Молодёжный астрономический клуб« »Звездочёт
zelobservatory.ru
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века и физические основы астрономии
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галиллей• Исаак Ньютон• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галиллей• Исаак Ньютон
zelobservatory.ru
Николай Коперник, польский, , астроном математик
. экономист и врач Автор средневековой
гелиоцентрической системы, мира положившей начало
.первой научной революции
Николай, 1473 – Коперник
1543 . . г г
Уже в начале XVI века замысел новой астрономической системы сложился у него вполне
. ясно
Страница из рукописи« Малыйкомментарий о
, гипотезах относящихся к
»небеснымдвижениям
zelobservatory.ru
Он начинает писать книгу с описанием , новой модели мира
обсуждает свои идеи с, друзьями среди
которых немало его единомышленников
( , например Тидеман, Гизе епископ
Кульмский). В эти годы( 1503-1512примерно ). Коперник распространял среди друзей рукописный
конспект своей теории (« Малый комментарий о, гипотезах относящихся к небесным
»движениям ), а его ученик Ретик опубликовал ясное изложение гелиоцентрической системы в
1539 . - , году По видимому слухи о новой теории 1520- . широко разошлись уже в х годах Работа над
40 , главным трудом продолжалась почти лет , Коперник постоянно вносит в неё уточнения
готовит новые астрономические расчётные.таблицы
zelobservatory.ru
По структуре главный труд Коперника почти повторяет
« » Альмагест Клавдия Птолемея в несколько
. сокращённом виде
КартанебаКоперника ифазыЛуны( ). внизу СтраницыизАтласа«Harmonia Macrocosmica» Андреаса
, 1660 Целлариуса год
В первой части говорится о шарообразности мира и Земли, а вместо
положения о неподвижности Земли - помещена иная аксиома Земля и
другие планеты вращаются вокруг оси и обращаются вокруг Солнца. Эта
, концепция подробно аргументируется а« » мнение древних убедительно
. опровергается С гелиоцентрических позиций он без
труда объясняет возвратное(ретроградное) движение планет.
zelobservatory.ru
Во второй части даются сведения по сферической тригонометрии и правила вычисления видимых
, положений звезд планет и Солнца на небесномсводе.
В третьей говорится о годовом движении Земли и (прецессии предварении равноденствий), причём
Коперник правильно объясняет её смещением , - земной оси из за чего перемещается линии
.пересечения экватора с эклиптикой
- , В четвёртой о Луне - , в пятой о планетах вообще - . и в шестой о причинах изменения широт планет В книге также содержится звёздный каталог,
оценка размеров Солнца и Луны, расстояния до них и до планет ( близкие к истинным), теория
затмений.
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галиллей• Исаак Ньютон
zelobservatory.ru
, ТихоБраге1546– 1601 . . г г
Тихо Браге – , датский астроном, . астролог алхимик Первым в
Европе начал проводить систематические и
высокоточные , астрономические наблюдения
которые помогли Кеплеру открыть законы движения
.планет
-ГеоГелиоцентрическа
я системаБраге
-Основоположник Гео Гелиоцентрической системы
Мира
zelobservatory.ru
11 1572 ноября года , Тихо Браге возвращаясь домой из химической
, лаборатории заметил в созвездии Кассиопеи необычайно яркую
, . звезду которой раньше не было Он , , сразу понял что это не планета и
. бросился измерять её координаты 17 Звезда сияла на небе ещё
; месяцев вначале она была видна , даже днём но постепенно её блеск
. тускнел
(СверхноваяБраге SN 1572)
, В современной терминологии 500 это была первая за лет
вспышка сверхновой в нашей; Галактике следующая
произошла вскоре после смерти (Браге Сверхновая Кеплера), и
больше в нашей Галактике вспышек сверхновых
невооружённым глазом не.наблюдалось
zelobservatory.ru
XVI В конце века в астрономии ещё происходила борьба между
геоцентрической системой Птолемея и гелиоцентрической
. системой Коперника Противники системы Коперника
, ссылались на то что в отношении погрешности расчётов она ничем
не лучше птолемеевской ( на рисунке слева).
, Напомним что в модели Коперника планеты : равномерно движутся по круговым орбитам чтобы согласовать это предположение с видимой
, неравномерностью движения планет Копернику пришлось ввести дополнительные движения по
эпициклам. Хотя эпициклов у Коперника было, , меньше чем у Птолемея его астрономические
, , таблицы первоначально более точные чем, птолемеевы вскоре существенно разошлись с
, наблюдениями что немало озадачило и охладило …восторженных коперниканцев
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галиллей• Исаак Ньютон
zelobservatory.ru
Иоганн, 1571– Кеплер
1630 . . г г
Открытые Кеплером три закона движения планет полностью и
с превосходной точностью объяснили видимую
неравномерность этихдвижений. Вместо
многочисленных надуманных эпициклов модель Кеплера
– включает только одну кривуюэллипс. , Второй закон установил
как меняется скорость планеты при удалении или приближении
, к Солнцу а третий позволяет рассчитать эту скорость и
период обращения вокруг.Солнца
Иллюстрация действия второго законаКеплера
zelobservatory.ru
, Кеплер долгое время наблюдал за Марсом уточняя свои наблюдения и на основании их пришел к
:следующим выводамI. Все планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсу
.в одном из центров которых находится Солнце
zelobservatory.ru
II. , Каждая планета движется в плоскости проходящей , через центр Солнца причём за равные времена
- , , радиус вектор соединяющий Солнце и планету заметает сектора равной площади. , Таким образом из
, второго закона Кеплера следует что планета , движется вокруг Солнца неравномерно имея в
перигее бó , .льшую линейную скорость чем в апогее , В начале января Земля , проходя через перигей
, движется быстрее поэтому видимое перемещение
Солнца по эклиптике к востоку также происходит, быстрее чем в среднем за
. , год В начале июля Земля , проходя апогей движется
, медленнее поэтому и перемещение Солнца по
. эклиптике замедляется , Закон площадей указывает
, что сила управляющая орбитальным движением
, .планет направлена к Солнцу
zelobservatory.ru
III. Квадраты периодов обращения планет вокруг , Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит. планет , Справедливо не только для планет но и для
.их спутников
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галилей• Исаак Ньютон
zelobservatory.ru
Галилей – выдающийся итальянский, , физик астроном механик и
.математик
При жизни был известен как активный сторонник
гелиоцентрической системы мира, что привело Галилея к серьёзному
.конфликту с католической церковью
- Иногда из за недостатка научных (данных Галилей ошибался , например
в вопросах о форме планетных, орбит природе комет или причинах
приливов), но в подавляющем большинстве случаев его метод
. , приводил к цели Характерно что, Кеплер располагавший более
, полными и точными данными чем, Галилей сделал правильные выводы
, в тех случаях когда Галилей.ошибался
Галилео, 1564Галилей –
1642 . . г г
zelobservatory.ru
« » Галилей отметил также странные придатки у, Сатурна но открытию кольца помешали слабость
, телескопа и поворот кольца скрывший его от . земного наблюдателя Полвека спустя кольцо , Сатурна открыл и описал Гюйгенс в распоряжении
92- .которого был кратный телескоп , Млечный путь который невооружённым глазом , выглядит как сплошное сияние распался на
, отдельные звёзды что подтвердило догадку, Демокрита и стало видно громадное количество
.неизвестных ранее звёзд
Галилей открыл также( независимо от Иоганна
Фабрициуса и Хэрриота) солнечные пятна. По
результатам их наблюдений Галилей , сделал вывод что
Солнце вращается вокруг своей оси, оценил период этого вращения и положение
.оси Солнца , Галилей установил что
Венера меняет фазы.
Наблюдениячерез телескоп собственной
конструкции
zelobservatory.ru
У Юпитера обнаружились – . собственные луны четыре спутника
1,5 года наблюдений позволили Галилею оценить период обращения
( этих спутников в 1612 .г ), хотя приемлемая точность оценки была
. достигнута только в эпоху Ньютона Галилей предложил использовать
наблюдения затмений спутников Юпитера для решения важнейшей
проблемы определения долготы на. море Сам он не смог разработать
, реализацию подобного подхода хотя ; работал над ней до конца жизни (первым успеха добился Кассини в
1681 .г ), - однако из за трудностей наблюдений на море метод Галилея применялся в основном сухопутными
, экспедициями а после изобретения (морского хронометра XVIII середина
века) .проблема была закрыта Зарисовки поверхности
.ЛуныГалилеем
zelobservatory.ru
Астрономия в Европе в средние века
• Николай Коперник• Тихо Браге• Иоганн Кеплер• Галилео Галилей• Исаак Ньютон
zelobservatory.ru
Исаак, 1664–Ньютон
1727 . . г г
Ньютон – великий , английский физик
.математик и астроном
Автор фундаментального «труда Математические
начала натуральнойфилософии», в котором он
описал закон всемирноготяготения и так
называемые ЗаконыНьютона, заложившие
основы классической.механики
Разработалдифференциальное и
интегральное исчисление, теориюцветности и многие
другие математические и .физические теории
, Важно отметить что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного
, тяготения но фактически предложил целостную математическую модель в контексте хорошо
, , разработанного полного явно сформулированного .и систематически изложенного подхода к механике
Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые
; движения небесных тел в этом большая заслуга, .Эйлера Клеро и Лапласа zelobservatory.ru
Законтяготения Ньютона
До Ньютона никто не сумел ясно и математически
доказательно связать закон (тяготения , силу обратно
пропорциональную квадратурасстояния) и законы
(движения планет законыКеплера). Только с трудов
Ньютона начинается раздел «науки динамика».
zelobservatory.ru
Физические основы астрономии
• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
Ньютон и яблоко
, Общеизвестна легенда о том что закон тяготения Ньютон, . открыл наблюдая падение яблока с ветки дерева Впервые
« яблоко Ньютона» мельком упомянул биограф Ньютона (Уильям Стьюкли « », книга Воспоминания о жизни Ньютона
1752 год): , После обеда установилась тёплая погода мы вышли в сад и
. [ ] , пили чай в тени яблонь Он Ньютон сказал мне что мысль о , гравитации пришла ему в голову когда онточнотакже сидел
. , под деревом Он находился в созерцательном настроении . « когда неожиданно с ветки упало яблоко Почему яблоки
?» — …всегда падаютперпендикулярно земле подумал он
zelobservatory.ru
Закон Всемирного тяготения
Гравитация – , сила заставляющая тела . притягиваться друг к другу
Впервые эту силу описал Ньютон в своем – знаменитом законе Законе Всемирного
тяготения
zelobservatory.ru
, Формула выражающая закон Всемирного :тяготения выглядит так
Все тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной их массе и
обратно пропорционально квадрату .расстояния между ними
… :и означает что
zelobservatory.ru
5 …Перерыв минут
zelobservatory.ru
, Итак Ньютон и Кеплер объяснили КАК должны вращаться планеты по
своим орбитам и по каким. законам Но Меркурий не
«хотел двигаться по их» . - , законам Чуть чуть всего
43 лишь на секунды в , меркурианский год но это
было существенное. отклонение
Неправильный Меркурий
Каждый оборот вокруг Солнца перигей Меркурия 43 смещался на угловых секунды от предыдущего
. положения В то время как законы Ньютона и Кеплера . предсказывали ей вращаться по неизменной орбите
, Позже оказалось что и другие планеты ведут себя , подобным образом просто заменить изменения в их
орбитах в начале XX - века было невозможно из за . - несовершенства приборов А Меркурий самая быстрая
планета Солнечной системы и изменения его орбиты .наиболее заметны
zelobservatory.ru
Физические основы астрономии
• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
, Итак ученые начали попытки объяснить странное . поведение строптивой планеты И это привело к
созданию – СТО Специальной Теории. Относительности
Во Вселенной свет быстрее всех
zelobservatory.ru
, СТО постулировала что в отличии от , механики Ньютона который считал
что силы заставляющие планеты вращаться действуют мгновенно, во
, Вселенной есть предельная скорость быстрее которой ничего не может
. - ! двигаться И это скорость света Автором этой теории был Альберт
.Эйнштейн
zelobservatory.ru
, СТО приводит к удивительным парадоксам:например
Время на космическом корабле замедляется и чем ближе скорость корабля к скорости света - тем
медленнее, , с точки зрения земного наблюдателя на нем течёт время. Хотя для космонавтов на самом
, , корабле наоборот кажется что это на Земле время . , течет быстрее Поэтому если в космос отправится
один из близнецов то вернувшись молодым он застанет своего брата близнеца уже в преклонном – « возрасте это и есть так называемый парадокс
».близнецов
zelobservatory.ru
Теория гравитации
« » Резиноваямодель наглядно показываетдействие: , гравитации чеммассивнеетело тем сильнее оно искажает
- окружающеепространство времяитем сильнее оно ( ) .притягивает влияетна другиетела
, На достигнутом Эйнштейн не остановился и он , принялся за гравитацию разработав новую теорию
которая получила название – ОТО Общая ТеорияОтносительности.
zelobservatory.ru
1920- В х годах Альберт Эйнштейн предложил совершенно новую
. теорию гравитации В рамках , этой теории постулируется что
гравитационные эффекты обусловлены не силовым
, взаимодействием тел и полей -находящихся в пространстве
, времени а деформацией самого-пространства времени, которая
, , связана в частности с .присутствием массы
Альберт, 1879–Эйнштейн
1955 . . г г
zelobservatory.ru
Попытаемся наглядно описать механизм взаимодействия двух . массивных тел В качестве массивных тел будем представлять
, , собой тяжелые шарики а в качестве пространства которое, искривляется если в него помещают массивные тела можно
. , взять мягкий резиновый коврик Напомним что это только модель для наглядного представления Эйнштейновской
. , гравитации Поместим шарик на коврик под весом этого . шарика коврик немного прогнется Образовавшаяся ямка
. является моделью искривленного пространства Если рядом , поместить второй шарик то он как бы начнем притягиваться к
, . первому за счет того что первый находится в ямке
zelobservatory.ru
Масса Земли
• 5 974 000 000 000 000 000 000 000 кг
• 331 500 Солнце тяжелее Земли в!раз
zelobservatory.ru
ОТО объясняет некоторые особенности в . движении планет и других небесных тел
(В том числе именно она вместе со СТО) позволила объяснить странное движение Меркурия и другие наблюдаемые
. явления
Одна из крупнейших гравитационныхлинзAbell 2218
zelobservatory.ru
Физические основы астрономии
• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
… 17 . С расстояния св лет оно выглядело бы как , 18 . далекая тусклая звездочка с расстояния св лет
.невооруженным глазом Солнышко уже не видно
Итак СТО постулировало что ничего не ! перемещается быстрее света
? Ачтотакое свет
! Как оказалось это волна и частица одновременно
Волна имеет следующие характеристики: , длину . частоту и амплитуду Это верно как для
(механической волны , например звуковой), так и .для электромагнитной
zelobservatory.ru
Электромагнитная волна
Электромагнитная волна - это распространяющееся в
пространстве возмущение электрических и магнитных полей. , Электрическое поле ручка и листок
– . магнитное магнит и скрепка Сочетание этих полей и обеспечивает электромагнитные волны. Электромагнитные
( ) волны свет распространяются в вакууме со 300 000 / . скоростью примерно км с 7 . За секунду свет огибает Землю раз Но во Вселенной
- расстояния огромны свет достигнет ближайшей 4,22 . звезды только через года
zelobservatory.ru
? ? Кто видел радугу Какие в ней есть цвета Впервые подобное изображение получил Ньютон пропустив
. луч света через тонкую щель и стеклянную призму – Оказывается наш обычный белый свет это
: сочетание электромагнитных волн разного цвета, , , , , красный оранжевый жёлтый зелёный голубой
, . , . . синий фиолетовый Это разделение условно т к .цвета плавно переходят один в другой
Опыт Ньютона с, призмой
разлагающейсвет
zelobservatory.ru
Физические основы астрономии
• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
Спектр электромагнитных волн , Но оказывается что
электромагнитные волны не ограничиваются только видимым
, . . светом т е светом который . воспринимает наш глаз
Если посмотреть на шкалу , электромагнитных волн то выше по
увеличению длинны волны мы видим , инфракрасные волны с увеличением
длины волн идет полоса (микроволнового излучения -СВЧ
печь), затем радиоизлучение( , , сотовыйтелефон телевизор радио).
А в сторону уменьшения длины волны– ультрафиолетовое излучение( , ультрафиолетовые лампы солярии),
рентгеновское излучение(рентгенограф), – .гамма лучи
– Все эти лучи имеют одну природу. электромагнитную Просто они разной
, .длины а следовательно и частоты
zelobservatory.ru
zelobservatory.ru
, Для чего же мы с вами узнали что такое электромагнитные волны? , Оказывается изучение
всей совокупности электромагнитных волн . позволяет многое узнать о небесных телах Для этого
изучают Спектр электроволн излучаемых от . , , . небесного тела Вот например спектр Солнца . Обратите внимание на темные полоски Как, оказалось ширина и расположение этих линий . уникальна для каждого химического элемента
, Поэтому ученые когда изучают
, спектр звезд стараются
выделить известные им
, виды спектров чтобы
определить химический
анализ звезд , то есть из чего они
.состоят
zelobservatory.ru
, , . Вот так например выглядит спектр азота Разглядывая спектр под микроскопом ученые
измеряют расстояние между спектральными, . линиями их ширину Изучение спектра небесных
тел позволяет не только изучать химический состав , : небесных тел но и другие характеристики .плотность и температуру
zelobservatory.ru
Физические основы астрономии
• Основы теории тяготения• Основы теории гравитации• Механическая и электромагнитная
волна• Электромагнитный диапазон• Эффект Доплера
zelobservatory.ru
А теперь представим что мы на корабле поплыли в сторону , , от распространения волны нас стало качать меньше то
, . есть частота волны уменьшилась а длина увеличилась , ( Хотя при этом море как качало так и качает средний
). фрагмент А теперь представим себе что корабль на котором мы
движемся плывет навстречу волне и нас стало качать, , чаще то есть частота увеличилась а длина волны
( ). уменьшилась нижний фрагмент Это и есть проявление эффекта Доплера – изменение
/ , длины частоты волны вызванное движением или . источника волны или приемника волны Этот эффект
: присущ и звуковым волнам все слышали как ? приближается и удаляется автомобиль Тоже эффект
Доплера, , сначала мы слышим звук высокой частоты потом когда машина поравнялась с нами естественный
, .звук машины а затем более низкий
Представим себе что находимся в море на
, корабле корабль стоит не подвижно и
, его качает на волнах, 1 1 ну скажем раз за
( секунду верхний). фрагмент
zelobservatory.ru
, Представим что мы на космическом корабле . улетаем от нашего Солнца с большой скоростью
Также эффект Доплера проявляется и для . , небесных тел Например звезды бывают разного
, – , , цвета наше Солнце желтого а бывают голубые, .оранжевые красные и так далее
/ Согласно эффекту Доплера длина э м волны от нашего Солнца увеличивается / и по шкале э м
сдвигается в сторону красного – цвета Солнце . становится красноватым Мы
остановились и полетели
, обратнонакатываемся
, на волну и видим что цвет
Солнца ушёл впротивоположн
ую сторону – спектра в -сине
. фиолетовую
Пример с удаляющимся и с приближающимся
Солнцем
zelobservatory.ru
Измеряя смещение длины волны вызванное эффектом Доплера астрономы узнают о скорости движения
– , далеких небесных тел звезд, .туманностей галактик
ЭффектДоплера на примере убегающей галактики( ) ( )середина и приближающейся внизу
zelobservatory.ru
… БлагоДаримза! внимание