С чего, по общепринятой гипотезе, началось образование Солнечной системы?

С быстрого сжатия части газопылевого облака под действием тяготения

Со взрыва готовой звезды

С захвата Солнцем готовых планет

С остывания раскалённого Солнца

Что верно для планет-гигантов по сравнению с планетами земной группы?

У них нет твёрдой поверхности

У них есть кольца

У них намного больше спутников

Их средняя плотность больше

Они быстрее движутся по орбитам

Солнечная система: состав и происхождение

Что нужно знать до

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

Закон всемирного тяготения

Коротко о главном

Солнечная система — это Солнце и всё, что его тяготение удерживает рядом: восемь больших планет со спутниками, карликовые планеты, астероиды, кометы и метеорные тела. Почти вся масса системы — 99,9 % — приходится на Солнце.

F = G\dfrac{M_{\odot}\, m}{r^2}

Подробное объяснение

Кто живёт в Солнечной системе

Представьте карусель: в центре тяжёлая опора, вокруг кружатся кресла на цепях. В Солнечной системе роль опоры играет Солнце, а цепей — сила всемирного тяготения. Солнце почти в тысячу раз массивнее всех остальных тел вместе, поэтому его притяжения хватает, чтобы удерживать планеты на орбитах. Они не улетают, потому что их тянет к Солнцу, и не падают на него, потому что быстро движутся вбок — так же, как спутник вокруг Земли.

Вокруг Солнца обращаются восемь больших планет. По удалению от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Удобная подсказка: «Мы Все Знаем: Мама Юли Села Утром На пилюли». Вокруг всех планет, кроме Меркурия и Венеры, обращаются естественные спутники.

Солнце и планеты по порядку: Меркурий, Венера, Земля, Марс — планеты земной группы; пояс астероидов с Церерой; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — планеты-гиганты; за ними карликовые планеты. Размеры и расстояния не в масштабе. — Порядок планет по удалению от Солнца. Размеры и расстояния не в масштабе.

Есть и карликовые планеты — они намного меньше и легче больших. Это Церера (между орбитами Марса и Юпитера, в поясе астероидов), а также Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида — они дальше Нептуна. Плутон до 2006 года считали девятой планетой.

Ещё есть малые тела: астероиды, кометы и метеорные тела. Их огромное множество, но масса у них маленькая.

Две семьи планет

Большие планеты делят на две группы.

Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля, Марс. Они небольшие, твёрдые, плотные, состоят в основном из тяжёлых элементов. Они ближе к Солнцу, получают больше света и тепла и быстрее движутся по орбитам. Спутников у них мало.

Планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Они огромные, но состоят в основном из газов, поэтому плотность у них небольшая. Твёрдой поверхности нет. У гигантов мощные атмосферы и магнитосферы, есть кольца из мелких частиц, а спутников — десятки у каждого: на них приходится подавляющее большинство спутников планет.

Как всё возникло

По общепринятой гипотезе, около 4,6 млрд лет назад (в учебнике — «около 5 млрд») часть огромного холодного газопылевого облака начала быстро сжиматься под действием собственного тяготения. Облако вращалось, поэтому сжималось неравномерно: вдоль оси вращения быстрее, поперёк — медленнее. Так получился плоский вращающийся диск.

При сжатии гравитационная энергия переходила в энергию движения частиц, а затем во внутреннюю энергию — газ нагревался. В центре возникла протозвезда — звезда в стадии образования. Когда температура в центре дошла до миллионов градусов, начался термоядерный синтез гелия из водорода, и протозвезда стала Солнцем.

Возле Солнца было жарко, и лёгкие вещества уносились к холодным окраинам диска. Поэтому близкие планеты сложились из тяжёлых веществ, а далёкие — в основном из газов. Кольца гигантов — это остатки вещества вокруг планет.

Как решать задачи

Выясните, о чём спрашивают: порядок и группы планет, время полёта света, плотность, сила притяжения.
Выпишите данные, переведите в СИ: расстояния — в метры, время — в секунды.
Выберите формулу: время полёта света $t = \dfrac{r}{c}$ , плотность $\rho = \dfrac{m}{V}$ , сила тяготения $F = G\dfrac{Mm}{r^2}$ . Для сравнения двух сил удобнее отношение — тогда $$G$$ и масса Солнца сокращаются.
Считайте со степенями десяти: мантиссы делите отдельно, показатели вычитайте.
Проверьте смысл: свет от Солнца до Земли идёт около 8 минут, плотность газового гиганта — порядка 1000 кг/м³ и меньше, а у каменной планеты — несколько тысяч.

Разобранные примеры

База

Кто между Землёй и Юпитером

Условие

Какие большие планеты и другие тела находятся между орбитами Земли и Юпитера?

Решение

Порядок планет — Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер. Значит, между Землёй и Юпитером из больших планет только Марс. Дальше Марса лежит пояс астероидов, а в нём — карликовая планета Церера.

Ответ: Марс, а также пояс астероидов с карликовой планетой Церерой.

Средний

Сколько свет летит до Марса

Условие

Среднее расстояние от Солнца до Марса 2,28·10¹¹ м. Сколько минут идёт до Марса солнечный свет? Скорость света 3·10⁸ м/с.

Дано

$r = 2{,}28 \cdot 10^{11}$ м
$c = 3 \cdot 10^{8}$ м/с

Найти

$$t$$

Решение

t = \dfrac{r}{c} = \dfrac{2{,}28 \cdot 10^{11}}{3 \cdot 10^{8}} = 0{,}76 \cdot 10^{3} = 760 \text{ с}

t = \dfrac{760}{60} \approx 12{,}7 \text{ мин}

Для сравнения, до Земли свет идёт около 8 минут — Марс дальше, всё сходится.

Ответ: Около 12,7 мин

Сложный

Кого Солнце держит крепче: Землю или Марс

Условие

Масса Марса составляет примерно 0,11 массы Земли, а от Солнца он дальше в 1,5 раза. Во сколько раз сила притяжения Марса к Солнцу меньше, чем Земли?

Дано

$m_{\text{М}} = 0{,}11\, m_{\text{З}}$
$r_{\text{М}} = 1{,}5\, r_{\text{З}}$

Найти

$F_{\text{З}} / F_{\text{М}}$

Решение

По закону всемирного тяготения $F = G\dfrac{M_{\odot} m}{r^2}$ . В отношении сил $$G$$ и $M_{\odot}$ сокращаются:

\dfrac{F_{\text{М}}}{F_{\text{З}}} = \dfrac{m_{\text{М}}}{m_{\text{З}}} \cdot \left(\dfrac{r_{\text{З}}}{r_{\text{М}}}\right)^2 = 0{,}11 \cdot \dfrac{1}{1{,}5^2} = \dfrac{0{,}11}{2{,}25} \approx 0{,}049

\dfrac{F_{\text{З}}}{F_{\text{М}}} \approx \dfrac{1}{0{,}049} \approx 20

Ответ: Примерно в 20 раз меньше

Типичные ошибки

Считают Плутон девятой планетой

Почему неверно

Так было в старых книгах. В 2006 году астрономы уточнили определение планеты, и Плутон перевели в карликовые — он намного меньше и легче больших планет, а рядом с его орбитой много похожих тел.

Как правильно

Больших планет восемь, от Меркурия до Нептуна. Плутон, Церера, Эрида, Хаумеа и Макемаке — карликовые планеты.

Думают, что раз гигант больше, то и плотнее

Почему неверно

Размер и плотность — разные вещи. Гиганты состоят в основном из водорода и гелия, поэтому при огромной массе у них малая средняя плотность. У Сатурна она даже меньше, чем у воды.

Как правильно

Планеты земной группы маленькие, но плотные (каменные и металлические). Гиганты большие, но с малой плотностью.

Верят картинке, где планеты стоят рядом

Почему неверно

На схемах планеты рисуют рядком и почти одного порядка размеров, иначе всё не влезет на страницу. На самом деле промежутки между дальними планетами огромны: от Солнца до Нептуна в 30 раз дальше, чем до Земли.

Как правильно

По схеме запоминают порядок и группы, а расстояния и размеры берут из таблиц. На схеме в этой теме это отмечено: «не в масштабе».

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

Какая по счёту от Солнца планета Марс и какие большие планеты находятся ближе к Солнцу, чем она?

Подсказка

Вспомните порядок — Меркурий, Венера, Земля, …

Решение

Порядок больших планет — Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Марс — четвёртый, ближе к Солнцу Меркурий, Венера и Земля.

Ответ

Четвёртая; ближе — Меркурий, Венера, Земля

База Задача 2

Масса Солнца около 2,0·10³⁰ кг, и это 99,9 % массы всей Солнечной системы. Оцените, какая масса приходится на все остальные тела вместе — планеты, спутники, астероиды, кометы.

Подсказка

На всё остальное приходится 0,1 % массы системы.

Решение

Масса системы $M_{\text{с}} = \dfrac{M_{\odot}}{0{,}999}$ , на остальные тела приходится $m = M_{\text{с}} - M_{\odot} = M_{\odot} \cdot \dfrac{0{,}001}{0{,}999} \approx 2{,}0 \cdot 10^{30} \cdot 0{,}001 = 2{,}0 \cdot 10^{27}$ кг.

Ответ

Примерно 2·10²⁷ кг

Средний Задача 3

Нептун находится от Солнца примерно на расстоянии 4,5·10¹² м. Сколько часов идёт до него солнечный свет? Скорость света 3·10⁸ м/с.

Подсказка

Свет движется равномерно, $$t = r/c$$ .

Решение

$t = \dfrac{r}{c} = \dfrac{4{,}5 \cdot 10^{12}}{3 \cdot 10^{8}} = 1{,}5 \cdot 10^{4}$ с. В часе 3600 с: $t = \dfrac{15\,000}{3600} \approx 4{,}2$ ч.

Ответ

Около 4,2 ч

Средний Задача 4

Масса одной из планет-гигантов 5,7·10²⁶ кг, объём 8,3·10²³ м³. Найдите её среднюю плотность и сравните с плотностью воды (1000 кг/м³).

Подсказка

Плотность — масса, делённая на объём.

Решение

$\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{5{,}7 \cdot 10^{26}}{8{,}3 \cdot 10^{23}} \approx 0{,}687 \cdot 10^{3} \approx 690$ кг/м³. Это меньше плотности воды: планета состоит в основном из лёгких газов.

Ответ

Около 690 кг/м³ — меньше, чем у воды

Сложный Задача 5

Масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли, а от Солнца он в 5,2 раза дальше. Во сколько раз Солнце притягивает Юпитер сильнее, чем Землю?

Подсказка

По закону всемирного тяготения сила пропорциональна массе планеты и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Решение

$\dfrac{F_{\text{Ю}}}{F_{\text{З}}} = \dfrac{m_{\text{Ю}}}{m_{\text{З}}} \cdot \left(\dfrac{r_{\text{З}}}{r_{\text{Ю}}}\right)^2 = 318 \cdot \dfrac{1}{5{,}2^2} = \dfrac{318}{27{,}04} \approx 11{,}8$ .

Ответ

Примерно в 12 раз

Сложный Задача 6

Почему ближайшие к Солнцу планеты маленькие, твёрдые и плотные, а дальние — огромные и в основном газовые? Объясните с точки зрения образования Солнечной системы.

Решение

В протопланетном облаке вблизи молодого Солнца было жарко. Лёгкие элементы (водород, гелий) там не удерживались и уносились к холодным окраинам. Рядом с Солнцем остались в основном тяжёлые вещества — из них сложились небольшие плотные планеты земной группы. Вдали было холодно и много лёгкого газа — там выросли газовые гиганты с малой плотностью.

Ответ

Из-за разной температуры в облаке лёгкие вещества ушли на холодные окраины

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите мяч (Солнце) и разложите на полу по прямой восемь мелких предметов: четыре бусинки ближе — «каменные» планеты, четыре больших ореха подальше — газовые гиганты. Пусть ребёнок назовёт их по порядку. Затем покрутите в тарелке с водой щепотку чая: частицы собираются в плоский вращающийся «диск» — примерно так из облака сложилась Солнечная система.

Вопросы для проверки понимания: 1) Назови восемь планет по порядку и раздели их на две группы. 2) Почему планеты не улетают от Солнца и не падают на него? 3) Почему близкие к Солнцу планеты каменные, а далёкие — газовые?

На что обратить внимание. Плутон — не большая планета, а карликовая. Ребёнок должен понимать, что Солнечную систему удерживает тяготение Солнца, а не просто «так устроено». Числа вроде количества спутников быстро устаревают — важнее помнить, что у гигантов их много, а у Меркурия и Венеры нет вовсе.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 63	—