Xác định vĩ độ và phương hướng tp hcm bằng phương pháp đo bóng cọc mặt trời

TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VĂN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHAM THANH PHO HO CHi MINH KHOA VAT LY BỘ MÔN:vẬT LÝ Dé tai : Xác định vĩ độ phương hướng thành phố hồ chí minh phương pháp đo bóng cọc mặt trời GVHD :Thac si TRAN QUOC HA SV thuc hién : NGUYEN THÀNH DUNG Niên khéa :1997-2001 I>PHAN MỞ ĐẦU : NGUYEN THANH DONG NHAP DE TRANG TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP Từ buổi xơ khai người nguyên thủy biết trồng trọt, chăn nuôi chuyển từ hái lượm sang canh tác họ cần phải tính tốn thời vụ, dự báo thời tiết (mưa, nắng, gió, lạnh ), dự báo thời kì nước sơng lên xuống Để tiến hành vẫy người cổ đại có phương pháp quan sát vị trí chuyển động thiên thể, Mặt trời, mặt trăng bầu trời sở người ta làm lịch, xác định năm, tháng, ngày, Như thiên văn học mon khoa học đầu tiền nhân loại xuất nhu cầu sản xuất Con người cổ đại sớm biết sử dụng qui luật thiên văn học để xác định phương hướng chuyến biển đất liền, ghi nhận kiện theo thời gian Từ xa Xưa việc tìm kiếm thức ăn, quan hệ tộc với nhau, quan hệ kinh tế, văn hố hay trị dân tộc, hiểu biết phương hướng cách tính thời gian nhu cầu cần thiết người Con người sớm biết chế tạo dụng cụ la bàn để xác định phương hướng; loại đồng hồ đơn giản như: Đồng hồ cát, đồng hồ nước, đồng hồ nến đồng hổ mặt trời để đo thời gian ngày, tháng năm Ngày khoa học kỹ thuật phát triển người chế tạo dụng cụ xác định phương hướng tính thời gian cách xác ứng dụng nhiều vào thực tiễn Ngoài dùng phương pháp khác để xác định phương hướng tính thời gian ngày cách đo bóng cọc mật trời nơi quan sắt Từ phương pháp xác định vĩ độ nơi quan sát việc đo độ cao h mặt trời qua kinh tuyến ( lúc trưa) Tất vấn để lần lược xét nội dung để tài II>Mục đích để tài; Mục đích chích luận văn xác định phương hướng phương pháp thiên văn mà chủ yếu dựa vào qui luật chuyển động biểu kiến mặt trời Vào ngày xác định phương hướng vào hai đối xứng mặt trời Xác định vĩ độ nơi quan sát ( Tp.HCM) vào ngày mặt trời có xích (xn phân, thu phân) xích vĩ + 23” 27 (hạ chí, đơng chí) Dựa vào cơng thức: h=90” + ø - ởi h : độ cao mặt trời qua kinh tuyến trên, tg h = T : xích vĩ mắt trời ngày phân ngày chí @ : vĩ độ nơi quan sát NGUYEN THÀNH DNG TRANG TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP Ngồi cịn sử dụng phương pháp để làm đồng hỗ mặt trời đo thời gian III>Nội dung để tài: Nội dung khoa học thiên văn rộng với phạm vi hạn hẹp để tài, chúng tơi m hiểu tóm tắt nội dung lý thuyết có liên quan mật thiết đến để tài Đó việc xác định vĩ độ địa lý nơi quan sắt, thời điểm quan sát xác định phương hướng khảo sát thực nghiệm đo bóng cọc mặt trời IV>Ý nghĩa để tài: Phương pháp đo vĩ độ xác định phương hướng nơi quan sát bóng cọc mặt trời có nhiều tiện lợi, đơn giản, dễ làm sử dụng dung cu thô sử ; cọc , dọi Phương pháp sử dụng đâu miễn có ánh nắng Đó phương pháp phổ biển phương pháp khoa học nhất, Phương pháp đạt kết tương đối xác có nhược điểm sau: Chỉ thực có trời nắng Xác định phương hướng phải chờ khoảng thời gian hai đối xứng Xác định toạ độ địa lý thường mắc tiết, cọc không thẳng sai số điều kiện thời Ngày phương pháp khơng cịn đại có ý nghĩa quan trọng đời sống người Đó việc xác định phương hướng cách dễ đàng mà hiểu được, làm Từ buổi sơ khai người biết sử dụng phương pháp để làm đồng hỗ mặt trời ứng dụng vào thực tiễn Tuy nhiên ngày cịn vật trang trí cho nhà thờ, đình chùa, thực hành đơn giản Phương pháp đo bóng cọc mặt trời có vai trị quan trọng việc giảng dạy thiên văn học bậc PTTH điều kiện Việt Nam Vì phương pháp dễ hiểu, dễ làm dụng cụ đơn giản nên học sinh dễ tiếp thu, tự lo dụng cụ thực hành Đồng thời phương pháp giúp học sinh dễ tiếp cận với môn Vật Lý, Địa Lý trường phổ thơng V>Thời gian cho dé tai: Mục đích để tài tìm vĩ độ địa lý nơi quan sát vào ngày mặt trời có xích vĩ O va xich vi bing + 23°27' Do thời gian thực hành cho để tài lâu dài Còn việc xác định phương hướng bóng cọc mặt trời chữ khoảng thời gian hai đối xứng vào ngày có nắng NGUYEN THANH DONG TRANG TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP PHAN > I> Thiên cầu: nghia t MOT CƠ SỞ LÝ THUYẾT fu: Khi đứng trái đất nhìn lên bầu trời ta thấy mặt cẩu lớn Ban ngày ta thấy mặt trời chuyển động bên mặt cầu , ban đêm ta chiêm ngưỡng ánh sáng rực rở mặt trăng , hành tinh va hành tỉ lấp lánh mặt cầu Do để xác định vị trí mặt trời vị trí thiên thể bầu trời nên ta lợi dụng mat cau đó, gọi thiên cầu Vậy thiên cẩu mặt cầu tưởng tượng có tâm nơi quan sát , có bán kinh vô lớn thiên thể mặt trời , mặt trăng , hành tinh tiểu hành tinh xem phân bố mặt cầu 2>Đặc điểm thiên cầu: Khoảng cách từ tâm trái đất đến thiên hà , ,mặt trời lớn, từ hàng triệu đến hàng tỷ tỷ tỷ km , mà bán kính trái đất khoảng 6400 km nên xem bán kính trái đất nhỏ so với khoảng cách đó.Ta lấy bán kính thiên cẩu vơ lớn bán kính trái đất nhỏ so với bán kính thiên cẩu Vì ta coi điểm trái đất tâm thiên cầu Một điểm thiên cầu nhìn thấy từ điểm khác G trái đất theo đường song song với 3>Tính chất thiên cầu: Mat phẳng chứa tâm thiên cầu cắt thiên cầu theo vòng trịn lớn (vịng qua F, G) Qua hai điểm khơng đối tâm trênthên cầu vẽ vịng tròn lớn ( vòng qua A.B ) + Qua hai điểm đối tâm C,Ð vẽ vơ số vịng tròn lớn c - , ^ p z P0 M F +Khoảng cách hai điểm A.B trân thiên cầu thể bang cung AB bang góc tâm AOB Những mặt phẳng không qua tâm cắt mặt thiên cầu theo vịng trịn nhỏ có tọa độ r Những đường, điểm thiên cầu : Một điểm thiên cầu nhìn thấy từ điểm khác trái đất theo đường thẳng song song , ta giả sử người quan sát nơi trái đất xem tâm O thiên cầu có bán kính R Các nơi khác trái đất xem phép tịnh tiến O theo đường song song ; Ta có đường, điểm sau Thiên = đỉnh, thiên để, đường chân trời: Tại nơi quan sát ta nhìn thẳng đỉnh đầu đường thẳng đứng qua đỉnh đầu người quan sát cắt thiên cầu điểm Z gọi thiên dỉnh, điểm chân gọi đối thiên đỉnh Z thiên để Nếu ta coi phương tiếp tuyến mặt đất nơi quan sát môi mật phẳng vng góc với đường thẳng ZZ O, gọi mặt phẳng chân trời BN cắt thiên cầu theo đường tròn lớn gọi đường chân trời Bắc_Nam Chú ý: +Đường chân trời mặt giấy khác với đường chân trời thực tế.Vì mặt đất khơngphải phẳng mà bị lỗi, lõm núi non , sông, biển nhà cửa nên mặt phẳng chân trời thực tế phức tạp + Người quan sát đứng bể mặt trái đất nhìn phần thiên cầu có chứa thiên đỉnh Z , phần thiên cẩu bị mặt đất che khuất ,Tại thời điểm lặn , mọc thiên thể xem đường chân trời b>Thiên cực _ xích đao trời: Do trái đất tự quay quanh trục từ tây sang đông ngày đêm gọi nhật động nên thấy bầu trời tất thiên thể , mặt trời , mặt trăng hay hành tỉnh chuyển động biểu kiến từ đông sang tây theo chiều nhật động Như ta cảm thấy thiên cầu quay quanh trục , nói trục quay thiên cầu song song với trục quay trái đất.Trục quay tưỡng tượng gọi thiên cực PP trục vũ trụ +Thiên cực PP cắt thiên cẩu hai điểm Thiên cực bắc P Thiên cực nam P NGUYEN THANH DONG TRANG TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP +Thién cực bấc thiên cực hướng đến ta thấy thiên thể, mặt trời, mặt trăng nhật động ngược chiều kim đồng hồ.Khi quay phía nam thiên cực bầu trời nhật động theo chiều kim đồng -Xích đạo trời mặt phẳng chứa tâm O có đường thẳng qua O vng góc với thiên cực PP ta kí hiệu QQ +Xích đạo trời chia thiên cầu thành thiên cầu bắc chứa P, thiên cầu nam chứa P +Xích đạo trời cách đường chân trới hai điểm đông(D), tây (T) cách hai điểm B,N - >Kin Gi: Vòng tròn lớn qua hai thiên cực PP thiên cực P thiên đỉnh Z gọi kinh tuyến trời Kinh tuyến trời cách đường chân trời hai điểm B,N Phần kinh tuyến có chứa thiên dinh Z (BZN) gọi kinh tuyến trên, phần chứa thiên để Z ( BZN ) gọi kinh tuyến dưới, £ _ Có thể nói điểm B làhình chiều thiên cực bắc P lên đường chân trời, điểm nam N hình chiếu thiên cực nam P lên đường chân trời -Xích đạo trời vịng trịn lớn vng góc với trục vũ trụ, cất đường chân trời B hai điểm Ð,T Do bốn điểm Đ,N.T,B cách điểu 90” Ta chứng minh ĐÐ,N,T,B cách ` T Q P z Ta có mặt phẳng ( BĐNT) mặt phẳng (QÐQ T) cắt theo giao tuyến ĐT Ta dùng ngơn ngữ tốn học (BDNT)|(QDQT) = DT ma ZZ ¢ (BDNT ) va ZZ1 (BPNT) = ZZ BN va ZZ DT vay BN DT bốn điểm B,Đ.N,T cách diéu 90" _ Nếu người quan sát đứng O nhìn phương bắc tay phải hướng đông, tay trái hướng tây sau lưng hướng nam Lưu ý: mặt phẳng kinh tuyến chia bầu trời làm hai bán cầu đồng bán cầu tây d>Các đường khác thiên cầu : ° Đường ngày: NGUYEN THÀNH DũNG TRANG TRUONG DAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP Đó đường bắc nam hình chiếu kinh tuyến trời lên mặt phẳng chân trời ° Vòng thẳng đứng : Các vòng tròn lớn qua thiên đỉnh Z., thiên để Z vng góc với dường chân trời Vòng giờ: Các vòng tròn qua hai thiên cực P,P vng góc với xích đạo trời Vậy kinh tuyến trời vừa vòng thẳng đứng vừa vòng ° Vòng nhật động : - Đo trái đất tự quay quanh trục từ tẤYy sang đông với chu ky ` ngày ( 24 ), ảo giác ta thấy trái đất đứng n , cịn thiên cầu quay với chu kỳ chu kỳ quay trái đất Ta gọi thiên thể hay thiên cầu nhật động + Khi nhật động thiên thể vẽ nên đường trịn nhỏ song song với xích đạo trời trùng với + Hướng nhật động thiên thể ngược với chiều quay trái đất thiên cầu quay từ đông sang tay quay trục vũ trụ -Trong ngaỳ đêm thiên thể nói chung ,mặt trời nói riêng sể bắc đầu mọc đường chân trời , lên cao, qua kinh tuyến trên, xuống dần phía tây lặn xuống đường chân trời , tiếp tục xuống kinh tuyến mọc tiếp qua ngày hôm sau -Các điểm ZZ P,P điểm đường chân trời B.Đ.N,T bất động người quan sát nghĩa z không quay thiên cầu H> 1>Hệ toa chân trời: -Muốn xác định vị trí cụ thể thiênthể thiên cầu người ta sữ dụng hệ tọa độ cầu M =, h M + Các hệ tọa độ khác phụ thuộc vào điểm vòng chọn khác +Hệ tọa độ đơn giản hệ tọa độ chân trời Xét hệ tọa độ chân trời: +Vòng tròn bản: Đường chân trời (B,N) Kinh tuyến trời (BZN,BZN ) +Diém co ban: Thién dinh Z NGUYEN THANH DGNG TRANG TRUONG BAI HOC SU PHAM TPHCM - LUAN VAN TOT NGHIEP Điểm nam N +Hệ gồm hai tọa độ: Độ cao h Độ phương A -Muốn xác định tọa độ thiên thể M hệ tọa độ chân trời ta làm sau +Vẽ vòng thắng đứng qua thiên thể M cắt đường chân trời M +Độ cao h thiên thể M cung MM khoảng cách góc từ thiên thể đến đường chân trời hay góc tâm MOM h có giá trị từ (” —› 90” Nhiều ,người ta dùng khoảng cách đỉnh Z thay cho độ cao h ZM hay góc ZOM tacó: _ h+z = 90” (1.1) + Độ phương A tọa độ thứ hai củathiên thể ( Mặt trời ) , cho biết phương hướng thiên thể nơi quan sát Nó góc vịng thằng đứng qua điểm nam (N) đường thẳng đứng qua thiên thể M, tức cung NM hay góc NOM ,Độ phương A tính từ điểm N theo chiểu nhật động Hoặc O