§ 61. Физическая природа планеты Земля и её естественного спутника Луны

Определения и обозначения

Земля — планета Солнечной системы, на которой мы живём. Внутри неё выделяют земную кору, мантию и ядро; у поверхности есть атмосфера, а также условия для существования жидкой воды. Это определение помогает представить Землю не просто как шар, но и как тело с устройством, влияющим на жизнь и природные процессы.

Луна — естественный спутник Земли, то есть небесное тело, которое движется вокруг планеты. Она не излучает собственного видимого света, а отражает солнечный свет. Поэтому видимая с Земли освещённая часть Луны меняется, а её движение важно для понимания системы Земля — Луна.

Лунный кратер — округлая впадина на поверхности Луны, главным образом образовавшаяся при ударе метеоритного тела. В центре некоторых кратеров есть возвышенность, возникшая при поднятии пород после удара. Кратеры показывают, что поверхность Луны подвергалась многочисленным столкновениям и долго сохраняла их следы.

Лунное море — обширная тёмная равнина на Луне, покрытая застывшей лавой. Слово «море» появилось из-за того, что эти участки выглядят с Земли тёмными и относительно ровными. Название не означает, что там есть водоём: оно помогает обозначать заметные области лунной поверхности.

Как это устроено

Земля имеет слоистое внутреннее строение, потому что её недра различаются по составу, плотности и состоянию вещества. Ближе к поверхности находится твёрдая земная кора, под ней — толстая мантия, а в центре расположено ядро. Во время формирования Земли более плотные вещества перемещались к центру, а менее плотные оставались ближе к поверхности. Различия слоёв важны для понимания земных процессов и физических свойств планеты.

Атмосфера и магнитное поле влияют на то, насколько поверхность Земли защищена от внешних воздействий. Атмосфера ослабляет часть излучения и задерживает многие небольшие метеоритные тела, а магнитное поле изменяет движение заряженных частиц солнечного ветра. Атмосферное давление и подходящая температура позволяют воде существовать на поверхности в жидком состоянии. Поэтому эти оболочки связаны и с условиями среды, и с существованием жизни.

Лунный рельеф сложился под действием ударов небесных тел и древней вулканической деятельности. Метеоритные удары выбивали округлые углубления — кратеры, а излившаяся в прошлом лава растекалась по некоторым низинам и после остывания образовала тёмные равнины. На Земле ветер, вода и другие процессы постоянно меняют поверхность, а на Луне таких процессов мало. Поэтому древние формы рельефа там могут сохраняться очень долго.

Луна почти не удерживает плотную атмосферу, поскольку её притяжение слабее земного, а значит, газам легче покинуть окрестности спутника. Без плотной атмосферы поверхность почти не защищена от метеоритных тел, а тепло не распределяется по ней так, как на Земле. Поэтому освещённые Солнцем и затенённые участки сильно различаются по температуре. Жидкая вода на открытой поверхности почти не сохраняется: при низком давлении она быстро испарялась бы или замерзала, хотя в отдельных постоянно затенённых местах могут сохраняться запасы льда.

Земля значительно больше и массивнее Луны, поэтому у её поверхности притяжение сильнее. Сила тяжести, действующая на тело, зависит от массы небесного тела и расстояния до его центра; на поверхности это расстояние приблизительно равно радиусу. Ускорение свободного падения на Луне примерно в шесть раз меньше земного, поэтому там меньше и вес тела. Масса же тела при переносе не меняется: меняется сила, с которой тело притягивается к небесному телу.

Сравнение физических свойств Земли и Луны

Таблица помогает сравнивать тела по одному и тому же свойству, а не смешивать, например, радиус с массой. Значения ускорения показывают, во сколько раз различается вес одного и того же тела у поверхности. Числа округлены, поэтому их удобно использовать для оценок, а не для точных расчётов.

Разбор задач

Задача 1. Масса тела равна 60 кг. Найдите его вес у поверхности Земли, считая g = 9,8 Н/кг. Нужно помнить, что масса измеряется в килограммах, а вес — сила, измеряемая в ньютонах. Для расчёта используем связь P = mg.

1. Записываем известные величины: m = 60 кг, g = 9,8 Н/кг. Искомая величина — вес P.
2. Подставляем значения в формулу: P = 60 × 9,8 = 588 Н. Единицы килограммы сокращаются с килограммами в знаменателе Н/кг.
3. Проверяем смысл результата: вес — сила, поэтому ответ выражен в ньютонах. Массу 60 кг нельзя называть весом тела.

Ответ: вес тела равен 588 Н.

Задача 2. Ускорение свободного падения на Луне примерно в 6 раз меньше земного. Во сколько раз и примерно каким будет вес тела массой 60 кг на Луне по сравнению с Землёй? Сначала найдём земной вес, а затем воспользуемся отношением ускорений. Масса тела при переносе остаётся 60 кг.

1. На Земле PЗ = mgЗ = 60 × 9,8 = 588 Н. Это значение можно взять из предыдущего примера, поскольку масса такая же.
2. На Луне ускорение примерно в шесть раз меньше, поэтому PЛ = PЗ/6 = 588/6 = 98 Н. Тот же результат получится, если подставить gЛ ≈ 9,8/6 Н/кг в формулу P = mg.
3. Сравниваем веса: PЛ/PЗ ≈ 1/6. Масса не изменилась, а вес стал меньше из-за более слабого притяжения Луны.

Ответ: вес на Луне примерно в 6 раз меньше, около 98 Н.

Задача 3. Радиус Луны примерно в 3,7 раза меньше радиуса Земли, а масса — примерно в 81 раз меньше. Оцените отношение ускорения свободного падения на Луне к земному по формуле g = GM/R². В отношении для двух небесных тел постоянная G сокращается. Радиус необходимо учитывать в квадрате, потому что он стоит в знаменателе формулы.

1. Обозначим массу и радиус Земли через MЗ и RЗ. Тогда MЛ/MЗ = 1/81, а RЗ/RЛ = 3,7.
2. Записываем отношение ускорений: gЛ/gЗ = (MЛ/MЗ) × (RЗ/RЛ)². Подставляем данные: gЛ/gЗ = (1/81) × 3,7².
3. Вычисляем: 3,7² = 13,69, а 13,69/81 ≈ 0,17. Это примерно одна шестая, что согласуется с оценкой ускорения свободного падения на Луне.

Ответ: gЛ/gЗ ≈ 0,17, то есть ускорение на Луне примерно в 6 раз меньше земного.

Типичные ошибки

Лунные моря иногда принимают за настоящие водоёмы из-за слова «море» и тёмного вида этих областей. Но на открытой поверхности Луны жидкая вода почти не сохраняется, а моря представляют собой застывшую лаву. Проверьте себя: если речь идёт о лунном море, это название формы рельефа, а не воды. Наличие тёмной равнины само по себе не означает, что на ней есть жидкость.

Другая ошибка — считать, что на Луне совсем нет силы тяжести. Притяжение Луны слабее земного, но не равно нулю, поэтому тела имеют вес и могут падать на поверхность. Ошибка возникает, если спутник представляют местом, где всё свободно парит. Проверка проста: подставьте ненулевое лунное g в формулу P = mg — вес тоже окажется ненулевым.

Массу и вес тела часто смешивают, потому что в быту словом «вес» называют количество вещества или показание весов. В физике масса тела при переносе на Луну остаётся прежней, а вес меняется вместе с ускорением свободного падения. Чтобы проверить себя, назовите единицы: массу выражают в килограммах, вес — в ньютонах. Если изменилось только место, масса не должна измениться.

Сохранение лунных кратеров ошибочно объясняют защитой атмосферы. На самом деле у Луны почти нет атмосферы, поэтому метеоритные тела не сгорают в ней, как часто происходит с небольшими телами в земной атмосфере. Кратеры остаются заметными ещё и потому, что ветер и жидкая вода почти не разрушают рельеф. Проверяя объяснение, спросите себя, мешает ли атмосфера удару достичь поверхности: в случае Луны почти не мешает.

Связь с другими темами

Для понимания веса на Земле и Луне нужны понятия массы, силы тяжести и веса, а также формула P = mg. Она позволяет связать массу тела с силой притяжения у поверхности небесного тела. Строение и условия на Земле и Луне пригодятся при изучении тяготения, движения небесных тел и космических исследований. Роль атмосферы и магнитного поля связана с темами о давлении, магнитных явлениях и условиях существования жизни.

Что запомнить

• Земля имеет слоистое строение: кора, мантия и ядро.
• Атмосфера и магнитное поле влияют на условия у поверхности Земли.
• Луна — естественный спутник Земли и отражает солнечный свет.
• Лунные моря — равнины, а не моря с водой.
• На Луне почти нет атмосферы, поэтому следы ударов долго сохраняются на поверхности.
• Ускорение свободного падения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на Земле.
• При переносе тела с Земли на Луну его масса не меняется, а вес уменьшается.