исследовательская работа по физике "Измерение массы атмосферы Земли и других планет"
проект по астрономии (9, 10, 11 класс)

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Гимназия № 85 Петроградского района Санкт-Петербурга

Проектная работа по физике

 на тему:

«Измерение массы атмосферы Земли и других планет»

Выполнил: Скворцов Владислав,

Ученик 10 «Б» класса

Руководитель:

учитель физики

Непомнящий Сергей Михайлович

Санкт-Петербург

2022

Паспорт проекта

Введение

XXI век знаменуется прорывными открытиями и технологиями в области астрономии – науке о Вселенной, структуре небесных тел и систем. Новые технологии - мощные космические телескопы, марсоходы, космические зонды позволяют изучать свойства планет. Ученые смогли с точностью измерить расстояние до других планет и галактик, массы планет, узнать их состав, плотность их атмосферы и возможные погодные условия на них.

Тема космоса всё больше внедряется в жизнь, и даже те, кто профессионально не связан с астрономией или другой наукой, наверняка задавались вопросом: «Сколько весит Земля?», «Насколько тяжелый воздух и можно ли его взвесить?». На решение одного из этих вопросов и будет направлен этот проект.

 Этапы работы

• Первый этап - чтение литературы, сбор информации для понимания темы.

• Второй этап - проведение опроса для подтверждения предполагаемой проблематики.

• Третий этап – подготовка информационного материала для создания итогового продукта, составление формулы для вычисления, изложение информации в более понятном виде.

• Четвертый этап – создание учебного пособия, в котором будет кратко и понятно изложено, как вычислить массу атмосферы.

Проблематика проекта

Проблемой является незнание интересующихся способов вычисления массы атмосферы. По результатам опроса среди моих знакомых и друзей в сети «Telegram» выяснилось, что даже те, кто имеет некоторые знания в этой теме, не знают, как можно найти массу атмосферы.

Цель и задачи проекта

Цель данного проекта – показать метод расчёта массы атмосферы Земли и других планет. При помощи учебного пособия, которое я сделаю на основе уже имеющейся информации, я хочу сделать расчёт массы атмосферы планеты легче и понятней даже для обучающихся с минимальными познаниями в этой теме. В моём пособии я собираюсь написать краткую информацию об атмосфере, формулу нахождения массы атмосферы любой планеты и данные, необходимые для правильных вычислений.

Атмосфера – это  газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией,  область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое.

 При расчёте массы атмосферы планеты необходимо учесть класс этой планеты. Возьмём на пример планеты солнечной системы. Венера, Земля и  Марс имеют твердую поверхность и атмосферу, меркурий не имеет атмосферы, а газовые планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун не имеют твердой поверхности, а по имеющимся данным состоят из слоев газа разной плотности с возможным сверхмассивным ядром в середине. У газовых планет слой атмосферы в разы больше, чем у планет с твердой поверхностью, то есть масса атмосферы составляет большую часть массы самой планеты.

Начнём выводить формулу массы атмосферы. На ум сразу приходит формула массы тела:

где ρ – плотность атмосферы, а V – обьём атмосферы.

Найти плотность атмосферы возможно, однако с её объёмом возникают проблемы: атмосфера планеты (в особенности Земли)  не имеет четких границ, постепенно переходит в космос, поэтому вычисления будут слишком неточные.

Пойдем другим методом: существует такая величина, как атмосферное давление. Мы знаем, что на Земле на уровне 0 метров над уровнем моря атмосфера давит на поверхность площадью в , как 760мм.рт.ст. Получается, что на каждый кв.см поверхности приходится  примерно 1 кг воздуха, или на этот участок давит около 101308Па.

Чтобы найти массу атмосферы, нам остается найти площадь планеты. Для упрощения вычисления будем считать, что планета имеет идеальную форму шара.

Формула пощади шара:     R – радиус планеты

Если давление измеряется в мм.рт.ст, то его можно перевести в Паскали (): 1мм.рт.ст. = 133,3 Па.  Тогда нам остается поделить значение давления в Па на ускорение свободного падения на планете, и мы узнаем, сколько кг атмосферы приходится на  поверхности планеты.

Итого:    S – площадь планеты, P – давление (Па, ), g – ускорение свободного падения

Найдем массу атмосферы Земли: m = 4*3,14*** ≈ 5,1*кг

Марса: m = 4*3,14*** ≈ 2,4*кг

Стоит отметить, что таким образом нельзя вычислить массу атмосферы газовой планеты, так как такие планеты имеют иное строение и разный состав в слоях атмосферы, что делает подсчёт невозможным. Масса атмосферы газовой планеты могла бы быть близкой к массе самой планеты, однако наличие сверхтяжелого твердого ядра у таких планет сводит данное предположение на «нет». 

Итоговый продукт

Итоговый продукт – учебное пособие. Оно включает в себя краткое теоретическую часть об атмосфере, саму формулу для вычисления, справки о том, какое значение и  куда необходимо подставить, а так же несколько данных для перевода единиц измерения.

Библиография

1. https://meteo59.ru/book/sostav-i-stroenie-atmosfery/massa-atmosfery.php
2. https://ru.wikipedia.org/wiki
3. Погосян Х. П., Туркетти З. Л. Атмосфера Земли: Пособие для учителей. // — М.: Просвещение, 1970.
4. https://v-kosmose.com/gazovyie-gigantyi/?ysclid=l20uxx0z1x( Газовые гиганты: описание и характеристика с фото (v-kosmose.com))