Учебник по Астрономии (уровень стандарта). 11 класс. Пришляк

Предисловие

Юные друзья!

Вы начинаете изучение одной из наиболее давних и интересных наук — астрономии, которая исследует природу, происхождение и эволюцию как отдельных небесных тел, так и Вселенной в целом. В учебнике вы осуществите своеобразные космические путешествия сквозь пространство и время. В каждом из разделов вас ждут новые открытия.

Раздел «Что изучает астрономия?» рассматривает историю зарождения науки астрономии и эволюцию представлений человека о Вселенной.

В разделах «Основы практической астрономии» и «Измерение времени и календарь» вы научитесь распознавать созвездия на ночном небе, при помощи небесных светил ориентироваться на местности и измерять время.

В ходе изучения «Законов движения планет» и «Основ космонавтики» вы выучите основные законы «небесной механики», ведь все космические тела, спутники и космические корабли двигаются согласно закону всемирного тяготения, который вы изучали в курсе физики. Вы узнаете, какой весомый вклад в освоение космоса сделали выдающиеся украинские ученые.

Из астрофизических разделов вы узнаете, какие физические условия существуют на поверхности планет Солнечной системы, почему вокруг планет существуют кольца, как рождаются новые звезды и превращаются, в пыль планетные системы.

Кроме того, в учебнике вы найдете ответы на такие интересные вопросы:

• Существовала ли между Юпитером и Марсом планета Фаэтон?

• Почему 65 млн лет тому назад погибли динозавры?

• Что влияет на изменения климата на Земле?

• Сколько времени еще будет светить Солнце?

• Можем ли мы долететь до черной дыры?

• Что угрожает существованию земной цивилизации?

• Существуют ли во Вселенной «темная энергия» и «темная материя»?

К каждому разделу прилагаются тесты, проверочные вопросы и астрономические задачи.

В учебнике вы найдете сведения о телескопах, при помощи которых ученые исследуют поверхность Луны, спутники Юпитера, кольца Сатурна, а также наблюдают галактики, расположенные на расстоянии десятков миллионов световых лет от Земли.

В учебнике представлены электронные адреса астрономических обсерваторий Украины и других стран мира. С помощью сети Интернет можно получить фото небесных светил, сделанные не только телескопами с поверхности Земли, но и с помощью космического телескопа Хаббла (http://www.stsci.edu/hst/).

Обращаем особое внимание на то, что во время астрономических наблюдений нельзя смотреть на Солнце ни в телескоп, ни невооруженным глазом.

§ 1. Что изучает астрономия?

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• о далеких космических светилах и представим себе огромные масштабы Вселенной, в которой мы живем;

• где находится наша планета во Вселенной и определим наш космический адрес.

1. Предмет астрономии

Название астрономия заимствовано из греческого языка (astron — звезда, nomos — закон), то есть это наука, изучающая законы звезд. Сейчас известно, что во Вселенной кроме звезд (рис. 1.1) существует много других космических тел и их комплексов — планет, астероидов, комет, галактик, туманностей. Поэтому астрономы изучают все объекты, находящиеся за пределами Земли, и их взаимодействие между собой. Слово космос в переводе с греческого означает порядок, в отличие от хаоса, где царит беспорядок. То есть древнегреческие ученые понимали, что во Вселенной действуют законы, поэтому на небе существует определенный порядок. В наше время под словом космос мы представляем себе Вселенную. В современной астрономии используются различные методы исследования Вселенной. Астрономы не только собирают информацию о далеких мирах, изучая излучение, поступающее из космоса на поверхность Земли, но и проводят эксперименты в ближнем и дальнем космическом пространстве.

Рис. 1.1. Звезда — массивное горячее космическое тело, которое излучает свет и имеет внутри источник энергии. (Фотография Солнца)

Вселенная в широком смысле этого слова — все сущее, находящееся на Земле и за ее пределами.

2. Краткая история астрономии

Издавна небо поражало воображение людей своей загадочностью, но много веков оставалось для них недоступным и потому священным. Фантазия людей населила небо богами, управляющими миром и решающими судьбу каждого человека. Ночью призрачное сияние звезд завораживало людей, поэтому древние астрономы объединили отдельные звезды в фигуры людей и животных — так появились названия созвездий. Затем были замечены светила, движущиеся среди звезд,— их назвали планетами (с греч. — блуждающая; рис. 1.2).

Рис. 1.2. Планета — холодное по сравнению со звездой космическое тело, которое обращается вокруг звезды и светится ее отраженными лучами

Первые попытки объяснить таинственные небесные явления были предприняты в Древнем Египте более 4000 лет назад и в Древней Греции еще до начала нашей эры. Египетские жрецы составили первые карты звездного неба (рис. 1.3), дали названия планетам.

Рис. 1.3. Часть древней карты звездного неба. Принцессу Андромеду принесли в жертву чудовищу Киту. Спас красавицу Персей, отрубив голову Медузе Горгоне, от взгляда которой все каменели

Великий древнегреческий философ и математик Пифагор в VI в. до н. э. выдвинул идею, что Земля имеет форму шара и «висит» в пространстве, ни на что не опираясь. Астроном Гиппарх во II в. до н. э. определил расстояние от Земли до Луны и открыл явление прецессии оси обращения Земли.

Древнегреческий философ Клавдий Птолемей (рис. 1.4) во II в. н. э. создал геоцентрическую систему мира, в которой Земля находится в центре. Землю в пространстве окружают 8 сфер, на которых расположены Луна, Солнце и пять известных в то время планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.6). На 8-й сфере находятся звезды, которые соединены между собой и обращаются вокруг Земли как единое целое.

Рис. 1.4. Птолемей (90—160)

В XVI в. польский астроном Николай Коперник (рис. 1.5) предложил гелиоцентрическую систему мира, в которой в центре находится Солнце, а планета Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам (рис. 1.7).

Рис. 1.5. Н. Коперник (1473—1543)

Рис. 1.6. Геоцентрическая система мира: в центре Земля, а все остальные небесные тела обращаются вокруг нее. (Древняя гравюра)

Рис. 1.7. Гелиоцентрическая система мира: в центре находится Солнце. Земля вместе с планетами обращается вокруг него. (Гравюра XVII в.)

Гениальность открытия Коперником гелиоцентрической системы мира состояла в том, что он, разрушив границу между небом и Землей, выдвинул гипотезу, что во Вселенной действуют одни и те же законы, справедливые как на Земле, так и в космосе.

В 1609 г. итальянский физик Галилео Галилей (рис. 1.8) впервые применил телескоп для наблюдения за небесными светилами, открыл спутники Юпитера и увидел звезды Млечного Пути.

Рис. 1.8. Г. Галилей (1564—1642)

XVIII в. в истории астрономии связан с именем английского ученого Исаака Ньютона (рис. 1.9), который открыл закон всемирного тяготения. Заслуга Ньютона заключается в том, что он доказал универсальность силы гравитации, то есть та же сила, которая действует на яблоко во время его падения на Землю, притягивает также Луну, обращающуюся вокруг Земли. Сила притяжения управляет движением звезд и галактик, а также влияет на эволюцию всей Вселенной.

Рис. 1.9. И. Ньютон (1643—1727)

В XIX в. начался новый этап в изучении космоса, когда немецкий физик Йозеф Фраунгофер в 1814 г. открыл линии поглощения в спектре Солнца — фраунгоферовы линии (рис. 1.10), затем линии поглощения были обнаружены в спектрах других звезд. С помощью спектров астрономы определяют химический состав, температуру и даже скорость движения космических тел.

Рис. 1.10. Спектр Солнца. Темные линии поглощения образуются в атмосферах Земли и Солнца

В XX в. создание выдающимся немецким физиком Альбертом Эйнштейном общей теории относительности помогло астрономам понять странное красное смещение линий поглощения в спектрах далеких галактик, которое было открыто американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 г. Хаббл доказал, что галактики разлетаются, и позже ученые создали теорию эволюции Вселенной от ее зарождения до современности. Это послужило толчком к созданию новой науки — космологии.

4 октября 1957 г. началась эра космонавтики. В этот день в Советском Союзе был запущен в космос первый в мире искусственный спутник Земли (рис. 1.11), в создании которого принимали участие и украинские ученые. Сегодня в космосе летают сотни автоматических станций, которые исследуют не только околоземное пространство, но и другие планеты Солнечной системы.

Рис. 1.11. Первый в мире искусственный спутник Земли (СССР)

3. Наш космический адрес

Мы живем на Земле — одной из планет Солнечной системы. Эти планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца. Большинство планет (кроме Венеры и Меркурия) имеют спутники, которые обращаются вокруг своей планеты. В Солнечную систему кроме Солнца и планет со спутниками входят также сотни тысяч астероидов, или малых планет, миллионы кометных ядер и метеорное вещество. Относительно Солнца планеты располагаются в следующем порядке: ближайшая — Меркурий, за ним — Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Относительные размеры Солнца и планет Солнечной системы. Средний радиус Земли 6370 км

За Нептуном вокруг Солнца обращаются еще тысячи малых планет, которые почти не освещаются его лучами.

Расстояния в космическом пространстве настолько велики, что измерять их в обычных для нас километрах неудобно, поэтому астрономы выбрали единицами измерения астрономическую единицу и световой год.

Вне Солнечной системы, на расстоянии более чем 100000 а. е., начинается зона притяжения других звезд. Невооруженным глазом на небе можно увидеть около 6000 звезд, которые образуют 88 созвездий. На самом деле звезд намного больше, но от далеких светил поступает так мало света, что их можно наблюдать только в телескоп. Большие скопления звезд, удерживающиеся силой тяжести, называют галактиками. Во Вселенной находятся миллиарды галактик, среди них есть и наша Галактика (пишется с большой буквы), которую называют Чумацкий Шлях или Млечный Путь. На ночном небе мы видим ее как серебристую полосу (рис. 1.13). Наша Галактика (с греч. — Млечный Путь) — это огромная система, в которой обращаются вокруг центра 400 млрд звезд. Горячие звезды расположены в виде диска со спиральными рукавами.

Рис. 1.13. Галактика Млечный Путь. Диаметр основной части диска — 100000 св. лет, расстояние от Солнца до центра Галактики — 25 000 св. лет

Из других галактик, видимых невооруженным глазом, выделяется Туманность Андромеды. Эта звездная система по размерам и форме подобна нашей Галактике, и свет от нее долетает до Земли за 2,3 млн лет, то есть расстояние до нее — 2,3 млн св. лет. Галактики расположены в скоплениях и формируют ячеистую структуру Вселенной.

Наиболее удаленные космические объекты, которые еще можно увидеть в современные телескопы, — квазары (см. § 15). Они находятся на расстоянии 10 млрд св. лет от Земли.

Астрономическая единица (а. е.) — среднее расстояние от Земли до Солнца.

1 а. е. ≈ 150 · 106 км

Световой год — расстояние, которое преодолевает свет за 1 год, двигаясь со скоростью 300000 км/с.

1 св. год ≈ 1013 км

Другие галактики — звездные системы, состоящие из миллиардов звезд, обращающихся вокруг общего центра

Если в будущем земляне захотят обмениваться информацией с другими мирами, то наш космический адрес можно записать так: Украина, планета Земля, Солнечная система, Галактика, Вселенная (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Наш космический адрес

Для любознательных

Во Вселенной зарегистрировано около 10 млрд галактик. Если в каждой галактике насчитывается в среднем 1011 звезд, то общее количество звезд во Вселенной достигает фантастической цифры 1021. Это астрономическое число с 21 нулем представить себе трудно, поэтому можно посоветовать следующее сравнение. Если разделить все звезды во Вселенной на количество людей на Земле, то каждый из нас был бы обладателем одной галактики, то есть примерно 200 млрд звезд.

4. Основные разделы астрономии

Современная астрономия — чрезвычайно разветвленная наука, развитие которой напрямую связано с научно-техническим прогрессом человечества. Астрономия делится на отдельные направления, в которых используются присущие только им методы и средства исследования.

Космология — раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной как единого целого. Возможно, в будущем космология объединит все естественные науки: физику, математику, химию, биологию, философию — для того чтобы дать ответ на основные проблемы нашего бытия (см. § 15, 16, 17):

— Как возник мир, в котором мы живем, и почему он является таким, каким мы его сейчас наблюдаем?

— Как возникла жизнь на Земле и существует ли жизнь во Вселенной?

— Что ожидает нашу Вселенную в будущем?

Астрометрия — раздел астрономии, изучающий положение и движение небесных тел и их систем

Небесная механика — раздел астрономии, изучающий законы движения небесных тел

Астрофизика — раздел астрономии, изучающий природу космических тел: их строение, химический состав, физические свойства

Космология изучает строение и эволюцию Вселенной как единого целого

Для любознательных

Иногда астрономию отождествляют с астрологией, так как их названия похожи. На самом деле между астрономией и астрологией есть существенное отличие: астрономия — это наука, которая изучает происхождение и эволюцию космических тел, а астрология не имеет ничего общего с наукой, поскольку предполагает, что с помощью звезд можно предсказать будущее. Астрологи рисуют различные схемы расположения звезд и планет, составляют гороскопы (с греч. — заглянуть в будущее), при помощи которых предсказывают судьбу человека.

Выводы

Астрономия — это наука, изучающая различные космические тела и их системы, а также процессы, происходящие при взаимодействии этих тел между собой. В течение последнего тысячелетия представления людей о Вселенной существенно изменились — от геоцентрической системы мира Птолемея с хрустальными сферами вокруг Земли к современной величественной картине безграничного космоса. Астрономия тесно связана с другими естественными науками — физикой, химией, математикой, биологией, философией, потому что на Земле и в космосе действуют одни и те же законы природы. В нашей Вселенной нет ничего вечного — образуются и взрываются звезды и планеты, рождаются и гибнут цивилизации... Вечным остается только один вопрос: «Почему существует Вселенная и почему в этом странном мире живем мы?»

Тесты

1. Какое тело находится в центре геоцентрической системы мира?

А. Солнце. Б. Юпитер. В. Сатурн. Г. Земля. Д. Венера.

2. Какую планету открыл Коперник?

А. Марс. Б. Сатурн. В. Уран. Г. Землю. Д. Юпитер.

3. Что измеряется световыми годами?

А. Время. Б. Расстояние до планет. В. Период обращения. Г. Расстояние до звезд. Д. Расстояние до Земли.

4. Как переводится с греческого языка слово планета?

А. Волосатая звезда. Б. Хвостатая звезда. В. Блуждающая звезда. Г. Туманность. Д. Холодное тело.

5. Какую структуру имеет наша Галактика?

А. Эллиптическую. Б. Спиральную. В. Неправильную. Г. Шаровидную. Д. Цилиндрическую.

6. Какая разница между геоцентрической и гелиоцентрической системами мира?

7. В какой последовательности относительно Солнца расположены планеты Солнечной системы?

8. Могут ли существовать тела за пределами орбиты Нептуна?

9. Что измеряется астрономическими единицами?

10. Рассчитайте величину (до третьего знака) 1 св. года в километрах.

11. Вычислите, за какое время свет долетает от Солнца до Земли; Нептуна; границ Солнечной системы. Скорость света считайте равной 300000 км/с.

Диспуты на предложенные темы

12. Что такое астрология? По вашему мнению, можно ли считать астрологию наукой?

Задания для наблюдений

13. Самостоятельно найдите на небе яркие звезды, которые обозначены на карте звездного неба. Зарисуйте яркие звезды, расположенные у вас над головой. Сравните ваши рисунки с картой звездного неба. К каким созвездиям относятся эти звезды?

14. Найдите среди ярких звезд такую, которая не обозначена на звездной карте. Это может быть какая-то планета или, возможно, вы открыли новую звезду!

Ключевые понятия и термины:

Астрономическая единица, астрофизика, Галактика, гелиоцентрическая система мира, геоцентрическая система мира, звезда, небесная механика, планета, световой год.

Попередня
Сторінка
Наступна
Сторінка

Зміст