Giáo trình hướng dẫn những vấn đề cơ bản của thiên văn và cấu trúc của khoa học tự nhiên phần 6 pps

- Ngoài ra, các hành tinh còn tự quay quanh mình, hầu hết theo cùng chiều quay quanh Mặt trời, trừ Kim tinh và Thiên vương tinh quay theo chiều ngược lại. Trục tự quay có thể nghiêng so với mặt phẳng qũi đạo quanh Mặt trời. - Trừ Kim tinh, Thủy tinh, các hành tinh đều có các vệ tinh quay xung quanh, hầu hết theo cùng chiều chuyển động của hành tinh quanh Mặt trời. Mặt trăng là vệ tinh duy nhất của Trái đất. - Các hành tinh được chia làm 2 nhóm: Nhóm Trái đất gồm các hành tinh có kích thước nhỏ nhưng khối lượng riêng lớn, có thể rắn như Thủy, Kim, Trái đất, Hỏa, Diêm và nhóm khổng lồ gồm các hành tinh lớn khối lượng riêng nhỏ (thể băng, khí) như Mộc, Thổ, Thiên vương, Hải vương. - So với kích thước củ a hệ Mặt trời thì kích thích của các hành tinh là rất bé, có nghĩa là giữa các hành tinh còn những khoảng không gian trống rỗng, vô tận. Rất khó thể hiện đúng tỷ lệ kích thước các hành tinh và khoảng cách giữa chúng trên trang giấy để có được hình ảnh đúng về hệ Mặt trời trong giáo trình này. Hình 15 - Hầu hết các hành tinh đều có khí quyển, một số hành tinh còn có các vành khí xung quanh (Ví dụ: Thổ tinh). Tuy nhiên, theo quan sát hiện nay chỉ duy nhất Trái đất có điề u kiện nhiệt độ, áp suất… thích hợp để có sự sống. - Ngoài ra, chúng ta có thể nghiên cứu kỹ về các hành tinh bằng cách đọc thêm các sách tham khảo. Về vấn đề nguồn gốc của hệ Mặt trời ta sẽ trở lại ở chương cuối của giáo trình này. - Theo tin mới nhất (ngày 9.10.1999) các nhà thiên văn đã phát hiện ra hành tinh thứ 10 trong hệ Mặt trời (hành tinh X) nằm cách Mặt trời xa gấp ngàn lần Diêm vương, có khối lượng lớn hơn sao Mộc và làm lệch hướng các sao Chổi một cách đáng kể. Chú ý: Những hình ảnh này chỉ có tính chất minh họa, không đúng tỉ lệ thực. Hình 16 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Chương 2 TRÁI ĐẤT : HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ VÀ CHUYỂN ĐỘNG I. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ KHỐI LƯỢNG CỦA TRÁI ĐẤT. 1. Hình dạng và kích thước. - Người xưa thường quan niệm Trái đất bằng phẳng, bầu trời như một cái vung úp xuống và nếu đi mãi ta sẽ gặp đường chân trời, có thể leo lên đó để lên trời. Nhưng từ thời Aristotle qua quan sát Nhật, Nguyệt thực ơng đã đốn rằng Trái đất phải có dạng cầu. Mãi đến thế kỷ 16 Magellan đã thám hiểm Trái đất bằng tàu biển. Nhưng ơng đi mãi khơng gặp chân trời mà lại trở về chỗ cũ, chứng tỏ Trái đất tròn. Đến thời Newton ơng cho rằng dưới tác dụng của lực vạn vật hấp dẫn các thiên thể phải có dạng cầu, đúng hơn là phỏng cầu, vì hơi phình ở giữa. Ngày nay các kết quả nghiên cứu cho thấy kết luận của Newton là đúng. Người ta còn có thể nhìn thấy Trái đất hình cầu từ trên các tàu vũ trụ. Việc đo bán kính Trái đất cũng đã được tiến hành từ rất lâu. Ở Aicập từ thế kỷ thứ 3 TCN Eratoxten đã tiến hành đo bán kính Trái đất khá chính xác R = 6400km. Thực ra Trái đất hơ dẹt ở hai đầu nên bán kính ở xích đạo là: a = 6378,16km Ở vùng địa cực là: b = 6356,78km vậy độ dẹt của Trái đất là: ab 1 a298,25 − ε= = Số liệu này do hội Thiên văn quốc tế ghi nhận từ năm 1964. 2. Khối lượng Trái đất. Sau khi xây dựng định luật vạn vật hấp dẫn, người ta có thể áp dụng nó để xác định khối lượng Trái đất. Đã có nhiều phương pháp xác định khác nhau. Ví dụ: Thí nghiệm của Cavendish người Anh 1978 (hơn một thế kỷ sau Newton) dùng cân xoắn để xác định hằng số hấp dẫn G (xem sách lớp 10 - Vật lý). Hình 18: Thí nghiệm Cavendish Biết giá trị của G và gia tốc rơi tự do g ta có thể xác định được khối lượng của Trái đất theo cơng thức : g = 2 M G R Hình 17: Trái đất nhìn từ vũ trụ F M m m F M Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m - Có thể tính ra công thức này bằng cách : Biết lực tác dụng lên vật rơi tự do khối lượng m là lực trọng trường F= 2 M m G R R: là bán kính Trái đất (coi vật rơi từ độ cao h << R). Từ định luật 2: Newton F = ma thì ở đây a = g nên 2 M G R .) Từ đó : M = 262 24 11 gR 9,81(6,4.10 ) 6.10 G 6,68.10 − == - Khối lượng chính xác được chấp nhận của Trái đất có ghi trong phụ lục. II. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ. Để xác định vị trí của một vật trên Trái đất ta sử dụng hệ tọa độ địa lý. Hình 19 Trái đất có dạng hình cầu và tự quay quanh trục (tưởng tượng) đi qua tâm của nó. Trục đó cắt mặt đất tại 2 điểm: Địa cực Bắc (B) và địa cực nam (N). Mặt phẳng đi qua tâm vuông góc với địa cực BN cắt trái đất theo một đường tròn gọi là xích đạo và chia Trái đất làm 2 nửa hình cầu: Bán cầu Bắc chứa địa cực Bắc và bán cầu Nam chứa địa cực Nam. Ở Bán cầu Bắc nhìn về địa cực bắc sẽ thấy Trái đất quay ngược chiều kim đồng hồ. Các vòng tròn nhỏ song song với xích đạo gọi là vĩ tuyến φ. Xích đạo có vĩ độ bằng 0o (φ = 0o). Ở bán cầu bắc có vĩ độ dương thay đổi từ 0o ở xích đạo và 90o ở địa cực Bắc (0o (90o). Ở bán cầu Nam có vĩ độ âm, thay đổi từ 0 o → -90 0 ở địa cực Nam (0 o → −90 o ). Những vòng tròn đi qua hai địa cực được gọi là các kinh tuyến λ. Người ta định ra một kinh tuyến làm gốc (0 0 ) đó là đường kinh tuyến đi qua Greenwich ở Luân đôn (Anh). Kinh độ có thể tính từ kinh tuyến gốc theo chiều tự quay của Trái đất (từ 0 o đến 360 o ) hoặc qui định 0 o → 180 o (độ đông) và 0 o →180 o (độ tây). Như vậy tọa độ của một điểm M trên Trái đất sẽ được xác định bởi vĩ độ φ và kinh độ λ. Ví dụ : Hà nội có φ = 21o1’12” λ = 105 o 52’12” Thành phố Hồ Chí Minh : φ= 10o45’ λ = 106 o 40’12” Thủ đô Pháp (Paris) : φ = 48o52’12” λ = 2 o 19’48” (Chú ý : Nhiều sách ghi φTP.HCM = 10 o 30’) Do Trái đất có dạng phỏng cầu nên người ta còn đưa ra những khái niệm vĩ độ khác, như: vĩ độ địa tâm, vĩ độ trắc địa, vĩ độ thiên văn … ϕ B B A N λ 0 M G Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m III. CHUYỂN ĐỘNG TỰ QUAY QUANH TRỤC CỦA TRÁI ĐẤT. Ngày nay ai cũng biết Trái đất tự quay. Do ảo giác ta cảm thấy Trái đất đứng yên, Mặt trời và cả bầu trời quay. “Mặt trời mọc ở đằng đông, lặn ở đằng tây” kỳ thực là do Trái đất tự quay theo chiều ngược lại: từ tây sang đông. Do Trái đất quay nên ở một nơi trên Trái đất ta sẽ thấy Mặt trời mọc, lên giữa đỉnh đầu và lặn, bóng đêm xuất hi ện. Khoảng cách giữa 2 lần mọc của Mặt trời là một ngày ( đêm tức một vòng quay của Trái đất, là 24 giờ. Do đó vận tốc góc và vận tốc dài của một điểm trên xích đạo Trái đất sẽ là: s/rad., ,. T 5 1027 606024 14322 − == π =ω v = ω R = 7,2.10 −5 .6,4.10 6 = 460m/s Hình 20 : Con lắc Foucoult Để chứng minh Trái đất tự quay năm 1851 nhà vật lý người Pháp Foucault đã sử dụng dao động của con lắc. Con lắc này cân nặng 28kg, treo bằng sợi dây dài 0,7m gắn chặt vào trần điện Patheon ở Pháp. Sau một thời gian dấu quét của con lắc xuống nền nhà rải cát không phải là một đường thẳng duy nhất mà là nhiều đường thẳng chéo nhau, tựa hồ mặt phẳng con lắc đã di dịch từ đông sang tây. Theo nguyên lý c ơ học thì mặt phẳng dao động của con lắc hoàn toàn đứng yên, không xê dịch, khi chỉ có trọng lực tác dụng lên nó. Như vậy chính mặt sàn, hay quả đất đã xê dịch theo chiều từ tây sang đông. Vận tốc quay của con lắc tỉ lệ với vĩ độ nơi đặt nó. Ở địa cực 0 0 2 360 15 / 24Tg π ω == = giờ Ở vĩ độφ:ω φ = ω.sinφ = 150/giờ .sinφ Ở xích đạo φ = 0 nên ω φ = 0 hay con lắc đứng yên so với mặt đất. Hình 21 - Do chuyển động tự quay nên các hệ qui chiếu gắn trên mặt đất xét một cách chính xác sẽ không phải là các hệ qui chiếu quán tính. Trong hệ quay có những lực quán tính tác dụng vào vật nằm trong hệ. Đó là lực ly tâm quán tính và lực Coriolis. - Lực ly tâm quán tính (nên gọi là lực ly trục quán tính): Khi đứng yên trên mặt đất, vật có khối lượng m sẽ chịu lực ly tâm quán tính tác dụng. → F = −m )r( →→→ ×ω×ω 28k g 67m ω ω ϕ ω Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Hay lc ny cú giỏ tr bng lc hng tõm nhng hng ra ngoi : F= m 2 r (r l khong cỏch n trc quay ca Trỏi t) Hỡnh 22 - Lc ny s nh hng n gia tc trng trng ca Trỏi t (s xột sau) - Lc Coriolis: Khi vt chuyn ng vi vn tc tng i v (so vi Trỏi t nm yờn) thỡ khi tớnh n s quay ca Trỏi t nú s b nh hng ca lc quỏn tớnh Coriolis: c F2mv = ì Lc ny khin cho cỏc vt chuyn ng trờn Trỏi t. (Vớ d: dũng sụng chy, giú, ng ra xe la ) b lch so vi hng chuyn ng ca nú. Bc bỏn cu lch hng t trỏi sang phi so vi chuyn ng ca vt. nam cu ngc li, t phi qua trỏi. Hỡnh 23 Vớ d: hỡnh 23: Giú thi t xớch o lờn bc cc b lch thnh giú ụng bc (AB). Giú thi t bc cc xung xớch o b lch thnh Tõy nam (BA). bỏn cu Nam ngc li. IV. CHUYN NG TRấN QU O QUANH MT TRI. Ngy nay chuyn Trỏi t chuyn ng quanh Mt tri tuõn theo 3 nh lut Keoler khụng cũn l vn phi tranh cói na. Qu o chuyn ng ca Trỏi t cú tõm sai tng i nh (0,0167) nờn trong nhiu trng hp cú th coi nú l trũn a=150.106km. Trong thc t ti im vin nht A Trỏi t cỏch Mt tri amax=152.106km, cũn cn nht P thỡ amin=147.106km. Hỡnh 24 B B A A A A B B B N A F F Maởt trụứi Traựi ủaỏt 0 R F r Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . thêm các sách tham khảo. Về vấn đề nguồn gốc của hệ Mặt trời ta sẽ trở lại ở chương cuối của giáo trình này. - Theo tin mới nhất (ngày 9.10.1999) các nhà thiên văn đã phát hiện ra hành tinh. Từ đó : M = 262 24 11 gR 9,81 (6, 4.10 ) 6. 10 G 6, 68.10 − == - Khối lượng chính xác được chấp nhận của Trái đất có ghi trong phụ lục. II. HỆ TỌA ĐỘ ĐỊA LÝ. Để xác định vị trí của một vật. kính Trái đất khá chính xác R = 64 00km. Thực ra Trái đất hơ dẹt ở hai đầu nên bán kính ở xích đạo là: a = 63 78,16km Ở vùng địa cực là: b = 63 56, 78km vậy độ dẹt của Trái đất là: ab 1 a298,25 − ε=