тел от центра масс системы. Приравнивая выражения (1) и (2), получим:
,
(3). Складывая почленно выражения (3), получим:
→
(4). В правой части выражения (4) находятся лишь постоянные величины, откуда следует его справедливость для любой системы двух гравитационно взаимодействующих тел. Для двух космических систем это выражение запишется в виде уточненного III закона Кеплера:
→
(17)
Приближённый метод.
Пример: Найти неизвестное расстояние АС.
[АВ] – Базис - основное известное расстояние, т. к. углы САВ и СВА – известны, то по формулам тригонометрии (теорема синусов) можно в ∆ найти неизвестную сторону, т. е. [CА]. Параллактическим смещением называется изменение направления на предмет при перемещении наблюдателя.
, так как при малом значении угла если выражать величину угла в радианах и учитывать, что угол выражен в секундах дуги, а 1рад =57,30=3438'=206265", то и получается вторая формула.
з истории: Первое измерение параллакса (параллакса Луны) сделано в 129г до НЭ Гиппархом (180-125, Др. Греция).
Основная трудность в исследовании небесных тел методами радиолокации связана с тем, что интенсивность радиоволн при радиолокации ослабляется обратно пропорционально четвертой степени расстояния до исследуемого объекта. Поэтому радиолокаторы, используемые для исследования небесных тел, имеют антенны больших размеров и мощные передатчики. Например, радиолокационная установка центра дальней космической связи в Крыму имеет антенну с диаметром главного зеркала 70 м и оборудована передатчиком мощностью несколько сотен кВт на волне 39 см. Энергия, направляемая к цели, концентрируется в луче с углом раскрыва 25'.
С изобретение Квантовых генераторов (лазера) в 1969г произведена первая лазерная локация Луны (зеркало для отражения лазерного луча на Луне установили астронавты США «Ароllо - 11» 20.07.69г), точность измерения составили ±30 см. На рисунке показано расположение лазерных уголковых отражателей на Луне, установленных при полете КА "Луна-17, 21" и "Аполлон - 11, 14, 15". Все, за исключением отражателя Лунохода-1 (L1), работают и сейчас. 


Можно предложить практическую работу "Определение размера Луны".
расположения Солнца, Земли и Луны. Фаза - отношение площади освещенной части видимого диска Луны ко всей его площади (= отношению толщины освещенной части диска к ее диаметру). 


омета - хвостатая (косматая – кометес) звезда. Издревле вызывала ужас, молебен, суеверие:
.Фотосфера -светящаяся “поверхность” Солнца, =нижний слой атмосферы 300-400км., Т≈5800К, ρср. ≈10-4кг/м3≈1017атом/см3. Н-водород. Излучает прочти всю энергию.
. Хромосфера (греч. "сфера цвета") названа так за свою красновато-фиолетовую окраску (видна только при полных затмениях, или при помощи специальных приборов). Состоит из трех слоев: нижний - до 1500 км, Т≈5000К; средний 1500-4000 км , Т ≈ 6000-15000 К; верхний 4000-10000км Т=20000-50000К. Яркость хромосферы не одинакова. Между хромосферой и короной лежит узкий переходный слой, в котором температура быстро растёт от ~ 104 до ~ 106 К.
. Солнечная корона =протяженность от 1R - 8-10 R Солнца. Наблюдается во время затмений (или с помощью коронографа) серебристо-жемчужного цвета с Т≥1млн.К. Почти круглая в период МАX, сильно вытянута в плоскости экватора в MIN. Солнечную корону образует чрезвычайно разреженный газ, и даже слабые магнитные поля, проникающие в корону, оказывают существенное влияние на её характеристики и строение. В короне выделяются корональные щёточки близ полюсов, дуги и корональные лучи на более низких широтах. Структура короны довольно устойчива, существенные изменения происходят за годы.
Поурочные разработки по астрономии (2.62 MB)

