Физика земли и космоса.

Эта популярная книга излагает в общедоступной форме вопросы физики и астрономии, так или иначе связанные с завоеванием космоса. Научное содержание книги богато и разнообразно. Автор обладает широкой и разносторонней эрудицией и вводит читателя в курс современного состояния науки. Уровень изложения не требует от читателя специальной подготовки. Книга написана ясным языком и прекрасно иллюстрирована. Она будет интересна и полезна широкому кругу читателей, в том числе школьникам старших классов.

Физика как наука о природе призвана помочь человеку в достижении великой цели: досконально изучить природу, проникнув в ее сокровеннейшие уголки и охватив весь огромный мир в целом. Физика не ставит границ нашему познанию мира и не отшатывается от необычайного. Для нее существует лишь один авторитет — реальные факты и явления, наблюдаемые человеком. Свободная от идолопоклонства и условностей, физика использует абсолютно все возможности разума и признает только те законы природы, которые можно установить при помощи наблюдений и эксперимента. Поэтому физические законы — это та же действительность, но выраженная в наиболее четкой форме. С течением времени стало ясно, что законы физики образуют единое большое целое. Уже давно поле деятельности физики не ограничивают стены лаборатории и стол экспериментатора. При помощи спектрографов, мощных телескопов и искусственных спутников физика проникает в глубины Вселенной. Эта наука поразительно любопытна. Космонавты — посланцы советских и американских ученых — ныне уже исследуют тайны космоса за пределами Земли. Разумеется, в этом деле нельзя проявлять легкомыслие и бросаться в космический океан без достаточной подготовки.

Поэтому физические условия в космическом пространстве скрупулезно изучаются с поверхности Земли со всей возможной точностью. Давайте и мы познакомимся с теми закономерностями, которые господствуют в космосе. Но правильно понять их мы сможем только в том случае, если основательно разберемся в некоторых основных физических законах, так как именно в понимании вещей, кажущихся очевидными, за последние десятилетия произошли кое-какие изменения.

Кроме того, автору хотелось бы сделать изучение физики возможно доступнее для любознательных. Для этого мы постараемся показать на конкретных примерах, как можно объяснить во всех деталях действующие в космосе закономерности, и применить общие физические законы для решения чисто «космических» вопросов. При этом мы умышленно будем избегать гораздо более «простого» способа, который заключается в преподнесении читателю готовых результатов и ошеломляющих цифр. Читатель, который действительно хочет понять суть дела, должен не слепо доверять печатному тексту, а самостоятельно сделать расчет и убедиться, что все правильно. В большинстве случаев для этого не потребуется высшей математики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физика в космосе

Подготовил

ученик 8"Б" класса

Семенихин Константин

Преподаватель: Неретина И.В.

Введение

1. Историческая справка

2. Физика в космосе

2.2 Инерция в космосе

2.3 Притяжение Луны Землёй

2.4 Температура в космосе

Заключение

Литература

Введение

Много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полете к звездам. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к звездам оставалась все такой же несбыточной, как тысячи лет назад.

Средства для таких полетов, предлагавшиеся народной фантазией, были примитивны: колесница, влекомая орлами, крылья, прикрепленные к рукам человека. Предлагались разные средства для осуществления космического полета.

Писатели фантасты упоминали и ракеты. Однако эти ракеты были технически необоснованной мечтой. Ученые за многие века не назвали единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство.

1. Историческая справка

День 12 апреля 1961 г стал днём освоения космоса. В 9:07 по московскому времени со стартовой площадки №1 космодрома Байконур был запущен космический корабль "Восток-1" с первым в мире космонавтом на борту - Юрием Гагариным. Совершив один виток вокруг Земли и проделав путь в 41 тыс. км приземлился спустя 90 минут после старта, Первый полёт человека в космос управлялся с Земли, сам Гагарин являлся скорее пассажиром, хотя и великолепно подготовленным.

Нужно отметить, что условия полёта были далеки от тех, что предлагаются ныне космическим туристам: Гагарин испытывал восьми-десятикратные перегрузки, был период, когда корабль буквально кувыркался, а за иллюминаторами горела обшивка и плавился металл. В течение полёта произошло несколько сбоев в различных системах корабля, но к счастью, космонавт не пострадал.

2. Физика в космосе

2.1 Вращение Земли. Маятник Фуко

Более 500 лет назад польский астроном Николай Коперник впервые показал, что Земля вращается. Однако наглядно доказать это трудно. Хотя окружная скорость земной поверхности и достигает на экваторе огромной цифры - 465 метров в секунду, но мы не замечаем ее, так как сами вращаемся вместе с Землей. Важнейшее проявление вращения Земли - смена дня и ночи не являлось прямым подтверждением этого явления.

До Коперника предполагали, что Земля неподвижна, а вращаются миры, окружающие ее. Другие проявления вращения Земли, как, например, отклонение течения рек и искривление направления постоянных ветров, дующих в тропическом поясе, становятся заметными лишь при длительных наблюдениях и, очевидно, не могут наглядно подтвердить вращение Земли. Доказательство этого факта было дано спустя три столетия после открытия Коперника, когда Фуко в 1851 году подвесил свой маятник под куполом парижского Пантеона.

В 1931 году в Ленинграде, в здании бывшего Исаакиевского собора, также был установлен маятник Фуко. Этот маятник представляет собой тяжелый (54 кг) шар с длинным острием. Он подвешен на тонкой проволоке, которая укреплена под куполом собора на высоте 98 метров в стакане с шарикоподшипником, что не позволяет проволоке закручиваться. На полу, под маятником, расположены сектора, размеченные на градусы. Опыт Фуко основан на свойстве маятника сохранять все время одну и ту же плоскость качания, как бы ни поворачивалась опора его подвеса.

Перед началом опыта острие шара устанавливают над чертой сектора, обозначенной как О градусов, и, отведя шар в сторону, привязывают тонкой ниткой, которую затем пережигают. После этого маятник начинает качаться в неизменной плоскости с периодом колебаний в 20 секунд. Примерно через 5 минут сектор под маятником поворачивается на 1 градус против часовой стрелки, что и определяет направление и угловую скорость вращения Земли. Из приведенного описания легко установить основной недостаток опыта Фуко: демонстрировать его можно только в очень высоких помещениях, так как с уменьшением размеров маятника отклонение плоскости качания от начального положения за ограниченный промежуток времени становится все менее заметным.

Со дня первого опыта Фуко ученым не удалось предложить новых наглядных пособий и методов доказательства вращения Земли, хотя делались многочисленные попытки создать для этого специальные приборы. Упомянем хотя бы о многократно повторявшемся опыте падения тел с высоты, при котором тело отклоняется к востоку, то есть по направлению вращения Земли. Однако величина этого отклонения невелика. Например, при высоте 85 метров в средних широтах она составляет всего около 10 миллиметров. Таким образом, этот опыт для наглядной демонстрации непригоден. Изучение вращения Земли продолжает оставаться актуальным и для наших дней. Это необходимо для атеистической пропаганды, для астрономических наук, а в школах и институтах - для физических опытов. В течение ряда лет мы работали над созданием наглядных приборов, которые могли бы показать суточное вращение Земли. Приборы, сконструированные нами, отличаются от маятника Фуко в основном тем, что не отстают от вращающейся Земли, а обгоняют ее. Опишем кратко устройство некоторых из них.

Основным таким прибором является вращающийся маятник. Его главная часть - прямоугольная рамка, опирающаяся на два острия. Внутри рамки на горизонтальной оси может вращаться стержень с двумя равными грузами. В движение он приводится двумя пружинами. Для регистрации поворота прибора к рамке прикреплена стрелка. Чтобы привести прибор в действие, стержень вращают рукой до полного растяжения пружин. Затем он устанавливается горизонтально и привязывается к рамке тонкой ниткой. Через несколько секунд стрелка перестает дрожать, следовательно, прибор относительно вращающейся Земли не перемещается. Его пуск осуществляется простым пережиганием нитки. Под действием пружин стержень начинает вращаться, и через 15-20 секунд, как только он разовьет достаточное для преодоления трения в центрах рамки число оборотов, прибор обгоняет вращающуюся Землю. Наблюдатели регистрируют это движение по отклонению стрелки от начального положения. Таким образом, обнаруживается вращение Земли и направление этого движения против часовой стрелки. Весь процесс, включая завод маятника, занимает не более 4-5 минут.

Действие прибора основано на известном в физике законе сохранения момента количества движения в случае вращения тел. Согласно этому закону, произведение веса каждой частицы тела на расстояние от оси вращения и на скорость должно оставаться постоянным. В нашем приборе расстояние грузов на стержне от вертикальной оси имеет наибольшее значение при горизонтальном положении стержня, то есть в момент пережигания нити, и наименьшее значение в то время, когда он проходит через вертикаль. До пережигания нити стержень, участвуя во вращении Земли, имеет угловую скорость относительно вертикальной оси, равную скорости вращения Земли. После того как нить пережигается, расстояние грузов от вертикальной оси меняется, но остается всегда меньше, чем при пуске прибора. Поэтому такое уменьшение расстояния сопровождается увеличением угловой скорости грузов и всего прибора относительно Земли. В результате прибор обгоняет Землю и поворачивается вокруг вертикальной оси на некоторый угол, указываемый стрелкой. При высоте в 2400 миллиметров и весе 9 килограммов (в том числе вес грузов 3 килограмма) скорость вращения рамки прибора превышает скорость вращения Земли примерно в 15 раз. Это значит, что при непрерывном вращении стержня с грузами, например, от электродвигателя, рамка прибора на широте Ленинграда сделает в сутки полных 13 оборотов. При увеличении высоты до 3000 миллиметров с соответственным увеличением веса грузов скорость вращения прибора превысит скорость вращения Земли примерно в 25 раз, что еще более увеличит наглядность опыта. Вращающийся маятник выгодно отличается от маятника Фуко своими незначительными размерами, позволяющими устанавливать его в небольшом помещении, краткостью времени, в течение которого влияние суточного вращения Земли на прибор становится заметным наблюдателям, и, наконец, его невысокой стоимостью. Однако вращающийся маятник неудобен тем, что его необходимо заводить перед пуском.

Это может быть устранено заменой пружинного привода электродвигателем. Разработанный нами другой прибор - качающийся маятник - основан на принципе действия вращающегося маятника, но отличается от него отсутствием пружин. Кроме того одинаковые грузы в нем заменены грузами разного веса. Перед демонстрацией стержень с грузами также привязывают нитью к рамке, затем нить пережигают, и прибор действует аналогично вращающемуся маятнику. Его отличие от маятника Фуко заключается в том, что он имеет негибкий стержень, который может качаться лишь в плоскости рамы, поэтому вращение Земли вызывает вращение всей рамы в центрах, вокруг вертикальной оси. Вращающийся и качающийся маятники нашей конструкции установлены и демонстрируются в Московском планетарии. Следует отметить, что эти приборы позволяют непосредственно измерить силы, возникающие при движении всех тел на вращающейся Земле.

Для того чтобы выполнить такое измерение, на вертикальную ось рамки прибора в направлении против часовой стрелки наматывается нить, которая затем перекидывается через блок. К концу нити привязывается гиря весом в 5-10 граммов. Таким образом на оси маятника создается дополнительный момент сил, увеличивающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при работе прибора отклоняется на угол, значительно больший, чем при пуске без гири. Затем та же нить наматывается на ось в направлении по часовой стрелке, и создается момент сил, уменьшающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при этом отклоняется на угол, значительно меньший, чем при пуске с гирей в первом опыте. По разности углов отклонения стрелки и весу гири можно легко определить величину сил, возникающих от вращения Земли.

2.2 Инерция в космосе

Инерция - неотъемлемое свойство движущейся материи. Галилео Галилей первый объяснил явление инерции. Исаак Ньютон сформулировал "закон инерции": всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока действия со стороны других тел не изменят этого состояния.

Если бы не было инерции.

Представим на минуту, что произошло бы в мире, если бы мгновенно исчезло свойство тел, которое мы называем инерцией. Луна упала бы на Землю. Планеты упали бы на Солнце, движение тела могло бы осуществляться только под действием силы и прекращалось бы с исчезновением последней. Таким образом, инерция - выражение единства материи и движения. Земля является лишь одним из миллиардов небесных тел в бесконечной Вселенной. Нашим ближайшим соседом в космосе и одновременно единственным естественным спутником является Луна (d=3475 км, от Земли Луна удалена в среднем примерно на 385 000 км). Двигаясь по инерции, Луна должна удаляться от Земли. Почему же этого не происходит?

2.3 Притяжение Луны Землёй

В 1687 г. Исаак Ньютон впервые нашел обоснованное объяснение тому, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а Луна - вокруг Земли. Согласно хорошо известной всем легенде, Ньютон однажды сидел в саду и увидел падающее с дерева яблоко. Он спросил себя, почему яблоко упало на землю, а Луна на неё не падает? Учёный увлёкся этой простой лишь на первый взгляд проблемой, тесно связанной с Галилеевым законом свободного падения, и пришел к понятию силы тяготения. Упавшее на Землю яблоко навело его на мысль, что одна и та же сила притягивает яблоко к земле и удерживает Луну на её орбите вокруг Земли. Мы называем эту силу гравитацией, силой тяжести или силой земного притяжения. Если эта красивая история про яблоко - правда, то именно это яблоко было самым важным в истории науки.

Луна притягивается к Земле на 0,0013 м/сек. Но Луна также движется по инерции, на 1,3 мм/сек отдаляясь от земли. В результате движения складываются и Луна движется по траектории, близкой к окружности.

2.4 Температура в космосе

Температура - одно из фундаментальных понятий в физике, она играет огромную роль в том, что касается земной жизни любых форм. При очень высоких или очень низких температурах различные вещи могут вести себя очень странно. Предлагаем вам узнать о ряде интересных фактов, связанных с температурами.

Какая температура самая высокая?

Самая высокая температура, которую создал человек, составила 4 миллиарда градусов Цельсия. Трудно поверить, что температура вещества может достичь такого невероятного уровня! Эта температура в 250 раз выше температуры ядра Солнца.

Невероятный рекорд был поставлен в Естественной Лаборатории Брукхэвена в Нью-Йорке в ионном коллайдере, длина которого - около 4 километров. Ученые заставили столкнуться ионы золота, пытаясь воспроизвести условия Большого взрыва, создав кварк-глюонную плазму. В таком состоянии частицы, которые составляют ядра атомов - протоны и нейтроны, взрываются.

Самая низкая температура, которую удалось достичь в искусственных условиях - 100 пико Кельвинов или 0.0000000001 K. Чтобы добиться такой температуры, необходимо воспользоваться магнитным охлаждением. Также подобных низких температур можно добиться, используя лазеры.

При таких температурах материал ведет себя вовсе не так, как при обычных условиях.

Экстремальная температура в Солнечной Системе.

Температура среды в Солнечной системе отличается от той, к которой мы привыкли на Земле. Наша звезда Солнце невероятно горячая. В ее центре температура составляет около 15 миллионов Кельвинов, а поверхность Солнца имеет температуру всего около 5700 Кельвинов.

Температура в ядре нашей планеты составляет примерно столько же, сколько температура поверхности Солнца. Самая горячая планета Солнечной системы - Юпитер, температура ядра которого в 5 раз выше, чем температура поверхности Солнца.

Самая холодная температура в нашей системе зафиксирована на Луне: в некоторых кратерах в тени температура составляет всего 30 Кельвинов выше абсолютного нуля. Эта температура ниже, чем температура Плутона!

Самое холодное место в космосе.

Выше было сказано, что межзвездное пространство прогревается реликтовым излучением, а потому температура в космосе по Цельсию не опускается ниже минус 270 градусов. Но оказывается, могут существовать и более холодные участки. В 1998 году телескоп Хаббл обнаружил газо-пылевое облако, которое стремительно расширяется. Туманность, названная Бумерангом, образовалась вследствие явления, известного как звездный ветер. По оценкам ученых, температура в туманности Бумеранг составляет всего один градус по шкале Кельвина, или -272 °C. Это самая низкая температура в космосе, которую на данный момент удалось зафиксировать астрономам. Туманность Бумеранг находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли. Наблюдать ее можно в созвездии Центавра.

2.5 Реактивное движение. Импульс

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении от тела его части с некоторой относительно тела скоростью.

При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело в сторону, противоположную направлению движения отделяющейся от него части тела.

Реактивное движение совершает ракета (рис. 1). Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания. В одной из ее стенок имеется отверстие - реактивное сопло, предназначенное для выхода газа, образующегося при сгорании топлива. Высокая температура и давление газа определяют большую скорость истечения его из сопла.

космос физика луна инерция

До работы двигателя импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей геометрическая сумма импульсов ракеты и истекающих газов равна нулю:

где - масса и скорость выбрасываемых газов, - масса и скорость ракеты.

В проекции на ось Oy

скорость ракеты.

Эта формула справедлива при условии небольшого изменения массы ракеты.

Главная особенность реактивного движения состоит в том, что ракета может как ускоряться, так и тормозиться и поворачиваться без какого-либо взаимодействия с другими телами в отличие от всех других транспортных средств.

Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.

Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение.

Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.

Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.

Заключение

На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.

Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.

Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике-это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом-не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные "кирпичики" вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое-здесь все переплелось. Как хитро устроена природа! Она как масштабная линейка, завязанная в узел. Поди разберись, где тут начало! Из чего состоят протон и нейтрон? Есть ли что-нибудь еще глубже, меньше? И вообще, может ли быть предел делимости материи? Что творилось в нашей Вселенной, когда она была еще совсем юной и ее размеры были в миллиарды миллиардов раз меньше атома? Что такое античастицы и существуют ли миры из антивещества? Масса вопросов, и каждый из них тянет за собой вереницу новых, про которые и самим ученым еще далеко не все ясно. Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя…

"Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать". Эти слова, сказанные Галилеем три с половиной столетия назад, нисколько не устарели.

Литература

1. "Беседы по физике" М.И. Блудов

2. Изд. "Просвещение" 1984 г. "Космос у тебя дома" Ф. Рабиза

3. Изд. "Детская литература" 1984 г. Серия "100 человек, которые изменили ход истории"

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

История освоения космоса. Учёные-первопроходцы, занимающиеся его изучением и их открытия. Доказательство вращения Земли с помощью маятника Фуко. Использование явления инерции в космосе. Закон всемирного тяготения. Вращение космической системы Луна-Земля.

презентация , добавлен 13.12.2015

Рассмотрение истории развития и предметов исследования нанотехнологии, биофизики (физические аспекты существования живой природы), космической биологии, астробиологии (иные формы жизни в космосе) и геофизики (строение Земли с точки зрения физики).

реферат , добавлен 30.03.2010

Импульс тела и силы. Изучение закона сохранения импульса и условий его применения. Исследование истории реактивного движения. Практическое применение принципов реактивного движения тела в авиации и космонавтике. Характеристика значения освоения космоса.

презентация , добавлен 19.12.2012

Процессы, которые происходят при взаимодействии тел. Закон сохранения импульса, условия применения. Основа вращения устройства "сигнерова колеса". История проекта ракеты с пороховым двигателем. Технические характеристики корабля-спутника "Восток-1".

презентация , добавлен 06.12.2011

Изучение механических колебаний физиками и астрономами древности. Галилео Галилей - основоположник точного естествознания. Теория колебаний и маятниковые часы Христиана Гюйгенса. Опыт Фуко с маятником как доказательство вращения Земли вокруг своей оси.

презентация , добавлен 23.03.2012

Развитие физики. Материя и движение. Отражение объективной реальности в физических теориях. Цель физики - содействовать покорению природы человеком и в связи с этим раскрывать истинное строение материи и законы её движения.

реферат , добавлен 26.04.2007

Реактивное движение - движение тела, обусловленное отделением от него с некоторой скоростью какой-то его части. История создания реактивного двигателя, его основные элементы и принцип работы. Физические законы Циолковского, устройство ракеты-носителя.

презентация , добавлен 20.02.2012

Секрет летающей тарелки или противоречия в некоторых умах. Законы сохранения. Главные законы физики (механики): три Закона Ньютона и следствия из них - законы сохранения энергии, импульсов, моментов импульсов.

статья , добавлен 07.05.2002

Почему упало яблоко? В чем состоит закон тяготения? Сила всемирного тяготения. "Дыры" в пространстве и времени. Роль масс притягивающихся тел. Почему гравитация в космосе не такая, как на земле? Движение планет. Ньютоновская теория гравитации.

курсовая работа , добавлен 25.04.2002

Предмет и задачи механики – раздела физики, изучающего простейшую форму движения материи. Механическое движение - изменение с течением времени положения тела в пространстве относительно других тел. Основные законы классической механики, открытые Ньютоном.

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Участник: Терехова Екатерина Александровна
Руководитель: Андреева Юлия Вячеславовна

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Введение

У многих стран есть долгосрочные программы по освоению космоса. В них центральное место занимает создание орбитальных станций, так как именно с них начинается цепочка наиболее крупных этапов овладения человечеством космического пространства. Уже осуществлен полет на Луну, успешно проходят многомесячные полеты на борту межпланетных станций, автоматические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 20-30 лет возможности космонавтики еще более возрастут.

Многие из нас в детстве мечтали стать космонавтами, но потом задумались о более земных профессиях. Неужели отправиться в космос - это несбыточное желание? Ведь уже появились космические туристы, возможно, когда-нибудь в космос сможет полететь любой, и детской мечте суждено будет сбыться?

Но если мы полетим в космический полет, то столкнемся с тем, что длительное время придется находиться в состоянии невесомости. Известно, что для человека, привыкшего к земной тяжести, пребывание в этом состоянии становится тяжелым испытанием, и не только физическим, ведь многое в невесомости происходит совсем не так, как на Земле. В космосе проводятся уникальные астрономические и астрофизические наблюдения. Находящиеся на орбите спутники, космические автоматические станции, аппараты требуют специального обслуживания или ремонта, а некоторые отработавшие свой срок спутники необходимо ликвидировать или возвращать с орбиты на Землю для переделки.

Пишет ли в невесомости перьевая ручка? Можно ли в кабине космического корабля измерить вес с помощью пружинных или рычажных весов? Вытекает ли там вода из чайника, если его наклонить? Горит ли в невесомости свеча?

Ответы на подобные вопросы содержатся во многих разделах, изучаемых в школьном курсе физики. Выбирая тему проекта, я решила свести воедино материал по данной теме, который содержится в разных учебниках, и дать сравнительную характеристику протекания физических явлений на Земле и в космосе.

Цель работы : сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Задачи:

Составить список физических явлений, ход течения которых может отличаться.
Изучить источники (книги, интернет)
Составить таблицу явлений

Актуальность работы: некоторые физические явления протекают по разному на Земле и в космосе, а некоторые физические явления лучше проявляются в космосе, где нет гравитации. Знание особенностей процессов может быть полезно для уроков физики.

Новизна: подобные исследования не проводились, но в 90-х на станции «Мир» был снят учебные фильм о механических явлениях

Объект : физические явления.

Предмет: сравнение физических явлений на Земле и в космосе.

1. Основные термины

Механические явления - это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).

Тепловые явления - это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).

Электрические явления - это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния).

Показать, как происходят явления на Земле - легко, но как можно продемонстрировать те же явления в невесомости? Для этого я решила использовать фрагменты из серии фильмов «Уроки из космоса». Это очень интересные фильмы, отснятые в свое время еще на орбитальной станции «Мир». Настоящие уроки из космоса ведет летчик-космонавт, герой России Александр Серебров.

Но, к сожалению, мало кто знает про эти фильмы, поэтому еще одной из задач создания проекта была популяризация «Уроков из космоса», созданных при участии ВАКО «Союз», РКК «Энергия», РНПО «Росучприбор».

В невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной.

Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью. Невесомость, или отсутствие веса у предмета наблюдается в том случае, когда в силу каких-либо причин исчезает сила притяжения между этим предметом и опорой, или когда исчезает сама опора. простейший пример возникновения невесомости - свободное падение внутри замкнутого пространства, то есть в отсутствии воздействия силы сопротивления воздуха. Скажем падающий самолет сам по себе притягивается землей, но вот в его салоне возникает состояние невесомости, все тела тоже падают с ускорение в одну g, но это не ощущается - ведь сопротивления воздуха нет. Невесомость наблюдается в космосе, когда тело движется по орбите вокруг какого-нибудь массивного тела, планеты. Такое круговое движение можно рассматривать как постоянное падение на планету, которое не происходит благодаря круговому вращению по орбите, а сопротивление атмосферы также отсутствует. Мало того, сама Земля постоянно вращаясь по орбите падает и никак не может упасть на солнце и если бы мы не ощущали притяжение от самой планеты, мы оказались бы в невесомости относительно притяжения солнца.

Часть явлений в космосе протекает точно так же как и на Земле. Для современных технологий невесомость и вакуум не являются помехой... и даже наоборот - это предпочтительно. На Земле нельзя достичь таких высоких степеней вакуума, как в межзвездном пространстве. Вакуум нужен для защиты обрабатываемых металлов от окисления, а металлы не расплавляются, вакуум не вызывает помех движению тел.

2. Сравнение явлений и процессов

Земля	Космос
1.Измерение масс
	Использовать нельзя
	Использовать нельзя
	Использовать нельзя
2.Можно ли натянуть верёвку горизонтально?
Верёвка всегда провисает из-за силы тяжести.	Верёвка всегда свободна
3. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
На Земле все капли немного сплющены из-за гравитационной силы.	Выполняется хорошо на коротких промежутках времени, либо в подвижном состоянии.
4.Воздушный шарик
летит вверх	Не полетит
5. Звуковые явления
	В открытом космосе звуки музыки не будут слышны т.к. для распространения звука нужна среда (твёрдая, жидкая, газообразная).

	Пламя свечи будет круглым т.к. нет конвекционных потоков
7. Использование часов
	Да, работают, если известны скорость и направление космической станции. На других планетах тоже работают
	Использовать нельзя
В. Механические часы маятниковые	Использовать нельзя. Можно использовать часы с заводом, с батарейкой
Г. Электронные часы	Можно использовать
8. Можно ли набить шишку
	Можно
9. Термометр работает	работает
Тело съезжает по горке из-за силы тяжести	Предмет останется на месте. Если толкнуть, то можно будет прокатиться до бесконечности, даже если горка закончилась
10. Можно ли вскипятить чайник?
	Т.к. нет конвекционных потоков, то нагреется только дно чайника и вода около него. Вывод: необходимо использовать микроволновку
12. Распростронение дыма
	Дым не может распространяться, т.к. нет конвекционных потоков, распределение не будет происходить из-за диффузии
Манометр работает	Работает
Растяжение пружины. Да, растягивается	Нет, не растягивается
Ручка шариковая пишет	Ручка не пишет. Пишет карандаш

Вывод

Я сопоставила протекания физических механических явлений на Земле и в космосе. Данная работа может использоваться для составления викторин и конкурсов, для уроков физики при изучении некоторых явлений.

В ходе работы над проектом я убедилась, что в невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной. Это стало главным выводом нашей работы и таблицы, которая у меня в итоге получилась.

краткое содержание других презентаций

«Задачи на сохранение импульса» - План решения задач на закон сохранения импульса. Решите самостоятельно. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Определите знаки проекций импульсов. Импульсы орудия и снаряда. Импульс системы точек. Какую скорость приобретёт лежащее на льду чугунное ядро. Какова скорость вагонов. Человек. Скорость вагонетки. Путь лодки.

«Метеостанция» - Изучение работы метеостанции. Замерительная рейка. Прибор. Закрытые излучатели. Атмосферное давление. Термометры. Результаты. Опросы. Флюгер. Барометр. Сообщения о погоде. Служба погоды. Психометрические таблички. Лента Гелиографа. Барограф. Анеморумбометр. Гигрометры внутри будки. Замеры температуры. Ледоскоп. Наблюдения по измерению скорости и направления ветра. Психометрическая будка. Гелиограф.

«Распространение звуковых волн» - Звуковые волны. Знания о звуке. Механические упругие волны. Источники звука. Звуковая волна. Причина появления звука. Скорость звука. Средство передачи информации. Вопрос. Что такое звук. Передача звука. С помощью речи люди общаются. Распространение звуковых волн. Объект. Звук является средством обмена информацией. Почему эхо не всегда можно услышать. Мир звуков. Звук. Звук обладает свойством огибать препятствия.

«Механика «Резонанс»» - Резонанс. Резонансная частота. Эффект резонанса. Струна. Резонансные явления. Ускорение свободного падения. Определение резонанса. Частота зависит от скорости. Частота главного резонанса. Механика. Скорость распространения волны.

«Задачи «Магнитное поле»» - Магнитная стрелка. Определить направление силы Ампера. Токи противоположных направлений. Электрические заряды. Правило левой руки. Направление силы. Определить направление тока. Картина магнитных линий прямого тока. Определить направление тока в проводнике. Изменится сила Ампера. Два параллельных проводника. Электрическое поле. Как будут взаимодействовать друг с другом два параллельных проводника.

«Камера Вильсона» - Назначение прибора. Устройство. Усовершенствование. Принцип роботы. Емкость. Камера Вильсона. Изобретатель прибора. Значение. Камера. Вильсон.

ФИЗИКА ЗЕМЛИ И КОСМОСА

Земля - это не только поверхность и вся масса нашей планеты. Атмосфера - эта гигантская воздушная оболочка земного шара - тоже Земля. И космос вокруг нас на многие сотни и даже тысячи километров для ученых - тоже Земля. Правда, до сих пор идут споры о том, где истинная граница Земли, где граница атмосферы, где кончается околоземной космос. И споры эти едва ли кончатся скоро - ведь все зависит от тех свойств, по которым будут определять границу атмосферы. По некоторым из них, например по возможности жизнедеятельности человека, атмосфера кончается на высоте 11–12 км, по другим, например по наличию молекул воздуха, границей атмосферы считают высоту 1000 км.

Так или иначе, но одна из древнейших наук - геофизика - распространяет свои владения далеко за пределы наших обычных представлений о планете Земля.

Основными разделами геофизики до сих пор считались физика Земли и физика атмосферы (метеорология). Физика Земли изучает происхождение, внутреннее строение планеты и различные процессы в ее массе и на ее поверхности (землетрясения, ледниковые явления и др.).

Как известно, главной задачей метеорологии является краткосрочное и дальнее прогнозирование погоды, а в будущем - изыскание методов воздействия на атмосферные явления, т. е. управление погодой. Но с выходом человека в космос целый ряд проблем, бывших ранее предметом теоретических исследований физики Земли, выделился в самостоятельный раздел геофизики - физику космоса. С помощью ракет, искусственных спутников и космических кораблей уже сейчас ведется обширное изучение свойств околоземного космоса, в том числе различных полей Земли - гравитационного, магнитного, радиационного и др. Но это только начало. Создание орбитальных космических станций позволит значительно расширить исследовательские работы по изучению околоземного пространства и космоса. Так, например, орбитальные лаборатории позволят получить постоянно меняющуюся картину распределения температур и давлений, а также химического состава газа на различных высотах. Будут продолжаться исследование распределения электронной концентрации с высотой и изучение концентрации положительных ионов в ионосфере, магнитные измерения в различных частях околоземного пространства.

Атмосфера, изолирующая Землю от воздействия космического пространства и «дающая» нам погоду, сама по себе не является чем-то застывшим. В ней непрерывно происходят различные процессы, зависящие не только от свойств поверхности Земли, но и от явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве, а также от деятельности Солнца.

Для космических полетов человека особенно важно знать распределение радиационных поясов вокруг Земли и изменение интенсивности первичного космического излучения, а также корпускулярного и коротковолнового излучения Солнца, которые влияют на состав верхних слоев атмосферы и процессы, происходящие в них. Для тех же целей необходимо постоянно исследовать потоки метеорных тел в околоземном пространстве и их состав.

До сих пор человек наблюдал за атмосферными процессами главным образом с поверхности Земли, т. е. как бы с одной стороны. Служба погоды охватывала огромные площади поверхности Земли с помощью густой сети метеорологических станций и сложной системы оповещения, обработки и передачи информации. Правда, с помощью высокогорных метеорологических станций, шаров-зондов, самолетов, а также с помощью прожекторных, звукометрических и радиометодов исследователи уже давно «заглядывают» внутрь атмосферы.

В последнее время на службу метеорологии пришли ракеты. Особенно широко исследования атмосферы с помощью ракет проводились во время Международного геофизического года (1957–1958 гг.), когда только в Советском Союзе было запущено более 100 геофизических и метеорологических ракет.

Однако геофизические ракеты не могут дать полного представления о состоянии верхних слоев атмосферы. Такая задача по плечу лишь космической технике. Космические лаборатории позволят глубоко изучить облачный покров Земли, исследовать образование и движение различных видов облаков, оценить степень покрытия ими поверхности Земли в зависимости от различных факторов, провести изучение поведения ветров на различных высотах. Здесь предстоит раскрыть еще много белых пятен, утвердить или отвергнуть многие научные гипотезы. Так, быть может, удастся проверить гипотезу, согласно которой микрометеориты и космическая пыль, постепенно оседая к поверхности Земли, играют роль центров конденсации (дождь) или кристаллизации (снег) в атмосфере.

Предельно повысить точность прогнозирования погоды - вот главная задача будущих ОКС - геофизических обсерваторий в космосе.

Каковы же методы геофизических и метеорологических исследований, которые могут быть применены на орбитальной космической станции?

Прежде всего наблюдение и фотографирование, в том числе в инфракрасных лучах земной поверхности и облачного покрова с высоты оpбиты спутника. Это даст возможность обнаружить зарождение дождей, гроз, снегопадов, ураганов, бурь и т. д., а также следить за их развитием и перемещением. Накопленный опыт поможет в дальнейшем понять причины образования циклонов.

Кстати, аэрофотосъемка с борта орбитальной станции, которую можно будет назвать космофотосъемкой, позволит постоянно расширять и уточнять картографию нашей планеты. Съемка может производиться с помощью не только фототехники, но и инфракрасной аппаратуры и радиолокаторов, которые позволят преодолевать облачный покров и довольно значительную непрозрачность атмосферы. Съемки из космоса дадут возможность быстро уточнять и дополнять геофизические карты в связи с возникновением новых городов, каналов, водохранилищ, железных дорог, автострад, мостов и других искусственных сооружений. Как известно, одной из задач геодезии является точное определение размеров и расстоянии на поверхности Земли. При этом обычно применяется старинный способ земных измерений - триангуляция . Этот метод, сущность которого сводится к построению воображаемых треугольников на поверхности Земли, довольно сложен и требует больших затрат. Космические средства могут существенно облегчить пользование этим методом, позволяя охватить всю поверхность Земли и значительно повысить точность измерений.

Главное в триангуляции - это точное знание координат, так называемых базисных линий. Измерять расстояния с помощью спутника Земли можно визированием его либо одновременно с двух базисных линий, проходящих через точки на границах измеряемого расстояния (рис. 2, а), либо независимо в разных точках орбиты (рис. 2, б). Второй метод не требует очень больших высот орбиты (до 1000 км) и позволяет вычислять расстояния с точностью в несколько раз большей, чем при одновременном фиксировании по первому методу.

Рис. 2. Использование космической станции для триангуляции поверхности Земли:

а - одновременный метод; б - орбитальный метод; 1 - положение станции на орбите; 2 - базовая линия; 3 - орбита)

Триангуляция поверхности Земли с помощью космических средств позволит получить точные расстояния между континентами и с большой точностью определить положение островов в океанах. Замеры из космоса могут дать точность измерений до 10–20 м , в то время как точность обычных способов всего лишь около 100 м.

Космические лаборатории окажут неоценимую услугу и геологам в изучении состава земной коры, неоднородности ее массы. Обследование гравитационных и магнитных аномалий поможет открыть новые залежи различных полезных ископаемых.

Научная космическая станция даст возможность ученым выяснить влияние на климат Земли процессов, происходящих в ледниках.

Из книги Творчество как точная наука [Теория решения изобретательских задач] автора Альтшуллер Генрих Саулович

ФИЗИКА - КЛЮЧ К СИЛЬНЫМ ИЗОБРЕТЕНИЯМ Нетрудно заметить: на макроуровне преобладают простые комбинационные приемы (разрезать, перевернуть, соединить и т. д.), на микроуровне в состав сложных приемов почти всегда входят физические эффекты и явления. На микроуровне мир

Из книги Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] автора Турчин Валентин Фёдорович

13.1. Экспериментальная физика На рубеже XVI и XVII столетий, когда закладывались основы новой математики, были заложены также основы экспериментальной физики. Ведущая роль принадлежит здесь Галилею (1564–1642), который не только сделал многочисленные открытия, составившие

Из книги Над картой Родины автора Михайлов Николай Николаевич

13.5. Физика микромира В физике, как и в чистой математике, по мере возрастания абстрактности теорий укоренялось понимание их языкового характера. Решающий толчок этот процесс получил после того, как в начале XX в. физика вторглась в пределы мира атомов и элементарных частиц

Из книги Вернер фон Браун: человек, который продал Луну автора Пишкевич Деннис

УЛУЧШЕНИЕ ЗЕМЛИ Крестьянин плугом чертил сельскохозяйственную карту России. Пашня из века в век наступала на девственные земли, но географический контур ее ложился неравномерно и скупо.Земледельцы, безоружные и разобщенные, не нашли сил для освоения трудных земель,

Из книги Промышленное освоение космоса автора Циолковский Константин Эдуардович

6 Продавец космоса: статьи в «Кольерс» Этот человек мог уговорить любого. Он настолько убедителен, что мог бы продавать кому угодно, что угодно, даже подержанные автомобили. Корнелиус Райан В середине XX столетия космос был вотчиной писателей-фантастов. Космические

Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

Индустриализация космоса

Из книги Человек, который летал быстрее всех автора Эверест Ф. К.

Энергия Земли* Земля. По-видимому, Земля есть область человека. Он прикован к ней силою тяжести, отделен от других земель (планет) необозримыми пустынями неба. Ни один человек, ни одно существо не отдалилось еще от Земли, не посетило еще небо, хотя оно и наполнено

Из книги Тесла против Эйнштейна автора Рыков Алексей

§ 5.20 Альтернативная физика и космология Сколько было ложных открытий, на стороне которых были люди и правдивые и авторитетные. И… - скольким пренебрегалось, что потом стало великим… Все великие начинания оказывались несвоевременными и хотя не запрещались, но, не

Из книги Завоевание природы автора Андреев Борис

ГЛАВА 13 Покорение космоса Эвис считала, что я сделал достаточно и могу спокойно уехать. Она полагала, что своей работой, связанной с постоянным риском, я внес немалый вклад в дело развития авиации. Однако она никогда не жаловалась. Она знала, что это была моя мечта, и не

Из книги Вечное движение. История одной навязчивой идеи автора Орд-Хьюм Артур

«ЯДЕРНЫЙ КЛУБ» ИМЕНИ ВЕЛИКОГО ФИЗИКА Термин «ядерный клуб» придумали геополитики. Он означает группу государств, разработавших, испытавших и имеющих на вооружении ядерное.оружие. По состоянию на 2009 год в него входят (по году первого ядерного испытания):США (1945);Россия

Из книги Очень общая метрология автора Ашкинази Леонид Александрович

I. ЧТО ТАКОЕ ФИЗИКА 1. Разговор с министром. Около ста лет тому назад в Англии жил и работал знаменитый ученый Михаил Фарадей (рис. 1). Сын простого рабочего, он сам был в молодости переплетчиком.Читая попадавшие в мастерскую книги, Фарадей заинтересовался наукой много

Из книги автора

II. ОТКУДА ВЗЯЛАСЬ ФИЗИКА. 1. Обезьяна или человек?Нередко говорят, будто человек произошел от обезьяны. Это неверно. Наука установила, что человек произошел не от обезьяны, а что и он и современные обезьяны произошли от каких-то общих предков. Но во всяком случае предок

Из книги автора

III. ФИЗИКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЖИЗНИ. 1. Человек и машина.Потребности производства создали в конце концов машину. В любой машине заложено огромное количество знаний по физике, которые использованы техникой. Построенная благодаря этим знаниям машина в высокой степени

Из книги автора

VII. ФИЗИКА И ПОЗНАНИЕ МИРА. 1. Как человек познает мир.Когда первобытный человек бродил в поисках пищи по лесам, полям, горам, по берегу моря, он знакомился с окружающим его миром. Он чутко прислушивался к каждому шуму и шороху, внимательно осматривался по сторонам, умел

Из книги автора

1. Вечное движение и физика Попытаемся рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум мобиле.Постройте машину, которая совершала бы работу, большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.Чтобы вечный двигатель мог

Из книги автора

Фундаментальные константы и «высокая физика» Одним концом метрология упирается в плевок цехового мастера на доменной печи (см. выше) и счет «бульков» при распитии «на троих», другим, - в фундаментальные константы (немного реже используется термин «мировые константы», и