Основные физические характеристики планет-гигантов Основные физические характеристики планет-гигантов электронный урок Снеткова Юлия. - презентация

1 Основные физические характеристики планет-гигантов Основные физические характеристики планет-гигантов электронный урок Снеткова Юлия

2 Цель урока: знакомство учащихся с физической природой планет Солнечной системы на примере рассмотрения основных характеристик планет- гигантов

3 Задачи обучения: Общеобразовательные: формирование понятий о физической природе и основных характеристиках планет-гигантов и их спутников: массе, размерах, плотности, химическом составе, внутреннем строении.

4 Воспитательные: Формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историей изучения и природой планет- гигантов и их спутников. Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в исследовании планет и их спутников средствами астрономии и космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при практическом применении результатов исследования планет Солнечной системы и их спутников. Эстетическое воспитание учащихся в ходе знакомства с красотой и стройностью Солнечной системы, разнообразием природы входящих в нее планет и спутников.

5 Развивающие: формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные таблицы и схемы, решать задачи на расчет основных физических характеристик космических тел.

6 Ученики должны знать : -основных представителей планет-гигантов в Солнечной системе; -основные физические характеристики планет-гигантов и их спутников: движение, масса, размеры и плотность (в сравнении с земными), внутреннее строение, рельеф, физические условия на поверхности; -особенности происхождения и эволюции планет-гигантов. Ученики должны уметь : составлять классификационные таблицы и схемы; решать задачи на расчет характеристик космических тел; использовать обобщенный план для изучения космических объектов.

7 Наглядные пособия и демонстрации: - фотографии, схемы и рисунки планет-гигантов и их спутников из космоса, основных деталей их рельефа, внутреннего строения; -диапозитивы из серии слайд-фильмов "Иллюстрированная астрономия": "Строение Солнечной системы"; "Планеты Солнечной системы"; "Солнце и его семья"; -диафильмы (фрагменты диафильмов): "Астрофизические методы наблюдений"; "Солнечная система"; "Планеты и малые тела Солнечной системы"; "Планеты"; "Планеты- гиганты"; -кинофильмы (фрагменты кинофильмов): "Планетная система" ("Солнечная система"); -видеофильмы "Большой Тур" (США); "Астрономия"; -таблицы: "Солнечная система"; "Планеты"; "Спутники планет"; -наглядные пособия: демонстрационная модель планетной системы; карта движения планет; школьный астрономический календарь.

8 Межпредметные связи Природоведение Природоведение ( первоначальные сведения о природе планет ) Физика Физика ( агрегатные состояния вещества, магнитное поле ) Химия Химия ( состав атмосферы небесных тел )

9 Задание на дом: По учебнику астрономии: -Б.А. Воронцова-Вельяминова: §§ 18, 19 (1,3); вопросы к параграфам; -Е.П. Левитана: повторить §§ 14, 15 (1, 2); вопросы к параграфам; -А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 19 (1-5, 7); упр Выполнить задания из сборника задач Воронцова- Вельяминова Б.А.: 251; 319; 320; 322; 323. Дополнительные задания для учащихся физико- математических классов: выполнить задания из сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина: 10.24; 10.25; 11.6; 9.

10 План урока 1. Общие сведения о планетах-гигантах Сравнительная характеристика планет-гигантов и планет земной группы: вращение вокруг своей оси, размеры, внутреннее строение и т.д. Сравнительная характеристика размеров и внутреннего строения спутников планет Образование планет-гигантов 2. Подробная характеристика планет-гигантов и их спутников Юпитер Сатурн Уран Нептун

11 Общие сведения о планетах-гигантах По физическим условиям все планеты делятся на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты. В группу планет-гигантов Солнечной системы входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Планеты-гиганты состоят, в основном, из водорода и гелия; быстро вращаются вокруг оси и сплюснуты у полюсов; обладают мощными протяженными атмосферами, магнитными полями и радиационными поясами, системами спутников и колец; излучают в пространство больше энергии, чем получают ее от Солнца.

12 Характеристики Планеты земной группы Планеты-гиганты 1. Масса Меньше массы Земли: 0.05 M З –1 М З Значительно больше массы Земли: 17.2 М З – 318 М З 2. Размеры Меньше диаметра Земли: 0.38 D З – 1 D З Больше диаметра Земли: 3.9 D З – 11.2 D З 3. Плотность Велика: 3.9 ρ воды – 5.5 ρ воды Сравнима с плотностью воды – не больше 1.7 ρ воды 4. Зависимость плотности от расстояния до центра Наличие резкого перепада плотности – существует твердая поверхность Плотность постепенно убывает с увеличением расстояния от центра планеты – нет твердой поверхности 5. Спутники Небольшое количество: 1-2 Много спутников, есть кольца

13 Вращение вокруг своей оси Сравнительная характеристика размеров планет

14 Сравнительная характеристика внутреннего строения планет

15

16 Сравнительные размеры Меркурия и крупных спутников

17 Сравнительная характеристика внутреннего строения спутников планет

18 Образование планет-гигантов Образование планет-гигантов происходило в "холодной зоне" протопланетного диска на расстоянии от 4 до 40 а. е. от Солнца, где температура вещества туманности уменьшалась до К в а. е. от Солнца. Частиц водородно-гелиевых "снежинок" и водяного льда в этой области было в десятки раз больше, нежели пылинок. Процесс планетообразования, вероятно, шел в 2 этапа: вначале образовались твердые ядра : у Юпитера за 30 миллионов лет, у Сатурна за 200 миллионов лет, у Урана и Нептуна за 1 млрд. лет, после чего на ядра начиналось выпадение (аккреция) газа из окружающего пространства, продолжавшееся от 1 до 10 миллионов лет, при этом температура наружных слоев Юпитера достигала 5000 К, а Сатурна К, что определило силикатный состав их ближайших спутников. Низкое содержание водорода и гелия в атмосферах Урана и Нептуна объясняется тем, что к моменту окончания первого этапа их формирования солнечный ветер "вымел" эти газы за пределы Солнечной системы. Ряд ученых предполагает, что образование планет-гигантов из сгустков вещества протозвездной туманности началось еще в эпоху формирования прото-Солнца. Также есть гипотеза о том, что начальные этапы формировании Урана и Нептуна происходили значительно ближе к Солнцу, а изменение орбит их планетезималей произошло в результате возмущающего взаимодействия с пра-Юпитером, пра- Сатурном и других планетезималями, часть которых при этом покинула пределы Солнечной системы, а другие стали спутниками планет-гигантов (Тритон, Феба и др.) или столкнулась с ними. Наиболее крупные спутники и системы колец, предположительно, сформировались в аккреционном диске планет-гигантов.

19

20 Подробная характеристика планет-гигантов и их спутников Юпитер Сатурн Уран Нептун

21 Юпитер Юпитер - пятая по счету планета от Солнца, а также крупнейшая планета Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца 5.2 а. е.(778 млн. км), экваториальный диаметр около км, полярный - около км, масса кг (317.8 массы Земли). Представляет собой газожидкое тело, твердой поверхности не имеет. Состоит в основном из водорода и гелия. В верхних слоях Юпитера (атмосфере) наблюдаются бурные движения, грозовая активность. Период обращения вокруг Солнца 11.9 года, период вращения вокруг своей оси 9 ч 45 мин (для полярной зоны) и 9 ч 50.5 мин для экваториальной зоны. Обнаружено кольцо шириной около 6000 км и толщиной около 1 км, состоящее из частиц размером от нескольких мкм до нескольких метров.

22 Юпитер так массивен, что мог притянуть к себе все остальные планеты Солнечной системы. Наиболее известная особенность Юпитера - это его вихреобразный сгусток облаков, которые располагаются выше остальных, причем являясь более холодными, нежели окружающие их облака. Этот вихрь назван Великим Красным Пятном. Красное Пятно похоже на гигантский ураган, который вызывает штормовые ветры, несущиеся с огромной скоростью над быстро поворачивающейся планетой. Ветры дуют против часовой стрелки вокруг этого гигантского вихревого образования со скоростью до 250 миль в час (450 км в час). Для сравнения: штормы на Земле редко "разгоняются" до скорости, превышающей 180 миль в час. По площади Красное Пятно размером с 2 наши планеты!!! Причем этот вихрь бушует примерно 300 лет. Красное Пятно - лишь одно из нескольких штормовых образований Юпитера. Юпитер обладает самым мощным магнитным полем и обширной системой радиационных поясов - источником космических лучей (в основном, электронов). У полюсов Юпитера наблюдаются мощные полярные сияния. Юпитер - второй по мощности после Солнца "радиопередатчик" Солнечной системы.

23 Внутри Юпитера В центре Юпитера имеется каменное ядро, массой во много раз больше массы Земли. Но основная масса Юпитера - это довольно внушительный слой газообразных облаков, которые закрывают ядро. В связи с этим планету можно сравнить с персиком, который сверху мягкий, а внутри - с прочным ядром. Быстрый поворот Юпитера приводит к деформации планеты: диаметр экватора на 7% больше, чем диаметр полюсный.

24 Атмосфера Юпитера

25 Спутники Юпитера Вокруг Юпитера существует система тонких колец и очень много спутников. Крупнейшие из них: Ганимед (диаметр около 5260 км) Каллисто (диаметр около 4800 км) Ио (около 3600 км) Европа (около 3130 км) Это так называемые галилеевы спутники планеты. Состоят в основном из "скальных" пород и водяного льда.

26 Ио Ближайший спутник Юпитера, силикатный планетоид диаметром 3636 км, массой кг и средней плотностью г/см 3. В приливных возмущениях рассеивается мощность, в раз выше значения теплового потока из недр Земли. Приливные силы и электрический ток, возникающий при взаимодействии Ио с магнитосферой Юпитера, очень сильно разогревают недра спутника. Ио наполовину состоит из раскаленного жидкого металлического (Fe, Fe-FeS) ядра диаметром, по разным оценкам, от км до км. Трехслойная мантия состоит из обогащенных железом силикатных пород; ее раскаленный свыше 1500 К верхний жидкий слой имеет толщину до 300 км. Тонкая 60- километровая кора Ио пульсирует вместе с приливами и отливами. Литосфера состоит из силикатов (базальтов), серы и ее соединений (SO 2, H 2 S, S 2 и т.д.); под поверхностью Ио скрываются настоящие серные моря с температурой свыше 110°С, а на поверхности температура ниже и не превышает -150°С. Высота гор Ио достигает 16 км. Обнаружено свыше 100 вулканических кальдер поперечником до 200 км; общее число вулканов достигает 300. В 1979 году на Ио действовало 9 вулканов, выбрасывавших вещество на высоту км; в 2000 году их стало 14. Ученые предполагают, что Ио переживает период высокотемпературного "силикатного" вулканизма, завершившийся на Земле 2 млрд. лет назад. Вулканизм Ио породил разреженную сернистую атмосферу, в которой наблюдаются вызванные ионизацией красные, синие, зеленые сияния и свечения. Обнаружено слабое магнитное поле.

27 Европа Силикатно-ледяной планетоид массой кг, радиусом 1561 км и средней плотностью г/см 3 - второй после Марса кандидат на обнаружение живых организмов. Крупное железное ядро Европы окружает силикатная мантия (r ~ г/см 3 ). Близость к Юпитеру, мощное действие приливных сил делает возможным существование гидросферы – глобального океана глубиной до 50 км. Поверхность Европы имеет возраст от 2 до 50 миллионов лет и покрыта панцирем из водяного льда c примесью SO 2, CO 2, H 2 O 2, карбонатов, сульфатов натрия и магния, толщиной от 1-10 км до км, в трещинах, дугах и волнистых линиях, возникающих во время приливов и отливов. Отмечены следы движения крупных блоков льда, аналогичных тектонике плит литосферы Земли. Европа обладает крайне разреженной кислородной атмосферой и слабым магнитным полем.

28 Ганимед Спутник Юпитера, крупнейший силикатно-ледяной планетоид Солнечной системы массой кг, радиусом 2634 км и средней плотностью 1.94 г/см 3, на 500 км превышает размеры Меркурия. Поверхность спутника - ледяные годы, ледяные поля и гладкие широкие бассейны, порожденные тектоническими процессами. Равнины перекрыты слоем грязе-ледяной лавы, припорошены обломками силикатных пород и пылью, на них выделяется множество структур ударного (кратеры и борозды) и вулканического происхождения. Внутреннее строение: сульфидно-железное ядро Ганимеда (r ~ 5-6 г/см 3 ) окружает силикатно-ледяная мантия, возможно с тонкой прослойкой глобальной гидросферы, поверх которой лежит ледяная кора толщиной до 800 километров. Ганимед обладает слабым магнитным полем и крайне разреженной атмосферой (О 2 и др.).

29 Каллисто Масса кг, радиус 2408 км, средняя плотность 1.84 г/см 3, состоит на 60 % из силикатных пород и на 40 % из льда. Молодой рельеф четвертого крупного спутника Юпитера сформировался всего лишь сотни миллионов лет назад. Силикатное ядро Каллисто окружено слоем смеси камней и льда (r ~ г/см 3 ) и толстой водно-ледяной мантией. Под ледяной корой толщиной от 200 до 500 км, возможно, скрыта 10- километровая глобальная водяная оболочка. Каллисто обладает очень слабым магнитным полем и крайне разреженной атмосферой (СО 2 и др.), в которой наблюдаются довольно яркие полярные сияния.

30 Сатурн Сатурн - шестая планета Солнечной системы, среднее расстояние от Солнца 9.54 а. е. (1.427 млрд. км), средний экваториальный диаметр около км, полярный – около км, масса кг (95.1 массы Земли). Средняя плотность Сатурна меньше плотности воды (около 0.7 г/см 3 ) - наименьшая для планет Солнечной системы. По строению и химическому составу в основном похож на Юпитер. Период обращения вокруг Солнца 29.5 года, период вращения вокруг своей оси около 10.7 ч. В систему Сатурна входят также знаменитые кольца толщиной около 1 км.

31 Атмосфера Сатурна Как и Юпитер, его сосед, Сатурн имеет твердое ядро и газообразную остальную часть.

32 Кольца Сатурна У Сатурна самая красивая и крупная система колец, состоящая в основном из большого количества обломков льда размерами меньше метра, камней и пыли. Предполагается, что кольца планет-гигантов образуются из мелких спутников, разрушенных приливными силами или представляющих собой остатки вещества, из которого в далеком прошлом сформировались планеты и их спутники. Радиус внешнего кольца Сатурна превышает км при толщине 4 км. Хотя мы не можем увидеть и сосчитать все кольца, однако в хороший телескоп различимы 3 больших кольца.

33 Спутники Сатурна У Сатурна наибольшее в Солнечной системе количество спутников, в число которых входит обладающий плотной атмосферой и углеводородной гидросферой планетоид Титан.

34 Титан Спутник Сатурна, один из самых крупных силикатно-ледяных планетоидов диаметром 5150 км, массой кг и средней плотностью 1.88 г/см 3. Поверхность Титана почти неразличима сквозь его плотную оранжевую атмосферу, состоящую из азота (90 %), аргона и метана (> 1 %), с давлением у поверхности 1.5 атм. Парниковый эффект увеличивает температуру лишь на 3-5 К, поэтому на Титане довольно холодно - около -179°С. Облака атмосферы на 15-километровой высоте почти целиком состоят из капелек метана: возможно, на Титане идут метановые дожди. Титан обладает своеобразной гидросферой. На поверхности планетоида существуют открытые этано-метановые бассейны - озера, моря и океан, занимающий целое полушарие; на их дне накапливаются тяжелые органические соединения. Крупнейший из материков сравним по размерам с Австралией. Вершины ярко-белых (возможно, водно-ледяных) горных массивов покрыты метановым снегом. Внутреннее строение Титана: тяжелое силикатное ядро окружено мантией из водяного и аммиачного льда и аммонийных гидросульфатов. Кора состоит из аммиачного льда. Азотная атмосфера образовалась при дегазации недр планетоида. Титан облетает вокруг Сатурна каждые 16 дней, и мы можем увидеть его в любительский телескоп с хорошим увеличением.

35 Уран Уран - седьмая от Солнца планета Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца а. е. (2871 млн. км), диаметр км, масса кг (14.54 массы Земли). По строению и химическому составу в основном подобен Юпитеру, но содержит значительно больше метана и аммиака. Период обращения вокруг Солнца 84 года, периодического вращения вокруг своей оси около 17 ч 14 мин.

36 Уран вращается вокруг Солнца "лежа на боку" в обратном, как Венера, направлении. На полюсах планеты полярный день и ночь длятся по 42 года. Тепловой поток из недр незначительно превышает энергию, получаемую планетой от Солнца. Температура атмосферы Т = 64 К почти одинакова на уровне всей "видимой поверхности", представляющей собой оптически непрозрачную дымку из капель или кристаллов углеводородов в атмосфере, самой спокойной среди планет-гигантов. В атмосфере наблюдаются слабые вихри, струйные течения, пятна и метановые облака. Магнитное поле Урана имеет очень сложную структуру, обусловленную особенностями его вращения.

37 Атмосфера Урана Как и его соседи, Уран в основном состоит из газа (поверхность) и маленького каменного ядра.

38 Спутники Урана

39 У Урана 21 спутник. Крупнейшие из них: Титания (диаметр около 1600 км) и Оберон (диаметр около 1550 км). Многочисленные кратеры обнаружены на Обероне, Титании, Ариэле. Поверхность Умбриэля, наоборот, довольно гладкая. Наиболее сложным рельефом (борозды, хребты, разломы глубиной в несколько километров) обладает Миранда. 10 колец планеты шириной до 9300 км состоят из угольно-темных частиц размерами около 1 см.

40 Нептун Нептун - восьмая планета Солнечной система, среднее расстояние от Солнца 30.1 а. е. (4497 млн. км), средний диаметр около км, масса кг (17.2 массы Земли). В целом подобен Урану, но отличается бурными процессами в атмосфере. Период обращения вокруг Солнца года, период вращения вокруг своей оси 16 ч 6 мин. Открыт в 1846 году немецким астрономом И.Галле по теоретическим предсказаниям французского астронома У.Ж.Леверье и английского астронома Дж.К.Адамса.

41 Внутри Нептуна Нептун - самая далекая из планет-гигантов, однако он излучает в пространство в 2.7 раза больше энергии, чем получает от Солнца; мощный тепловой поток из недр планеты обусловливает значительную метеорологическую активность атмосферы, вращающейся в обратную сторону от направления вращения планеты со скоростью ветров от 100 до м/с; наблюдаются многочисленные облака, пятна и вихревой шторм диаметром до км. Ядро планеты предположительно состоит из оксидов кремния, сульфидов, магния и железа и составляет 25 % массы планеты. В центре планеты давление Па, температура К.

42 Атмосфера Нептуна Плотная голубая атмосфера Нептуна содержит помимо водорода и гелия, метан (до 15 %), этан С 6 Н 6, ацетилен С 2 Н 2, этилен С 2 Н 4 и другие газы. Предполагается, что на дне ее находится глобальный океан из воды, насыщенной различными солями. Дно океана - твердая или газо- жидкая ледяная мантия, (р = Па при Т = К) сосредоточившая в себе 70 % массы планеты.

43 Спутники Нептуна У Нептуна 8 спутников и 5 колец шириной от 15 до 5000 км на %, состоящие из пыли. Тритон - силикатно-ледяной спутник Нептуна массой кг, диаметром 2700 км и сравнительно высокой средней плотностью 2.07 г/см 3. Тритон имеет очень большое (1000 км) силикатное ядро, окруженное тоненькой (25-30 км) ледяной мантией, над которой простирается глобальный водяной океан глубиной 150 км, прикрытый толстой ледяной корой (180 км). На поверхности Тритона обнаружены кратеры, горы, каньоны и вулканы. Температура поверхности планетоида всего 38 К, равнины Тритона покрывает 6-метровый слой снега из замерзшего азота, этана и этилена. В сильно разреженной (в раз разреженнее земной) атмосфере, состоящей из азота и метана, наблюдается дымка и легкие облака. У полюсов в небо бьют 8-километровые гейзеры.

44 Из-за странной орбиты Плутона Нептун иногда оказывается самой удаленной от Солнца планетой. С 1979 года Нептун был 9-й планетой от Солнца. 11 февраля 1999 года он пересек орбиту Плутона и еще раз стал 8-й планетой от Солнца, где и останется на следующие 228 лет.

45 Спасибо за внимание!