Как создать компьютерную модель солнечной системы
Обновлено: 21.11.2024
Существующие теоретические модели, пытающиеся объяснить формирование Солнечной системы, предполагали, что оно является средним во всех отношениях. Теперь новое исследование, проведенное астрономами Северо-Западного университета с использованием последних данных о 300 обнаруженных экзопланетах, вращающихся вокруг других звезд, переворачивает это представление с ног на голову.
Оказывается, Солнечная система действительно особенная. Исследование показывает, что если бы ранние условия были немного другими, могли бы произойти очень неприятные вещи, например, планеты, выброшенные на Солнце или выброшенные в открытый космос.
Используя крупномасштабное компьютерное моделирование, исследователи Северо-Запада первыми смоделировали формирование планетных систем от начала до конца, начиная с общего диска газа и пыли, оставшегося после образования центральной звезды, и заканчивая с полной планетной системой. Из-за вычислительных ограничений более ранние модели давали лишь краткое представление о процессе.
Исследователи выполнили более сотни симуляций, и результаты показывают, что происхождение обычной планетарной системы было полно насилия и драмы, но для формирования чего-то вроде нашей Солнечной системы нужны были "правильные" условия.
Исследование было недавно опубликовано в журнале Science.
До открытия в начале 1990-х годов первых планет за пределами Солнечной системы нам были известны только девять (сейчас восемь) планет нашей системы. Это ограничивало модели формирования планет, и у астрономов не было причин считать Солнечную систему необычной.
"Теперь мы знаем, что эти другие планетные системы совсем не похожи на Солнечную систему", – сказал Фредерик А. Расио, астрофизик-теоретик и профессор физики и астрономии Северо-Западного колледжа искусств и наук им. Вайнберга. Он старший автор научной статьи.
"Форма орбит экзопланет вытянутая, а не круглая. Планеты находятся не там, где мы ожидаем. Многие планеты-гиганты, похожие на Юпитер, известные как "горячие Юпитеры", находятся так близко к звезде, что имеют орбиты всего в несколько дней. Очевидно, нам нужно было начать заново, объясняя формирование планет и это большее разнообразие планет, которые мы сейчас видим."
Используя множество данных об экзопланетах, собранных за последние 15 лет, Расио и его коллеги работали над тем, чтобы понять формирование планет в гораздо более широком смысле, чем это было возможно ранее. Моделирование всей планетарной системы — разнообразных физических явлений, связанных с газом, гравитацией и крупицами материала, в таком разнообразии масштабов — было сложной задачей.
Для работы требовались очень мощные компьютеры. Исследователи также должны были разумно решить, какая информация важна, а какая нет, чтобы ускорить расчеты. Они решили проследить рост планет, гравитационное взаимодействие между планетами и всю планетарную систему во всем ее пространственном объеме. Они решили не следить за гидродинамикой газового диска в мельчайших деталях, а в более общем плане. В результате они смогли запустить моделирование, охватывающее всю формацию планетарной системы.
Моделирование предполагает, что происхождение средней планетарной системы чрезвычайно драматично. Газовый диск, порождающий планеты, также безжалостно толкает их к центральной звезде, где они собираются вместе или поглощаются. Среди растущих планет идет ожесточенная конкуренция за газ, хаотический процесс, который производит большое разнообразие масс планет.
Кроме того, когда планеты приближаются друг к другу, они часто входят в динамический резонанс, из-за чего орбиты всех участников становятся все более вытянутыми. Такое гравитационное объятие часто приводит к столкновению с рогаткой, отбрасывающей планеты в другие места системы; иногда один выбрасывается в глубокий космос. Несмотря на все попытки убить свое потомство, газовый диск в конце концов поглощается и рассеивается, и возникает молодая планетная система.
"Похоже, что такая бурная история оставляет мало места для спокойной Солнечной системы, и наши симуляции показывают именно это", — сказал Расио. "Условия должны быть подходящими для возникновения Солнечной системы."
Слишком массивный газовый диск, например, и формирование планет представляет собой анархический беспорядок, производящий «горячие юпитеры» и множество некруговых орбит. Слишком маломассивный диск, и ничего крупнее Нептуна — «ледяного гиганта» с небольшим количеством газа — не вырастет.
"Теперь мы лучше понимаем процесс формирования планет и можем объяснить свойства странных экзопланет, которые мы наблюдали", — сказал Расио. «Мы также знаем, что Солнечная система особенная, и на каком-то уровне понимаем, что делает ее особенной».
"Солнечная система должна была родиться в правильных условиях, чтобы стать тем тихим местом, которое мы видим. Подавляющее большинство других планетных систем не обладало этими особыми свойствами при рождении и стало чем-то совершенно другим."
>Помимо Расио, другими авторами научной статьи являются Эдвард У. Томмс, адъюнкт-профессор Университета Гвельф в Онтарио, бывший научный сотрудник Северо-Западного университета и ведущий автор, а также Соко Мацумура, научный сотрудник Северо-Западного университета.
Компьютерное моделирование было выполнено на суперкомпьютерном кластере, управляемом Группой теоретической астрофизики Northwestern и частично финансируемом за счет гранта Национального научного фонда (NSF) на основные исследовательские инструменты. Исследовательская группа Расио по экзопланетам также финансируется за счет гранта Отделения астрономии NSF.
wikiHow – это вики, похожая на Википедию. Это означает, что многие наши статьи написаны в соавторстве с несколькими авторами. Над созданием этой статьи работали 10 человек, некоторые из которых были анонимными, и со временем редактировали и улучшали ее.
В этой статье цитируется 9 ссылок, которые можно найти внизу страницы.
Команда wikiHow Video также следовала инструкциям статьи и убедилась, что они работают.
Эта статья была просмотрена 125 966 раз.
Есть восемь известных планет, вращающихся вокруг нашего Солнца, включая Землю. Создание модели — это веселое введение в эту солнечную систему и хороший художественный проект для уроков естествознания в начальной школе. На изготовление этого подробного примера может уйти несколько часов, но в основном это связано с ожиданием высыхания краски или глины.
Найдите картонную коробку. Планеты в вашей модели солнечной системы будут свисать внутри этой коробки. Вам нужно поместить в него девять планет плюс солнце, поэтому убедитесь, что у вас достаточно места. Он должен быть не меньше мужской коробки для обуви, которая составляет примерно 36 x 25 x 13 см.
- Чтобы фон был более ровным, обведите коробку на черной бумаге. Вырежьте бумажный прямоугольник и приклейте его к основанию коробки.
- Один большой шар для создания солнца (максимум 10 см в диаметре).
- Два средних шара для Юпитера и Сатурна (максимум 7,5 см)
- Два маленьких шарика для Урана и Нептуна (максимум 5 см)
- Если вы не уверены, подходит ли краска для полистирола, найдите на этикетке инструкции по очистке кистей. Если вы можете смыть краску водой, значит, краска на водной основе и безопасна в использовании. Если вам нужно использовать растворитель, такой как уайт-спирит или скипидар, краска на основе растворителя может растворять полистирол. [1] X Источник исследования
- Кисть для трафарета или другая кисть с короткой щетиной поможет вам нанести краску в закоулки полистиролового шара. Возможно, вам придется дать первому слою высохнуть и использовать большую кисть, чтобы прокрасить его, чтобы получить ровный цвет.
- Если краска совсем не держится, покройте шар тонким слоем шпаклевки, дайте ему высохнуть и закрасьте его. [2] X Источник исследования
- Облака Юпитера образуют полосы и спиральные бури. Раскрасьте эту планету красной, оранжевой и белой краской, закрученными в узоры.
- Сатурн бледно-желтый (смесь желтой и белой краски).
- Раскрасьте Уран бледно-голубым цветом, смешав синюю и белую краски. Над сплошной синей атмосферой иногда образуются белые облака. [5] X Исследовательский источник
- Нептун почти такого же цвета, как Уран, но выглядит темнее, потому что находится дальше и получает меньше света. [6] X Исследовательский источник Раскрась в синий цвет.
- Проделайте отверстие в Сатурне под углом, чтобы кольца были наклонены, когда планета свисает вниз. Это будет выглядеть лучше и даст вам немного больше места для расположения планет.
- Чтобы вырезать кольцо, начните с вырезания большего круга. Аккуратно сложите круг пополам, не допуская складок, а затем разрежьте меньший круг.
- Меркурий представляет собой коричневато-серую скалу без облачного покрова. [7] X Исследовательский источник Вместо этого вы можете сделать его из красной или золотой глины для более красивой модели.
- Пока сделайте Землю из голубой глины.
- Слепите Венеру из бледно-желтой глины.
- Технически Плутон не является планетой (он слишком мал), но он все равно может проникнуть внутрь.Сделайте его из светло-коричневой глины, возможно, с добавлением древесного угля, чтобы имитировать пятнистую поверхность.
Проделайте отверстие в каждом шарике глины. Используйте большую иглу, чтобы проткнуть каждую каменистую планету через центр. Позже вы проденете через это отверстие нитку, чтобы повесить планеты внутри коробки.
- Для светлой глины рекомендуется настроить духовку примерно на 10ºF (~5ºC) ниже, чем рекомендовано в инструкции. Выпекание может занять в два раза больше времени, но вероятность поломки ниже.
Нарисуйте землю на земле. Как только земляная глина затвердеет, нарисуйте континенты зеленой акриловой краской. [8] X Источник исследования
Нарисуйте звезды. Когда черная краска на коробке высохнет, с помощью белой ручки или маленькой кисти нарисуйте белые точки внутри коробки.
- Каждый отрезок нити для бисера должен быть достаточно длинным, чтобы свесить планету с «потолка» коробки, когда коробка лежит на боку. Пяти или шести дюймов (13–15 см) должно быть достаточно.
Приклейте нить. Удерживая конец нити, вытащите шпажку. Завяжите бисерную нить два или три раза, затем прикрепите узел к шарику из полистирола с помощью капли клея из пистолета для горячего клея.
Проденьте глиняные планеты. Когда глиняные планеты высохнут, пропустите прозрачную нить через отверстия, которые вы сделали ранее. Прикрепите нить с помощью пистолета для горячего клея, как вы делали с большими планетами.
- Вс
- Меркурий
- Венера
- Земля
- Марс
- Юпитер
- Сатурн
- Уран
- Нептун
- Плутон
Повесьте планеты в коробку. Как только вы найдете расположение, которое хорошо выглядит и помещается в коробку, отметьте на коробке десять точек, где вы повесите солнце и планеты. Разрежьте коробку в этих точках острым ножом и проденьте нить, с которой висят планеты, через каждое отверстие. Закрепите нить прочной лентой и отрежьте лишнюю нить.
Накройте верхнюю часть коробки черной бумагой. Обведите сторону коробки на черной бумаге и вырежьте прямоугольник. Приклейте его поверх коробки, чтобы скрыть ленту. Теперь вы готовы отобразить модель солнечной системы.
Меркурий серый, Венера бледно-желто-белая, Земля сине-зеленая, Марс красно-оранжевый, Юпитер имеет коричневые и белые полосы с Большим красным пятном, Сатурн имеет белые и желтые полосы, Уран безликий сине-зеленый, а Нептун темно-синий с редкими белыми облаками. Посмотрите их фотографии в Интернете, чтобы узнать больше.
Вы можете сделать модель на любом столе или плоской рабочей поверхности. Если у вас достаточно места и стабильности, все будет в порядке.
Сделайте еще одну глиняную планету примерно в 3/4 размера той, что использовалась для Меркурия. Закрасьте его серым цветом, добавив несколько более темных серых пятен для «моря». Повесьте его рядом с Землей.
Соберите 9 шаров размером с планету и солнце и покрасьте их в правильный цвет. Планеты по порядку: Солнце - оранжевое с желтыми пятнами, Меркурий - коричневатый с серыми пятнами, Венера - желтоватый со светло-коричневыми пятнами, Земля - голубая с зелеными континентами, Марс - красный, Юпитер - желтый с коричневыми и белыми "кольцами" (включите Большое красное пятно), Сатурн — желтовато-зеленый (включая большое белое пятно), Уран — голубовато-зеленый и Нептун — голубой (включая ледяное пятно). Как только вы это сделаете, используйте дюбели разных размеров и прикрепите каждую планету примерно наполовину. У Меркурия должен быть самый короткий штифт, а у Нептуна — самый длинный.
Этот практический урок естествознания поможет вашим учащимся получить более точное представление о Солнечной системе, создав масштабную модель.Они сделают расчеты, создадут модели планет и узнают, где их разместить, чтобы их модель отражала реальность. Увидев относительный размер восьми планет и их расстояние от Солнца, отображаемое перед ними, ваши ученики смогут понять структуру и обширность Солнечной системы.
Цели обучения
- Рассчитать размер модели планеты и ее расстояние до Солнца, зная фактические размеры планеты и коэффициент масштабирования.
- Рассчитайте масштабный коэффициент, когда даны фактические размеры Солнечной системы и модели.
- Узнайте факты о Солнечной системе, такие как количество планет в Солнечной системе, небольшой размер планет по сравнению с размером Солнечной системы, что все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца и т. д.< /li>
Выравнивание NGSS
- MS-ESS1-3 . Анализируйте и интерпретируйте данные для определения масштабных свойств объектов в Солнечной системе.
Материалы
- Скотч или клей, чтобы прикрепить этикетки к планетам.
- Запасные шары
Для каждой группы из четырех учащихся:
- Тесто для лепки, купленное в магазине или приготовленное в домашних условиях (2–3 унции)
- Воздушные шары (4)
- Метрическая линейка
- Карточки для изготовления этикеток для планет.
- Ножницы
- Ручка или карандаш
- Калькулятор
- Карта на электронном устройстве или распечатанная карта близлежащей местности (должна быть достаточна площадь 10 х 10 км). Некоторые картографические приложения позволяют загружать карту заранее, поэтому учащимся не требуется доступ в Интернет для использования этой карты.
Справочная информация для учителей
В этом разделе содержится краткий обзор для учителей естественных наук и понятий, затронутых в этом уроке.
Солнечная система – это система объектов, которые вращаются вокруг Солнца прямо (например, планеты) или косвенно (например, Луна Земли). Небесное тело считается планетой в Солнечной системе, если оно вращается вокруг Солнца, если оно достаточно тяжелое, чтобы сила тяжести сжимала его в сферическую форму, и если оно «очистило окрестности» вокруг своей орбиты. Последнее означает, что в окрестностях ее орбиты нет сравнимых по размерам объектов, кроме спутников планеты. К планетам относятся восемь объектов Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Карликовые планеты, такие как Плутон, соответствуют первым двум критериям, но не последнему. Планеты не светятся сами по себе — они не излучают свет, как звезды, — но их можно увидеть в небе, потому что они отражают свет, излучаемый другими небесными объектами.
Планеты имеют приблизительно сферическую форму, и для измерения их размера часто используется экваториальный радиус. Орбитальное расстояние — это среднее расстояние от планеты до Солнца, когда она вращается вокруг Солнца. Расстояние от Солнца до планеты не является постоянным, поскольку орбиты эллиптические, но круговая орбита с орбитальным расстоянием в качестве радиуса является хорошим приближением. Орбитальное расстояние часто выражается в астрономических единицах (а.е.). Одна а.е. примерно равна расстоянию от Солнца до Земли, или 149 597 870 691 ± 30 метров. В таблице 1 перечислены радиусы и орбитальные расстояния восьми планет Солнечной системы.
Рисунок 1. Рисунок, иллюстрирующий определение орбитального расстояния.
| Планеты | Радиус (км) | Орбитальное расстояние (а.е.) |
|---|---|---|
| 2,440 | 0,387 | |
| Венера | 6,052 | 0,723 |
| Земля | 6,378 | 1,000 |
| Марс | td>3,387 | 1,524 |
| Юпитер | 71,492 | 5,203 | < /tr>
| Сатурн | 60 268 | 9,537 |
| Уран | 25 559< /td> | 19,191 |
| Нептун | 24 764 | 30,069 |
По мере увеличения орбитального расстояния от Солнца мы впервые сталкиваемся с Меркурием, самой маленькой из восьми планет. Меркурий лишь немного больше Луны Земли. Далее идет Венера, планета с радиусом 6052 км, лишь немного меньше Земли. Затем идет Земля, планета с самой высокой средней плотностью (5.5 г/см 3 ), а затем Марс. Радиус Марса составляет примерно половину радиуса Земли. Это пыльная, холодная планета, но, возможно, давным-давно на ней обитала какая-то форма жизни. Эти первые четыре планеты называются внутренними планетами, потому что они вращаются ближе всего к Солнцу; они также известны как скалистые планеты, потому что их поверхности каменистые, на них видны горы, долины и другие образования. Все каменистые планеты меньше газовых планет и состоят из более плотного материала. Следующие четыре — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — вращаются дальше от Солнца; это газообразные планеты. Юпитер - самый большой, его радиус в 11 раз больше радиуса Земли; за ним следует Сатурн, радиус которого примерно в 9,5 раз больше радиуса Земли. Сатурн — планета с наименьшей плотностью (0,7 г/см 3 ), настолько низкой, что она могла бы плавать, если бы ее поместили в воду! Уран и Нептун похожи по размеру, их радиус в 4,0 и 3,9 раза больше радиуса Земли соответственно.
Чтобы сделать масштабную модель, учащиеся должны масштабировать все расстояния (радиусы и орбитальные расстояния) с помощью одного и того же коэффициента, называемого коэффициентом масштабирования. Например, чтобы создать масштабную модель восьми планет, отмасштабированных так, чтобы радиус Земли составлял 1 см, вы используете масштабный коэффициент 1 см/6378 км, потому что 6378 км (фактический радиус Земли) умножить на 1 см/6378. км (масштабный коэффициент) дает 1 см (радиус модели Земли). Вы можете найти радиус каждой из семи других моделей планет, умножив фактический радиус каждой планеты на масштабный коэффициент.
В таблице 2 перечислены радиусы для этой модели, а на рисунке 2 показаны результаты. Ваши ученики сделают аналогичные модели планет. Поскольку радиус Солнца примерно в 109 раз больше радиуса Земли, в этой модели радиус Солнца будет чуть больше 1 м.
Рисунок 2. Масштабная модель восьми планет Солнечной системы.
| Планета | Фактический радиус (км) | Радиус модели (см) | Меркурий | 2,440 | 0,38 |
|---|---|---|
| Венера | 6,052 | < td>0,95|
| Земля | 6,378 | 1,00 |
| Марс< /td> | 3,387 | 0,53 |
| Юпитер | 71,492 | 11,21 |
| Сатурн | 60 268 | 9,45 |
| Уран | 25 559 | 4,01 |
| Нептун | 24 764 | 3,88 |
Радиусы планет малы по сравнению с их расстоянием от Солнца, и требуется немного больше усилий, чтобы рассчитать, на каком расстоянии от Солнца должны быть размещены эти модельные планеты, чтобы получить точное представление о Солнечной системе. Орбитальное расстояние часто выражается в а.е., поэтому первым шагом часто является расчет того, какое расстояние в модели соответствует 1 а.е. в реальном мире. Поскольку 1 а.е. составляет примерно 150 миллионов км, или 1,5 × 10 8 км, а 1 км преобразуется в (1/6 378) см, 1 а.е. станет в вашей модели 235 183 см или примерно 235 м. Таким образом, масштабный коэффициент 1 м/6378 км становится 235 м/1 а.е. Это один и тот же коэффициент, только выраженный в разных единицах. Затем учащиеся должны умножить орбитальное расстояние (в а.е.) каждой планеты на масштабный коэффициент (в данном случае 235 м/1 а.е.), чтобы определить, на каком расстоянии от Солнца планеты должны располагаться в модели. В таблице 3 приведены результаты для модели, в которой Земля представлена сферой радиусом 1 см.
| Планета | Фактическое орбитальное расстояние (а.е.) | Модельное орбитальное расстояние (м) |
|---|---|---|
| Меркурий | 0,387 | 91 |
| Венера | 0,723 | 170 |
| Земля | 1.000 | 235 |
| Марс | 1,524 | 358 |
| Юпитер | 5,203 | 1223 | td>
| Сатурн | 9,537 | 2241 |
| Уран | 19,191 | 4,510 |
| Нептун | 30,069 | 7,066 |
Скорее всего, у вас не будет места, чтобы разложить модели планет ни в классе, ни на территории школы. Однако учащиеся могут использовать карту своего окружения, чтобы визуализировать расстояния до планет в уменьшенном масштабе.Они могут использовать распечатанную карту или электронное приложение, такое как Google Maps. Если вы предпочитаете модель, в которой Солнечная система вписывается в классную комнату, попробуйте задание «Моделирование расстояний между планетами в нашей Солнечной системе». К сожалению, при таком масштабировании Солнечной системы планеты становятся слишком маленькими, чтобы их можно было увидеть.
Грейс Флеминг, магистр педагогических наук, является старшим научным консультантом Южного университета Джорджии, где помогает студентам повысить успеваемость и развить хорошие учебные навыки.
Модель солнечной системы – это эффективный инструмент, который учителя используют для изучения нашей планеты и ее окружающей среды. Солнечная система состоит из Солнца (звезды), а также планет Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона, а также небесных тел, вращающихся вокруг этих планет (например, лун).
Вы можете сделать модель солнечной системы из разных материалов. Единственное, что вы должны иметь в виду, это масштаб; вам нужно будет изобразить разные планеты в соответствии с разницей в их размерах.
Вы также должны понимать, что истинный масштаб, вероятно, невозможен, когда речь идет о расстоянии. Особенно, если вам приходится возить эту модель в школьном автобусе.
Одним из самых простых материалов для изготовления планет являются шарики из пенополистирола©. Они недорогие, легкие и бывают разных размеров; однако, если вы собираетесь раскрасить планеты, имейте в виду, что обычная аэрозольная краска в баллончике часто содержит химические вещества, растворяющие пенополистирол, поэтому лучше использовать краски на водной основе.
Типы моделей Солнечной системы
Существует два основных типа моделей: коробчатые и подвесные. Вам понадобится очень большой (размером с баскетбольный мяч) круг или полукруг, чтобы изобразить солнце. Для коробочной модели можно использовать большой пенопластовый мяч, а для подвесной модели можно использовать недорогой игрушечный мяч. Вы часто найдете недорогие мячи в магазине типа «один доллар».
- Юпитер (коричневатый с красным пятном): 4–7 дюймов.
- Сатурн (желтый с красным кольцом): 3–6 дюймов.
- Уран (зеленый): 4–5 дюймов.
- Нептун (синий): 3–4 дюйма.
- Венера (желтая): 2 дюйма.
- Земля (синий): 2 дюйма.
- Марс (красный): 1,5 дюйма.
- Меркурий (оранжевый): 1 дюйм.
Обратите внимание, что это неправильный порядок расположения (см. последовательность ниже).
Как собрать модель
Чтобы сделать подвесную модель, вы можете использовать соломинки или деревянные дюбели (например, для жарки шашлыков), чтобы соединить планеты с солнцем в центре. Вы также можете использовать хула-хуп, чтобы сформировать основную конструкцию, подвесить солнце посередине (соединить его с двух сторон) и повесить планеты по кругу. Вы также можете расположить планеты по прямой линии от солнца, показав их относительное расстояние (в масштабе). Однако, хотя вы, возможно, слышали термин "планетарное выравнивание", используемый астрономами, они не означают, что все планеты находятся на прямой линии, они просто имеют в виду, что некоторые из планет находятся в одном и том же общем регионе.
Чтобы сделать модель коробки, отрежьте верхние клапаны коробки и положите ее на бок. Покрасьте внутреннюю часть коробки в черный цвет, чтобы обозначить пространство. Вы также можете посыпать внутрь серебряные блестки для звезд. Прикрепите полукруглое солнце к одной стороне, а планеты повесьте по порядку, от солнца, в следующей последовательности:
- Меркурий
- Венера
- Земля
- Марс
- Юпитер
- Сатурн
- Уран
- Нептун
Помните мнемонический прием для этого: Моя очень образованная мать только что подала нам начос.
Читайте также: