知识背景
1781 年,一位业余天文爱好者赫歇尔用自制望远镜在夜空中发现了一个缓慢移动的小圆盘,它不是恒星,也不是已知的行星——这是天王星,人类第一次用望远镜「找」到一颗新行星。
更精彩的是海王星。人们发现天王星的实际轨道总与计算结果有微小偏差,于是猜测它外侧还有一颗未知行星在拉扯它。两位数学家分别用笔算出了那颗行星应该在的位置,天文学家照着这个位置一望,果然找到了。海王星因此被称为「笔尖上发现的行星」。
而更早的 1705 年,哈雷根据几次彗星记录大胆预言:那颗彗星将在 76 年后再次回归。他去世后十几年,彗星如期而至,人们用他的名字命名了它——哈雷彗星。
这些故事说明同一件事:太阳系并不是一堆随意散落的天体,而是一个受同一规律支配的系统。这一节要认识它的全部成员,以及它们运行的共同规律。
知识讲解
太阳系的组成
太阳系以太阳为中心天体,成员包括:八颗行星及其卫星、小行星、彗星、流星体以及行星际物质。
太阳的质量占整个太阳系总质量的 以上,正是它巨大的引力把所有成员束缚在自己周围。
八大行星按离太阳由近到远的顺序是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。记忆口诀:水金地火木土天海。
| 分类 | 成员 | 主要特点 |
|---|---|---|
| 类地行星 | 水星、金星、地球、火星 | 体积小、密度大、以岩石为主、卫星少 |
| 巨行星 | 木星、土星 | 体积最大、以气体为主、密度小、有光环和众多卫星 |
| 远日行星 | 天王星、海王星 | 离太阳远、温度极低、呈淡蓝色 |
几个必记的「最」:体积和质量最大的行星是木星;离太阳最近、也是最小的行星是水星;表面温度最高的是金星(浓密二氧化碳大气造成强烈温室效应);光环最显著的是土星。
小行星、彗星与流星体
小行星:绝大多数分布在火星与木星轨道之间,形成小行星带,是些形状不规则的小天体。
彗星:由冰和尘埃组成,轨道多为扁长的椭圆。靠近太阳时冰升华,形成明亮的彗发和长长的彗尾,结构为彗核、彗发、彗尾。关键规律——彗尾总是背向太阳,因为它是被太阳风和辐射压吹开的。著名的哈雷彗星周期约 76 年。
流星体:太空中的尘粒和小块物体。它们高速进入地球大气时因摩擦生热而发光,形成流星;大量流星集中出现称流星雨;未烧尽而落到地面的残体叫陨星。
- 同向性:所有行星绕太阳公转的方向都是自西向东,与太阳自转方向一致。
- 共面性:各行星的轨道几乎在同一个平面上,因此从侧面看太阳系像一个扁盘。
- 近圆性:行星轨道都接近圆形(而彗星轨道则是很扁的椭圆,这是它与行星的重要区别)。
实验与探究
用简易材料制作太阳系的距离比例模型,体会天体间的空间尺度。
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方案设计:以天文单位为尺度,规定日地平均距离(约 )为 1 个天文单位,简称 。取比例「 对应 」,在操场上用卷尺依次量出各行星的位置。
| 行星 | 距日距离() | 模型距离() |
|---|---|---|
| 水星 | 0.39 | 0.78 |
| 地球 | 1.00 | 2.00 |
| 火星 | 1.52 | 3.04 |
| 木星 | 5.20 | 10.4 |
| 海王星 | 30.1 | 60.2 |
现象与结论:内侧四颗行星挤在 3 米多的范围内,而海王星要走到 60 米开外,说明外侧行星之间的间隔远大于内侧,太阳系绝大部分空间是空旷的。难点提示:距离和大小不能用同一比例。若按此比例做球,地球直径只有 ,几乎看不见——这正说明天体尺寸与轨道尺度差了好几个数量级,也是所有太阳系插图都必须夸大天体大小的原因。
设计一次流星雨观测活动。
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时间与地点:每年 8 月中旬的英仙座流星雨、12 月中旬的双子座流星雨都比较可靠。地点应选光污染小、视野开阔的地方,杭州附近的天目山、临安山区是常见选择;还要尽量选农历初一前后的新月夜,避免月光干扰。
方法:仰卧或躺椅朝天,肉眼观看即可——流星出现快、范围大,不能用望远镜(视野太小)。两人一组,一人观测报数,一人记录时刻与方位,统计每小时的流星数量(天顶流量)。
观察要点:多数流星是米粒大小的流星体在约 的高空因摩擦生热而发光,从出现到消失往往不到一秒;它们看起来像从同一个「辐射点」向四面掠出。
结论:流星是流星体进入大气摩擦生热发光的现象,与恒星无关,「流星」并不是星星在掉。若某夜数量骤增,即为流星雨。注意:夜间外出要有成年人陪同,注意保暖和用地安全。
经典例题
已知 ,光速约 。(1) 木星距太阳约 ,求这个距离是多少千米;(2) 求太阳光照到木星需要多长时间;(3) 哈雷彗星上一次回归是 1986 年,周期约 76 年,求下一次回归的年份,以及某位 2010 年出生的同学那时多大。
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第一步:求木星距日的实际距离,依据「 数乘以每 的千米数」:。第二步:求光的传播时间,依据 :,换算为分钟约 。而阳光到地球只需约 8 分钟,两者之比恰好等于距离之比 5.2。
第三步:求下一次回归年份,依据「上次年份加周期」: 年。第四步:求年龄,依据「回归年份减出生年份」: 岁。这说明大多数人一生只有一次机会亲眼看到哈雷彗星。
答:(1) ;(2) 约 ,即约 43 分钟;(3) 2062 年,那位同学约 52 岁。
难点与易错点
- 把八大行星的顺序背错:牢记「水金地火木土天海」,注意水星最靠内而不是最热。
- 认为最热的行星是水星:最热的是金星,因为它有浓密的二氧化碳大气造成强烈温室效应。
- 认为彗尾总是拖在彗星后面:彗尾始终背向太阳。彗星远离太阳时,彗尾反而在它前面。
- 把流星、流星体、陨星混为一谈:太空中的物体叫流星体,进入大气发光的现象叫流星,落到地面的残体叫陨星。
- 认为小行星带在地球与火星之间:小行星带位于火星与木星之间。
- 认为彗星轨道也是近圆形:近圆性是行星的特征,彗星轨道是很扁的椭圆。又如把太阳系与银河系混淆,太阳系只是银河系中一个极小的成员,银河系有上千亿颗恒星。
生活中的应用
- 天目山的观星与流星雨活动:远离城市灯光,是杭州周边观测银河、流星雨和木星土星的热门地点。
- 用手机星图软件认行星:金星是黄昏或黎明时最亮的「长庚星」「启明星」,木星土星在夏秋夜空亮而稳定,行星不闪烁,恒星会闪烁。
- 陨星的科研价值:陨星是人类不必飞出地球就能拿到的天外样品,可用来研究太阳系早期的物质组成。
- 近地小行星监测:各国建有专门的监测网,用来预警可能撞击地球的小天体,这项工作直接依赖对小行星轨道的精确计算。
生活应用题 1 · 从天目山看金星有多远
某夜金星与地球的距离约为 ,取 ,光速约 。(1) 求此时金星到地球的距离;(2) 求我们看到的金星光是多久之前发出的;(3) 若某探测器以 的速度沿直线飞向金星,需要多少天?
分步解:
- 求距离,依据单位换算:。
- 求光的传播时间,依据 :,即 2.5 分钟前发出的光。
- 求探测器飞行时间,依据 :。
- 换算成天: 天。
- 答:距离 ;看到的是 2.5 分钟前的光;探测器约需 17 天。注意实际探测器要沿曲线轨道飞行,用时远大于此,本题只作直线估算。
生活应用题 2 · 统计一场流星雨
某年 8 月,几位同学在天目山观测流星雨。他们从 22:00 观测到次日 2:00,共记录到 96 颗流星。(1) 求平均每小时看到的流星数;(2) 求平均每几分钟出现一颗;(3) 若其中有一颗特别亮,并且最后落到了地面被找到,这块物体应该叫什么?
分步解:
- 求观测总时长:从 22:00 到次日 2:00 共 4 小时。
- 求每小时流星数,依据「总数除以时间」: 颗每小时。
- 求平均间隔,依据「时间除以数量」:,即平均每 2.5 分钟出现一颗。
- 判断落地物体的名称:它在太空中时叫流星体,进入大气发光时的现象叫流星,落到地面被找到的残体叫陨星(含铁多的称陨铁,含石多的称陨石)。
- 答:平均每小时 24 颗,约每 2.5 分钟一颗;落地被找到的那块应叫陨星。
考点
- 选择题·高频:太阳系的组成成员与八大行星由近到远的顺序
- 选择题·高频:木星最大、水星最近最小、金星最热、土星光环最显著
- 选择题·高频:小行星带的位置(火星与木星之间),区分流星体、流星、流星雨与陨星
- 选择题·高频:彗星的结构与「彗尾背向太阳」的规律,哈雷彗星周期 76 年
- 简答题:行星运动的同向性、共面性、近圆性
- 计算题:天文单位换算、光的传播时间、彗星回归年份推算
- 实践题:制作太阳系比例模型时距离与大小不能同比例的原因
中考真题
下列关于太阳系的说法,正确的是( )A. 小行星带位于地球和火星轨道之间 B. 太阳系中体积最大的行星是土星 C. 彗星的彗尾总是背向太阳 D. 落到地面的流星体残体叫做流星
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逐项分析:A 错,小行星带在火星与木星之间;B 错,体积和质量最大的是木星,土星以光环著名;C 对,彗尾是被太阳风和辐射压吹开的,因此永远背向太阳;D 错,落到地面的残体叫陨星,流星指的是发光现象。答案:C。
小科在天目山夜观星空,看到一颗明亮的天体,它不闪烁,位置在几天内相对背景恒星缓慢移动。(1) 判断它是行星还是恒星,说明依据;(2) 已知它是木星,请说出木星在八大行星中的两个「最」;(3) 若他还看到一条拖着长尾的天体,尾巴指向远离太阳的方向,这是什么天体,尾巴为何如此指向?
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第一步:回答第 (1) 问。它是行星。依据有两条:一是不闪烁,行星是有视面的近天体,光线较稳定,而恒星距离极远近似点光源,大气扰动使它闪烁;二是它相对背景恒星位置在移动,说明它在绕太阳公转,「行星」之名正来自这种「行」。
第二步:回答第 (2) 问。木星是太阳系中体积最大和质量最大的行星,同时它的卫星数量也最多,属于巨行星。第三步:回答第 (3) 问。这是彗星。彗尾由彗核挥发出的气体和尘埃组成,受到太阳风和太阳辐射压的吹拂,因此总是背向太阳,与彗星本身的运动方向无关。
答:(1) 行星,因不闪烁且相对恒星移动;(2) 体积最大、质量最大;(3) 彗星,彗尾被太阳风和辐射压吹开,故背向太阳。