Какой из хвостов кометы изогнут?

Газовый (плазменный)

Оба изогнуты одинаково

Малые тела Солнечной системы — 9 класс, физика: примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Состав, строение и происхождение Солнечной системы

Коротко о главном

Кроме Солнца, больших планет с их спутниками и карликовых планет, в Солнечной системе движется огромное число малых тел: астероиды, кометы и метеорные тела. Когда метеорное тело сгорает в атмосфере, мы видим метеор, а если оно долетает до земли — это метеорит.

E_k = \frac{mv^2}{2}

Из-за огромной скорости (десятки километров в секунду) даже песчинка несёт большую энергию и ярко вспыхивает в атмосфере.

Подробное объяснение

Вы наверняка видели «падающую звезду» — яркую чёрточку, которая за секунду прочерчивает небо. Это не звезда. Это крошечная песчинка из космоса сгорела в воздухе на высоте в несколько десятков километров. Откуда берутся такие песчинки? Из малых тел Солнечной системы.

Карликовые планеты

Карликовые планеты достаточно массивны, чтобы стать почти круглыми, но не «расчистили» свою орбиту от других тел. Пример — Плутон: с 2006 года его считают не девятой планетой, а карликовой. Карликовые планеты — это ещё не малые тела, а отдельная группа.

Астероиды

Астероиды — каменные и металлические глыбы размером от километра и больше. Название переводится с греческого как «звездоподобные»: в телескоп это светящиеся точки. Отличить астероид от звезды можно только по движению: за несколько часов он смещается на фоне звёзд. По данным учебника, известно более четырёх тысяч астероидов, и большинство из них движется между орбитами Марса и Юпитера. Эту область называют Главным поясом астероидов.

Кометы

Комета — это «грязный снежок»: небольшое твёрдое ядро из льдов (в основном водяного, а также метанового, аммиачного, углекислого), перемешанных с пылью и камнями. Кометы движутся по сильно вытянутым эллипсам. Вдали от Солнца ядро очень холодное, около −260 °C, и у кометы нет ни головы, ни хвоста.

Когда комета подлетает к Солнцу, льды начинают испаряться. Вокруг ядра появляется облако газа — голова кометы. Дальше действуют два механизма:

Солнечный свет ионизирует газ, а солнечный ветер (поток частиц со скоростью сотни километров в секунду) уносит ионы от Солнца. Получается прямой газовый (плазменный) хвост.
Свет давит на пылинки. Давление света слабое, пылинки отстают от кометы, и пылевой хвост изгибается.

Поэтому хвост кометы направлен не «назад по движению», а примерно от Солнца.

Вытянутая эллиптическая орбита, Солнце ближе к левому краю. Комета показана в трёх точках рядом с Солнцем; от каждой отходят прямой синий газовый хвост, направленный от Солнца, и изогнутый коричневый пылевой хвост, отстающий назад. В дальней точке орбиты у кометы хвоста нет. — Хвосты кометы всегда направлены примерно от Солнца; газовый — прямой, пылевой — изогнутый.

Вблизи Солнца комета может терять десятки тонн вещества в секунду, а иногда её ядро разрушается.

Метеоры, метеориты, болиды

Метеорные тела (метеороиды) — твёрдые частицы от песчинки до маленького астероида. Часто это остатки распавшихся комет, растянутые вдоль их орбиты. Когда Земля проходит через такой рой, наблюдается метеорный поток. Следы метеоров кажутся выходящими из одной области неба — её называют радиантом.

Важно различать слова:

метеор — вспышка в небе, когда частица сгорает в атмосфере;
метеорит — тело, которое не успело сгореть и упало на землю;
болид — очень яркий огненный шар с длинным следом, его даёт крупное тело, летящее в нижних слоях атмосферы.

Почему частица так раскаляется? Её скорость — от 11 до десятков километров в секунду. Кинетическая энергия $E_k = \dfrac{mv^2}{2}$ растёт пропорционально квадрату скорости. Здесь $$m$$ — масса в килограммах, $$v$$ — скорость в метрах в секунду, $$E_k$$ — энергия в джоулях. При торможении о воздух эта энергия переходит во внутреннюю, и тело нагревается до свечения.

Как решать задачи

Определите, о каком теле или явлении речь: астероид, комета, метеор, метеорит, болид.
Для качественного вопроса вспомните механизм: хвост — испарение льдов и действие Солнца, метеор — сгорание в атмосфере.
Для расчётной задачи переведите величины в СИ: граммы — в килограммы, километры в секунду — в метры в секунду.
Выберите формулу: $E_k = \dfrac{mv^2}{2}$ для энергии, $$s = vt$$ для пути и времени, $\Delta m = \mu t$ для потери массы.
Подставьте числа, посчитайте и проверьте, разумен ли ответ.

Разобранные примеры

База

Энергия метеорной частицы

Условие

Частица массой 0,5 г влетает в атмосферу со скоростью 60 км/с. Найдите её кинетическую энергию.

Дано

$$m = 0{,}5$$ г $= 5 \cdot 10^{-4}$ кг
$$v = 60$$ км/с $= 6 \cdot 10^4$ м/с

Найти

$$E_k$$

Решение

$E_k = \dfrac{mv^2}{2} = \dfrac{5 \cdot 10^{-4} \cdot 3{,}6 \cdot 10^9}{2} = 9 \cdot 10^5$ Дж.

Это почти как у легкового автомобиля массой 1 т, едущего со скоростью около 150 км/ч. Поэтому крошечная частица даёт яркую вспышку.

Ответ: 900 кДж

Средний

Сколько теряет комета

Условие

Проходя около Солнца, ядро кометы 10 суток подряд теряет в среднем 15 т вещества в секунду. Сколько вещества оно потеряет за это время?

Дано

$\mu = 15$ т/с
$$t = 10$$ сут

Найти

$\Delta m$

Решение

$t = 10 \cdot 86\,400 = 864\,000$ с.

$\Delta m = \mu t = 15 \cdot 864\,000 = 1{,}296 \cdot 10^7$ т $\approx 1{,}3 \cdot 10^7$ т.

Ответ: около 13 млн т

Сложный

Период кометы по размеру орбиты

Условие

Большая полуось орбиты кометы 16 а. е. Через сколько лет она снова вернётся к Солнцу? Используйте третий закон Кеплера: $$T^2 = a^3$$ ( $$T$$ в годах, $$a$$ в а. е.).

Дано

$$a = 16$$ а. е

Найти

$$T$$

Решение

$$T^2 = 16^3 = 4096$$ .

$T = \sqrt{4096} = 64$ года.

Ответ: через 64 года

Типичные ошибки

Путают метеор и метеорит

Почему неверно

Метеор — это световое явление в небе. Его нельзя «найти» или «подобрать».

Как правильно

Метеор — вспышка при сгорании частицы. Метеорит — остаток тела, упавший на землю. Если в небе был метеор, до земли обычно ничего не долетает.

Считают, что хвост кометы тянется за ней, как шлейф

Почему неверно

В космосе нет воздуха, который «сдувал» бы хвост назад.

Как правильно

Хвост создают солнечный ветер и давление света, поэтому он направлен примерно от Солнца. Когда комета удаляется от Солнца, хвост летит впереди неё.

Забывают переводить единицы

Почему неверно

Если подставить скорость в км/с, а массу в граммах, энергия получится не в джоулях и будет ошибочной в миллионы раз.

Как правильно

Перед расчётом переводите всё в СИ: 1 г = 0,001 кг, 1 км/с = 1000 м/с.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Метеорное тело массой 2 г влетает в атмосферу Земли со скоростью 40 км/с. Какой кинетической энергией оно обладает?

Подсказка

Переведите массу в килограммы, скорость — в метры в секунду и воспользуйтесь формулой $E_k = \dfrac{mv^2}{2}$ .

Решение

Дано

$$m = 2$$ г $$= 0{,}002$$ кг
$$v = 40$$ км/с $= 4 \cdot 10^4$ м/с

Найти

$$E_k$$

$E_k = \dfrac{mv^2}{2} = \dfrac{0{,}002 \cdot (4 \cdot 10^4)^2}{2} = \dfrac{0{,}002 \cdot 1{,}6 \cdot 10^9}{2} = 1{,}6 \cdot 10^6$ Дж.

Ответ

1,6 МДж

База Задача 2

Почему астероид в телескоп выглядит как звезда и как астрономы всё-таки отличают его от звёзд?

Решение

Астероиды маленькие и далёкие, поэтому видны как светящиеся точки — так же, как звёзды. Но астероид обращается вокруг Солнца и заметно смещается на фоне звёздного неба за несколько часов или ночей, а звёзды друг относительно друга почти неподвижны.

Ответ

По перемещению на фоне звёзд

Средний Задача 3

Вблизи Солнца ядро кометы теряет 25 т вещества каждую секунду. Сколько тонн оно потеряет за одни сутки?

Подсказка

В сутках 86 400 с.

Решение

Дано

$\mu = 25$ т/с
$$t = 1$$ сут $= 86\,400$ с

Найти

$\Delta m$

$\Delta m = \mu t = 25 \cdot 86\,400 = 2\,160\,000$ т $\approx 2{,}2 \cdot 10^6$ т.

Ответ

2 160 000 т (около 2,2 млн т)

Средний Задача 4

Частицы солнечного ветра летят со скоростью 600 км/с. За сколько часов они пролетят от Солнца до Земли, если расстояние между ними 150 млн км?

Решение

Дано

$$v = 600$$ км/с
$s = 1{,}5 \cdot 10^8$ км

Найти

$$t$$

$t = \dfrac{s}{v} = \dfrac{1{,}5 \cdot 10^8}{600} = 2{,}5 \cdot 10^5$ с.

$t = \dfrac{2{,}5 \cdot 10^5}{3600} \approx 69$ ч — это почти трое суток.

Ответ

около 69 ч

Сложный Задача 5

Большая полуось орбиты кометы равна 9 а. е. Найдите её период обращения вокруг Солнца. Для тел Солнечной системы $$T^2 = a^3$$ , если $$T$$ в годах, $$a$$ в астрономических единицах (третий закон Кеплера).

Подсказка

$T = \sqrt{a^3}$ .

Решение

Дано

$$a = 9$$ а. е

Найти

$$T$$

$$T^2 = a^3 = 9^3 = 729$$ .

$T = \sqrt{729} = 27$ лет.

Ответ

27 лет

Сложный Задача 6

Метеорный поток Персеиды наблюдают каждый год примерно в одни и те же дни августа. Объясните, почему так происходит и почему метеоры будто вылетают из одной точки неба.

Решение

Вдоль орбиты распадающейся кометы растянут рой метеорных тел. Земля пересекает эту орбиту в одной и той же точке своего годового пути, то есть в одни и те же даты. Частицы роя летят почти параллельно, и из-за перспективы (как рельсы, сходящиеся вдали) их следы кажутся выходящими из одной области неба — радианта.

Ответ

Земля каждый год в те же даты пересекает рой частиц на орбите кометы; параллельные следы из-за перспективы сходятся к радианту

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите кусочек льда с песком — это модель ядра кометы. Поставьте рядом лампу-«Солнце» и включите фен со стороны лампы: всё лёгкое сдувается от лампы — так солнечный ветер формирует хвост. Для метеора потрите ладони: трение нагревает, а на скорости в десятки километров в секунду нагрев так силён, что частица сгорает.

Вопросы для проверки понимания: 1) Чем метеор отличается от метеорита? 2) Куда направлен хвост кометы, когда она улетает от Солнца? 3) Где находится Главный пояс астероидов?

На что обратить внимание. Главное — не путать названия: метеорное тело, метеор, метеорит, болид. Плутон сейчас — карликовая планета, а не девятая планета. Для расчётов ребёнку достаточно формулы кинетической энергии и перевода единиц в СИ.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 65	—