Система Земля-Луна
Урок 53. Физика 11 класс
Конспект урока «Система Земля-Луна»
Сквозь волнистые туманы пробирается луна,
на печальные поляны льет печально свет она.
По дороге зимней, скучной тройка борзая бежит,
колокольчик однозвучный утомительно гремит
В данной теме разговор пойдёт о Луне как о небесном теле. Напомним, что в Солнечную систему входят восемь основных планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (которые также названы в честь римских богов). Некоторые планеты не имеют спутников, а у некоторых планет насчитывается несколько десятков спутников. Что касается Земли, то у неё один-единственный естественный спутник – это Луна. Поскольку ни Меркурий, ни Венера не имеют спутников, Луна – это самый близкий спутник к Солнцу.
Рассмотрим, какие объекты называются звездами, какие планетами, а какие – спутниками. Итак, звезда – это массивный газовый шар, излучающий свет и тепло в результате протекания реакций термоядерного синтеза в его недрах. Планетой называется небесное тело, вращающееся вокруг звезды (или её остатков), достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции. Наконец спутник – это любое небесное тело, вращающееся по определенной орбите вокруг другого объекта (например, планеты). Так вот, Луна является единственным естественным спутником Земли.
Луна совершает полный оборот вокруг Земли за 27,3 земных суток и ровно с таким же периодом вращается вокруг своей оси (период обращения Луны вокруг Земли, называется сидерическим месяцем или сидерическим периодом). Именно из-за того, что Луна вращается вокруг своей оси с той же периодичностью, что и вокруг Земли, всегда видно только одно полушарие Луны. Солнце всегда освещает примерно половину поверхности Луны, но поскольку к Земле могут быть обращены части и освещенной и неосвещенной поверхности, Луна большую часть времени кажется нам неполной. Всем хорошо известны две фазы Луны – это новолуние и полнолуние. Также различают еще две фазы – это первая четверть и третья четверть. Интервал времени между двумя последовательными новолуниями составляет 29,5 земных суток. Это время называют синодическим месяцем или синодическим периодом. Именно синодический период лежит в основе лунного календаря.
С Луной связаны такие интересные явления, как солнечные и лунные затмения. В определенные моменты, Луна может частично или полностью заслонить Солнце. Такие явления, соответственно называются частными или полными солнечными затмениями.
Иногда Луна попадает в тень Земли (то есть, оказывается неосвещенной Солнцем). Такие явления называются лунными затмениями.
Конечно, солнечные и лунные затмения не происходят каждый месяц. Это объясняется тем, что ось Луны наклонена по отношению к эклиптике. Тем не менее, на сегодняшний день, солнечные и лунные затмения довольно легко предсказываются на многие годы вперед. За один земной год происходит не менее двух и не более пяти солнечных затмений, а также, не менее трех лунных затмений.
Также, Луна оказывает ощутимое гравитационное влияние на Землю. Именно из-за Луны возникают приливные явления.
Водная оболочка Земли оказывается немного вытянутой, что вызывает приливы в одних областях Земли и отливы в других областях Земли. Обозначим центр Земли за точку О, и обозначим еще 4 точки: A, B, C и D. Очевидно, что точка A испытывает более сильное притяжение со стороны Луны, чем точка О. Таким образом, возникает так называемая приливная сила (то есть разница между гравитационными силами, действующими на точки A и O). Приливные силы в точках C и D будут направлены к центру Земли. В результате действия приливных сил, вода будет оттекать из точек C и D в точки A и B. Таким образом, в точках C и D будет наблюдаться отлив, а в точках A и B – прилив.
Надо сказать, что Солнце тоже вызывает приливы на Земле, несмотря на большое расстояние между Землей и Солнцем. Однако, Солнце имеет громадную массу по сравнению с Луной, поэтому, солнечные приливы всего в 2,5 раза слабее лунных. Таким образом, на Земле наблюдаются самые большие приливы в новолуния и полнолуния (поскольку действие Луны и Солнца суммируется). И наоборот, когда Луна находится в фазе первой или третьей четверти, приливы наиболее слабые (поскольку действие Солнца вычитается из действия Луны).
Как вы видите, Луна играет довольно важную роль в жизни Земли. Но как образовалась Луна? Давайте рассмотрим наиболее известные гипотезы. Итак, согласно одной из гипотез, только что образовавшаяся Земля вращалась настолько быстро, что сбросила с себя часть вещества. Именно эта часть впоследствии образовала Луну. Вторая теория гласит, что Луна просто странствовала в космическом пространстве и случайно была захвачена гравитационным полем Земли. Ещё одна теория говорит о том, что Земля и Луна образовались совершенно независимо друг от друга в процессе формирования Солнечной Системы, и имеют приблизительно одинаковый возраст. Наконец, существует ещё одна теория: это теория гигантского столкновения. Согласно этой теории, с новообразовавшейся Земля столкнулось некое небесное тело величиной с Марс под скользящим углом. В результате такого столкновения наиболее легкие вещества оторвались от Земли, образовав пояс обломков, который, в конце концов, сформировал Луну. На сегодняшний день, последняя теория считается наиболее вероятной. Она хорошо объясняет тот факт, что Луна и Земля имеют схожий состав грунта, но при этом, на Луне нет железа, несмотря на то, что на Земле железо имеется в достаточном количестве. Однако, нет никаких доказательств, которые безоговорочно подтверждают или опровергают одну из перечисленных теорий.
Надо сказать, что иногда система Земля-Луна рассматривается как двойная планета, хотя, в общем случае это неправильно. Одним из критериев двойной планеты является то, что центр масс, вокруг которого вращаются эти планеты, должен находиться над поверхностью обоих планет.
Задача 1. Найдите центр масс (барицентр), вокруг которого вращается система Земля-Луна.
– Луна – это единственный естественный спутник нашей планеты – Земли.
– Звезда – это массивный газовый шар, излучающий свет и тепло в результате протекания реакций термоядерного синтеза в его недрах.
– Планета – это небесное тело, вращающееся вокруг звезды (или её остатков), достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции.
– Спутник – это любое небесное тело, вращающееся по определенной орбите вокруг другого объекта (например, планеты).
– Синодический период Луны – это промежуток времени между двумя последовательными новолуниями. Сидерический период Луны – это период её обращения вокруг Земли.
– С Луной связаны солнечные и лунные затмения, а также приливы и отливы.
– Луна играет важную роль в жизни Земли. В таблице сведены все основные данные о Луне и сравнительные характеристики с Землёй.
– Познакомились с наиболее известными теориями, о происхождении Луны.
Источник
Система Земля—Луна
Урок 58. Физика 11 класс ФГОС
Конспект урока «Система Земля—Луна»
Тема урока не случайно носит название: «Система Земля—Луна». Дело в том, что Землю с её спутником очень часто называют двойной планетой. Этим подчёркивается как общность их происхождения, так и редкостное для планет соотношение масс центрального тела и спутника (1/81).
Природу Земли вы достаточно хорошо изучили в курсе географии. Поэтому мы с вами больше будем говорить о Луне — единственном естественном спутнике нашей планеты.
Итак, Луна — это тело шарообразной формы, слегка сплюснутое к полюсам. Её средний диаметр составляет 3474,11 километра. Масса Луны всего в 81 раз меньше земной, а её средняя плотность равна 0,6 плотности Земли.
На Луне практически нет атмосферы. Объясняется это малым значением ускорения свободного падения вблизи её поверхности. А медленное вращение Луны вокруг своей оси приводит к сильным колебаниям температуры в дневное и ночное время. Из-за отсутствия атмосферы лунная поверхность подвержена постоянной «бомбардировке» метеоритами и микрометеоритами. В результате вся лунная поверхность покрыта слоем мелкораздробленного вещества — реголита. По некоторым оценкам толщина реголита в отдельных местах может достигать 10—12 м.
С поверхности Земли даже невооружённым глазом видны светлые и тёмные области на поверхности нашей спутницы — материки и моря. Моря — это относительно ровные пониженные участки лунной поверхности, покрытые застывшей лавой. Первоначально эти образования действительно считали обычными морями. А впоследствии, когда это было опровергнуто, менять название не стали. Лунные моря занимают примерно 40 % площади видимой стороны Луны и около 16,9 % всей её поверхности.
Исследование Луны с помощью космических аппаратов началось 13 сентября 1959 года, когда её впервые достиг советский космический корабль «Луна-2».
4 октября того же года советская межпланетная автоматическая станция «Луна-3» пролетела над Луной и сфотографировала невидимую с Земли часть её поверхности.
А первая мягкая посадка на Луну была совершена 3 февраля 1966 года советской межпланетной станцией «Луна-9».
20 июля 1969 года американские астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность нашего спутника.
Доставленные на поверхность Луны сейсмометры позволили зарегистрировать большое число лунотрясений (до трёх тысяч в год). Их изучение позволило учёным составить карту внутреннего строения спутника. Так, под слоем реголита располагается кора, толщина которой колеблется от 60 километров на видимой стороне, до 100 — на обратной. Под корой находится три слоя мантии: верхняя (астеносфера), средняя и нижняя. Под слоем мантии располагается жидкое ядро, диаметром около 600 километров, и твёрдое богатое железом внутреннее ядро, диаметр которого, вероятнее всего, менее 500 километров.
Луна перемещается относительно звёзд, аналогично движению Солнца. Но её движение происходит по сложной траектории, которая складывается из двух движений: движения вокруг Земли и движения вместе с Землёй вокруг Солнца. При этом Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому мы видим Луну перемещающейся среди звёзд навстречу вращению неба.
Видимая орбита Луны на небесной сфере — это большой круг, который наклонён к плоскости эклиптики всего на 05 о 09’. Этот круг пересекает эклиптику в двух точках, которые называются узлами или дракони́ческими точками.
Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 д 7 ч 43 мин 6 с. Это, так называемый, сидерический или звёздный месяц. Самое интересное в этом то, что именно за такой же промежуток времени Луна делает один оборот вокруг своей оси. Поэтому нам на Земле всегда видна только одна её сторона.
Связано это с тем, что между Землёй и Луной действуют приливные силы, ответственные за приливы и отливы на Земле. Для того что бы понять, как и почему наблюдаются эти явления, рассмотрим простую ситуацию. Вот есть Земля, Луна. Выберем три точки так, чтобы две из них находились на поверхности Земли, а третья — в её центре.
Луна под действием силы своего притяжения будет сообщать этим точкам ускорение. Но так как точки расположены на разном расстоянии от Луны, то приобретаемые ими ускорения будут различны. Разность ускорений, вызываемых притяжением другого тела в данной точке и в центре планеты, называется приливным ускорением.
Приливные ускорения в точках А и В направлены от центра Земли. Вследствие этого оболочки Земли, и в первую очередь водная, вытягиваются в обе стороны по линии, которая соединяет центры Луны и Земли. Иными словами, в этих местах на планете наблюдается прилив. А вдоль круга, плоскость которого перпендикулярна этой линии, на Земле происходит отлив.
Из-за суточного вращения Земли и вследствие тяготения Луны между огромными массами воды, участвующей в приливных явлениях, и дном океана возникает приливное трение. Оно тормозит вращение Земли, и вызывает увеличение продолжительности суток в среднем на 0,0014 секунды за 100 лет. Именно такой же эффект в своё время затормозил и вращение Луны. Поэтому к Земле она всегда обращена одной стороной.
Вам наверняка известно, что Луна не имеет собственного свечения — она лишь отражает Солнечный свет. В свою очередь, Солнце освещает лишь половину лунного шара. Поэтому, по мере движения Луны по своей орбите её видимая освещённая часть постоянно меняется — происходит смена лунных фаз.
Кстати говоря, освещённая сторона Луны всегда указывает в сторону Солнца, даже если оно скрыто за горизонтом. А линия светораздела, отделяющая освещённую часть Луны от неосвещённой, называется терминатором.
Всего принято различать четыре основные фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.
Фаза новолуния наступает тогда, когда Луна проходит между Солнцем и Землёй. В этот момент мы её не видим, так как она обращена к нам своей тёмной стороной и располагается где-то недалеко от Солнца.
Через пару дней в западной части неба появляется и продолжает расти узкий и яркий серп молодой Луны. Иногда при этом можно наблюдать и остальную часть Луны, которая светиться тусклым сероватым свечением — пепельным светом.
Ещё в течение нескольких дней можно видеть, как серп Луны увеличивается по ширине, и его угловое расстояние от Солнца возрастает. Спустя 7 суток после новолуния становится видна́ правая половина лунного диска — наступает фаза первой четверти.
Далее фаза увеличивается, и примерно ещё через 7—8 суток Луна приходит в противостояние с Солнцем. В этот момент её фаза становится полной — наступает полнолуние. Солнечные лучи освещают всё лунное полушарие, обращённое к Земле. В этой фазе Луна видна над горизонтом в течение всей ночи: она восходит при заходе Солнца, проходит через южную сторону неба, и заходит за горизонт в момент восхода Солнца.
После полнолуния Луна начинает постепенно приближаться к Солнцу. Сначала на правом крае лунного диска появляется небольшой ущерб в форме серпа́, который в течение нескольких дней увеличивается в размерах. Спустя неделю после полнолуния наступает фаза третьей или последней четверти. В этой фазе мы вновь, как и в первой четверти, видим половину освещённого полушария Луны, но ту, которая в первой четверти была не освещена.
В дальнейшем лунный серп будет обращён выпуклостью влево (к востоку), так как Луна, постепенно приближаясь к Солнцу с запада, освещается им слева. Теперь мы можем наблюдать Луну только под утро, незадолго до восхода Солнца. Затем вновь наступает новолуние.
Интервал времени, прошедшей, например, от новолуния до новолуния, непостоянен и в среднем составляет 29 сут 12 ч 44 мин 03 с. Промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем.
В своём движении Луна очень часто заслоняет (или, как говорят астрономы, покрывает) звёзды зодиакальных созвездий. А иногда происходит покрытие Луной планет и Солнца. Покрытие Солнца Луной называется солнечным затмением. Происходит оно потому, что угловые размеры дисков Солнца и Луны для наблюдателя с Земли кажутся одинаковыми. Объясняется это тем, что диаметр Луны примерно в 400 раз меньше диаметра Солнца. Но в то же время она в 400 раз ближе к Земле. Это приводит к тому, что Луна может полностью покрыть яркую поверхность Солнца, оставив при этом видимой лишь его атмосферу.
Теперь посмотрим, что же происходит при затмениях? Ни для кого не секрет, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Это значит, что в определённые моменты, Солнце, Луна и Земля могут выстроиться на одной прямой. Если Луна окажется между Землёй и Солнцем, то она на время закрывает Солнце, отбрасывая тень на Землю. Но маленькая Луна не может полностью затенить Землю. Поэтому только жители той местности, куда упадёт тень от Луны, окажутся свидетелями полного солнечного затмения. В тех же областях, куда свет будет попадать частично, то есть это области полутени, жители будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет — это частное солнечное затмение.
Из-за того, что лунная орбита является эллиптической, может случиться и так, что Луна будет находиться на значительном удалении от Земли. В этом случае диск Луны окажется слишком маленьким, чтобы полностью закрыть собой Солнце. В этом случае можно увидеть кольцеобразное солнечное затмение.
Ежегодно на нашей планете можно наблюдать от 2 до 5 солнечных затмений. Однако в одном и том же месте Земли полное солнечное затмение, как правило, наблюдается очень редко — примерно раз в 200—300 лет. А продолжительность затмения обычно не превышает 7 мин 31 с.
Иногда, в моменты полнолуний, когда земная тень направлена в сторону, противоположную Солнцу, может случиться и так, что Луна полностью или частично попадёт в тень Земли. Тогда происходит лунное затмение.
При частичном погружении Луны в земную тень лунное затмение называется частным теневым, а при полном погружении — полным теневым затмением.
При полном лунном затмении мы, чаще всего, можем наблюдать Луну бурого или красно-тёмного цвета. Объясняется это тем, что солнечный свет, преломляясь в атмосфере Земли, освещает Луну преимущественно красными лучами, которые в меньшей степени подвержены рассеиванию и ослаблению земной атмосферы.
Как правило, ежегодно на нашей планете можно наблюдать 1—2 лунных затмения. Однако бывают годы, когда лунные затмения не наблюдаются вовсе. А максимальное число лунных затмений за год — 4.
Лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли, где в это время Луна находится над горизонтом. Поэтому в каждой данной местности они наблюдаются чаще солнечных затмений, хотя происходят в среднем в полтора раза реже.
Ещё в VI веке до нашей эры вавилонскими астрономами было замечено, что примерно каждые 223 синодических месяца все затмения Луны и Солнца приблизительно повторяются в прежнем порядке. Этот период между затмениями был назван саросом или драконическим периодом.
А теперь давайте подумаем, почему же солнечные и лунные затмения не происходят каждый месяц? Ведь, казалось бы, они должны происходит при каждом обороте Луны во время её новолуния и полнолуния. Всё дело в орбите Луны. Ещё в начале урока мы говорили о том, что видимая орбита Луны на небесной сфере — это большой круг, который наклонён к плоскости эклиптики на 05 о 09’. Такого маленького угла хватает для того, чтобы во время новолуния или полнолуния Луна оказалась далеко от плоскости эклиптики. А это приводит к тому, что во время новолуния тень от Луны может пройти выше Земли.
А во время полнолуния сама Луна может пройти ниже земной тени. Поэтому затмения смогут наступить лишь тогда, когда Луна находится вблизи точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой — вблизи драконических точек.
Источник