Дослідження процесу утворення кратера
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Завдання роботи:
- Експериментально дослідити утворення кратера на моделі поверхні планети.
- Побудувати графік залежності діаметра кратера від енергії «метеорита», який падає.
- Побудувати графік залежності глибини кратера від енергії «метеорита», який падає.
- Побудувати графік залежності довжини «променів» кратера від енергії «метеорита», який падає.
Обладнання:
штатив, металевий лоток, пісок, борошно, металеві кульки, терези, магніт, лінійка, довга планка з помітками, ПК.
Теоретична частина
Метеоритний кратер – западина круглої або овальної форми, яка утворилася на місці падіння метеорита. Прикметною рисою всіх кратерів є кільцевий вал навколо заглибини. Розрізняють кратери ударні й вибухові. Останні утворюються внаслідок падіння великих метеоритів. Діаметр кратера може сягати декількох десятків кілометрів. Для великих кратерів типовим є центральне підвищення.
Метеоритні кратери виявлено практично на всіх твердих тілах Сонячної системи. На багатьох із них кратери є головною особливістю ландшафтів (зокрема, на Місяці, Меркурії, Калісто, Ганімеді, більшості малих супутників планет та на астероїдах). На планетах і супутниках, де відбуваються більш-менш активні поверхневі процеси (наприклад, на Землі, Венері, Марсі, Європі, Іо й Титані) видимих метеоритних кратерів менше, бо з плином часу вони руйнуються або приховуються ерозією.
Кратери на Меркурії, Місяці та південному високогір’ї Марса збереглися з ранніх часів інтенсивного бомбардування (близько 3,9 млрд. років тому). Відтоді швидкість утворення кратерів значно знизилася, однак залишається помітною. У внутрішній частині Сонячної системи вона залежить здебільшого від зіткнень у поясі астероїдів, що створюють сім’ї уламків, які потрапляють у Сонячну систему. Вважають, що утворена внаслідок зіткнення близько 160 мільйонів років тому сім’я астероїдів Baptistina викликала значний сплеск кратероутворення. Одним з можливих наслідків є утворення кратера Чіксулуб. Швидкість утворення кратерів у зовнішній частині Сонячної системи може бути іншою.
Метеоритні кратери на Землі називають астроблемами. У тих випадках, коли більшу частину початкової топографії кратера зруйновано, частіше вживають термін «ударна (імпактна) структура». До того, як метеоритне походження таких структур на Землі отримало загальне визнання, їх здебільшого вважали вулканічними утвореннями. Станом на кінець 2012 року на планеті налічувалось близько двохсот утворень, метеоритне походження яких вважається підтвердженим.
Одними з найбільш відомих є:
- Аризонський кратер (США) – кратер, що добре зберіг свій вигляд; його метеоритне походження було встановлено одним з перших;
- Кратер Чіксулуб – кратер діаметром 165 км на півострові Юкатан, утворення якого пов’язують із крейдовим вимиранням;
- група метеоритних кратерів Каалі – 8 кратерів на о. Сааремаа (Естонія), діаметр найбільшого – 110 м, глибина – 16 м;
- група з 24 ударних кратерів діаметром 8–26 м Сіхоте-Алінського метеориту(загальну масу первинного тіла, яке розпалося, оцінюють у 70 т).
За мільйон років Земля зазнає від одного до трьох зіткнень (у середньому), які утворюють кратери діаметром 20 чи більше кілометрів. Це означає, що порівняно молодих кратерів на нашій планеті має бути не набагато більше, ніж виявлено досі.
В Україні відомо сім структур, які більшість дослідників класифікують як астроблеми. Практично всі вони поховані під товщею осадових порід. Їхнє вивчення здійснювалося за кернами свердловин. Найбільші серед них:
- Бовтиський кратер – метеоритний кратер поблизу с. Бовтишка Олександрівського району Кіровоградської області. Діаметр: 25 км. Глибина: до 600 км. Вік: приблизно 65,17±0,64 млн років, що збігається з часом утворення кратера Чіксулуб на півострові Юкатан.
- Оболонський кратер – метеоритний кратер поблизу с. Оболонь (Полтавська область). Діаметр: 20 км. Вік: близько 169±7 мільйонів років (середня юра).
Розміри та форма кратерів залежать від значної кількості факторів. У роботі пропонується емпірично перевірити залежність кількох параметрів кратеру від кінетичної енергії тіла, яке падає.
Хід роботи
- Побудуйте в таблицях Excel таблиці результатів 1 та 2 за зразком, наведеним нижче.
- Визначте масу кожної із запропонованих металевих кульок m. Запишіть результат вимірювання у таблицю 1 та таблицю 2.
- У металевий лоток насипте шар піску товщиною близько 2 см. Вирівняйте поверхню піску.
- Поверх піску насипте тонкий шар борошна та вирівняйте його.
- Закріпіть вертикально поряд з лотком довгу планку з помітками.
- Оберіть першу кульку, розмістіть її на висоті H = 10 см над поверхнею і вільно відпустіть. Магнітом обережно видаліть кульку.
- Виміряйте розміри утвореного кратеру: діаметр d, глибину h, і якщо утворилися «промені» – довжину найбільшого l. Занесіть виміри до таблиці 1.
- Повторіть кидання із заданої висоти ще двічі. Результати вимірювань занесіть до таблиці 1.
- Повторюйте ці експерименти та вимірювання, збільшуючи висоту падіння на 10 см, до висоти 1 м. Усі результати занесіть до таблиці 1.
- Повторіть усі попередні дії для іншої кульки. Результати занесіть до таблиці 2.
Таблиці результатів 1, 2
| № спроби | m(кг) | H(м) | Eк(Дж) | d(м) | dс(м) | h(м) | hс(м) | l(м) | lс(м) |
| 1. | 0,1 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,2 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,3 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,4 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,5 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,6 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,7 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,8 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 0,9 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 1. | 1,0 | ||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. |
Аналіз даних
.