умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Год - промежуток времени, в течение которого Земля делает один полный оборот вокруг Солнца относительно какого-либо ориентира (точки). Звездный год - сидерический (звездный) период обращения Земли вокруг Солнца, равный 365,256320... средних солнечных суток. Аномалистический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку своей орбиты (обычно, перигелий), равен 365,259641... средних солнечных суток. Тропический год - промежуток времени между двумя последовательными прохождениями среднего Солнца через точку весеннего равноденствия, равный 365,2422... средних солнечных суток или 365d05h48m46,1s. Всемирное время определяется как местное среднее солнечное время на нулевом (Гринвичском) меридиане. Поверхность Земли разбита на 24 участка, ограниченных меридианами - часовые пояса. Нулевой часовой пояс расположен симметрично относительно нулевого (гринвичского) меридиана. Нумерация поясов дается от 0 до 23 с запада на восток. Реальные границы поясов совмещены с административными границами районов, областей или государств. Центральные меридианы часовых поясов отстоят друг от друга ровно на 15њ (1 час), поэтому при переходе из одного часового пояса в другой время изменяется на целое число часов, а число минут и секунд не изменяется. Новые календарные сутки (и Новый год) начинаются на линии перемены даты (демаркационной линии), проходящей в основном по меридиану 180њ восточной долготы вблизи северо-восточной границы Российской Федерации. Западнее линии перемены дат число месяца всегда на единицу больше, нежели к востоку от нее. При пересечении этой линии с запада на восток календарное число уменьшается на единицу, а при пересечении линии с востока на запад календарное число увеличивается на единицу, что исключает ошибку в счете времени при кругосветных путешествиях и перемещениях людей из Восточного в Западное полушария Земли. Поясное время определяется по формуле: Tn = T0 + n , где Т0 - всемирное время; n - номер часового пояса. Декретное время - поясное время, измененное на целое число часов правительственным распоряжением. Для России равно поясному, плюс 1 час. Московское время - декретное время второго часового пояса (плюс 1 час): Tм = T0 + 3 (часа). Летнее время - декретное поясное время, изменяемое дополнительно на плюс 1 час по правительственному распоряжению на период летнего времени с целью экономии энергоресурсов. Далее следует кратко ознакомить учеников с астрономическими методами определения географических координат (долготы) местности: Вследствие вращения Земли разность между моментами наступления полдня или кульминаций звезд с известными экваториальными координатами в 2 пунктах равна разности географических долгот пунктов, что дает возможность определения долготы данного пункта из астрономических наблюдений Солнца и других светил и, наоборот, местного времени в любом пункте с известной долготой. Географическая долгота местности отсчитывается к востоку от "нулевого" (гринвичского) меридиана и численно равна промежутку времени между одноименными кульминациями одного и того же светила на гринвичском меридиане и в пункте наблюдения:  , где S - звездное время в точке с данной географической широтой, S0 - звездное время на нулевом меридиане. Выражается в градусах или часах, минутах и секундах.Чтобы определить географическую долготу местности, необходимо определить момент кульминации какого-либо светила (обычно Солнца) с известными экваториальными координатами. Переведя с помощью специальных таблиц или калькулятора время наблюдений из среднего солнечного в звездное и зная по справочнику время кульминации этого светила на гринвичском меридиане, мы без труда определим долготу местности. Единственную сложность вычислений составляет точный перевод единиц времени из одной системы в другую. Момент кульминации можно не "караулить": достаточно определить высоту (зенитное расстояние) светила в любой точно зафиксированный момент времени, но вычисления будут довольно сложными. На втором этапе урока ученики знакомятся с приборами для измерения, хранения и счета времени – часами. Показания часов служат эталоном, с которым можно сравнивать промежутки времени. Следует внимание учащихся на то, что необходимость в точном определении моментов и промежутков времени стимулировала развитие астрономии и физики: вплоть до середины ХХ века астрономические способы измерения, хранения времени и эталоны времени лежали в основе мировой Службы Времени. Точность хода часов контролировалась астрономическими наблюдениями. В настоящее время развитие физики привело к созданию более точных способов определения и эталонов времени, которые стали использоваться астрономами для исследования явлений, лежавших в основе прежних способов измерения времени. Материал излагается в виде лекции, сопровождаемой демонстрациями принципа действия и внутреннего устройства часов различного типа. 2. Приборы для измерения и хранения времени Еще в Древнем Вавилоне солнечные сутки были разделены на 24 часа (360њ : 24 = 15њ ). Позднее каждый час был разделен на 60 минут, а каждая минута на 60 секунд. Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Простейшие солнечные часы - гномон - представляют собой вертикальный шест в центре горизонтальной площадки с делениями (рис. 34). Тень от гномона описывает сложную кривую, зависящую от высоты Солнца и меняющуюся день ото дня в зависимости от положения Солнца на эклиптике, скорость движения тени тоже меняется. Солнечные часы не требуют завода, не останавливаются и всегда идут правильно. наклонив площадку так, чтобы шест от гномона был нацелен на полюс мира, мы получим экваториальные солнечные часы, в которых скорость движения тени равномерна (рис. 35).  Рис. 34. Горизонтальные солнечные часы. Углы, соответствующие каждому часу, имеют различную величину и рассчитываются по формуле:  , где a - угол между полуденной линией (проекцией небесного меридиана на горизонтальную поверхность) и направлением на числа 6, 8, 10..., указывающих часы; j - широта места; h - часовой угол Солнца (15њ , 30њ , 45њ ) Рис. 35. Экваториальные солнечные часы. Каждому часу на циферблате соответствует угол в 15њ Для измерения времени в ночное время и в ненастье изобретены песочные, огненные и водяные часы. Песочные часы отличаются простотой конструкции и точностью, но громоздки и "заводятся" лишь на короткое время.
Водяные часы (клепсидры) применялись во всех странах Древнего мира (рис. 37 а, б).
Механические часы с гирями и колесами были изобретены в Х-XI веках. В России первые башенные механические часы были установлены в московском Кремле в 1404 году монахом Лазарем Сорбиным. Маятниковые часы изобрел в 1657 году голландский физик и астроном Х. Гюйгенс. Механические часы с пружиной изобрели в XVIII веке. В 30-е годы нашего века изобрели кварцевые часы. В 1954 году в СССР возникла идея создания атомных часов - "Государственного первичного эталона времени и частоты". Они были установлены в научно-исследовательском институте под Москвой и давали случайную ошибку в 1 секунду раз в 500000 лет. Еще более точный атомный (оптический) стандарт времени был создан в СССР 1978 году. Ошибка в 1 секунду происходит раз в 10000000 лет! С помощью этих и многих других современных физических приборов удалось с очень высокой точностью определить значения основных и производных единиц измерения времени. Были уточнены многие характеристики видимого и истинного движения космических тел, открыты новые космические явления, в том числе изменения в скорости вращения Земли вокруг своей оси на 0,01-1 секунду в течение года. Далее следует ознакомить учащихся с основными типами календарей и системами летоисчисления. Материал можно излагать как в форме лекции, так и в форме беседы. 3. Календари. Летоисчисление Календарь - непрерывная система счисления больших промежутков времени, основанная на периодичности явлений природы, особенно отчетливо проявляющейся в небесных явлениях (движении небесных светил). С календарем неразрывно связана вся многовековая история человеческой культуры. Потребность в календарях возникла в такой глубокой древности, когда человек не умел еще читать и писать. Календари определяли наступление весны, лета, осени и зимы, периоды цветения растений, созревания плодов, сбора лекарственных трав, изменений в поведении и жизни животных, изменения погоды, время земледельческих работ и многое другое. Календари отвечают на вопросы: "Какое сегодня число?", "Какой день недели?", "Когда произошло то или иное событие?" и позволяют регулировать и планировать жизнь и хозяйственную деятельность людей. Выделяют три основных типы календарей: 1. Лунный календарь, в основе которого лежит синодический лунный месяц продолжительностью 29,5 средних солнечных суток. Возник свыше 30000 лет назад. Лунный год календаря содержит 354 (355) суток (на 11,25 суток короче солнечного) и делится на 12 месяцев по 30 (нечетные) и 29 (четные) суток в каждом (в мусульманском календаре они называются: мухаррам, сафар, раби аль-авваль, раби ас-сани, джумада аль-уля, джумада аль-ахира, раджаб, шаабан, рамадан, шавваль, зуль-каада, зуль-хиджжра). Поскольку календарный месяц на 0,0306 суток короче синодического и за 30 лет разница между ними достигает 11 суток, в арабском лунном календаре в каждом 30-летнем цикле насчитывается 19 "простых" лет по 354 суток и 11 "високосных" по 355 суток (2-й, 5-й, 7-й, 10-й, 13-й, 16-й, 18-й, 21-й, 24-й, 26-й, 29-й годы каждого цикла). Турецкий лунный календарь менее точен: в его 8 –летнем цикле 5 "простых" и 3 "високосных" года. Новогодняя дата не фиксируется (медленно перемещается из года в год): так, 1421 год хиджжры начался 6 апреля 2000 г. и закончится 25 марта 2001 года. Лунный календарь принят в качестве религиозного и государственного в мусульманских государствах Афганистане, Ираке, Иране, Пакистане, ОАР и других. Для планирования и регулирования хозяйственной деятельности параллельно применяются солнечный и лунно-солнечный календари. 2. Солнечный календарь, в основу которого положен тропический год. Возник свыше 6000 лет назад. В настоящее время принят в качестве мирового календаря. Юлианский солнечный календарь "старого стиля" содержит 365,25 суток. Разработан александрийским астрономом Созигеном, введен императором Юлием Цезарем в Древнем Риме в 46 г. до н.э. и распространился затем по всему миру. На Руси был принят в 988 г. н.э. В юлианском календаре продолжительность года определяется в 365,25 суток; три "простых" года насчитывают по 365 суток, один високосный - 366 суток. В году 12 месяцев по 30 и 31 день каждый (кроме февраля). Юлианский год отстает от тропического на 11 минут 13,9 секунды в год. За 1500 лет его применения накопилась ошибка в 10 суток. В григорианском солнечном календаре "нового стиля" продолжительность года составляет 365, 242500 суток. В 1582 году юлианский календарь по указу Папы Римского Григория XIII был реформирован в соответствие с проектом итальянского математика Луиджи Лилио Гаралли (1520-1576 гг.). Счет дней передвинули на 10 суток вперед и условились каждое столетие, не делящееся на 4 без остатка: 1700, 1800, 1900, 2100 и т. д. не считать високосным. Тем самым исправляется ошибка в 3 суток за каждые 400 лет. Ошибка в 1 сутки "набегает" за 2735 лет. Новые столетия и тысячелетия начинаются с 1 января "первого" года данного столетия и тысячелетия: так, XXI век и III тысячелетие нашей эры (н.э.) начнется 1 января 2001 года по григорианскому календарю. В нашей стране до революции применялся юлианский календарь "старого стиля", ошибка которого к 1917 году составляла 13 суток. В 1918 году в стране был введен принятый во всем мире григорианский календарь "нового стиля" и все даты сдвинулись на 13 суток вперед. Перевод дат юлианского календаря на григорианский календарь осуществляется по формуле:  , где ТГ и ТЮ – даты по григорианскому и юлианскому календарю; n – целое число дней, С – число полных прошедших столетий, С1 - ближайшее число столетий, кратное четырем.Другими разновидностями солнечных календарей являются: Персидский календарь, определявший продолжительность тропического года в 365,24242 суток; 33-летний цикл включает в себя 25 "простых" и 8 "високосных" лет. Значительно точнее григорианского: ошибка в 1 год "набегает" за 4500 лет. Разработан Омаром Хайямом в 1079 году; применялся на территории Персии и ряда других государств до середины XIX века. Коптский календарь похож на юлианский: в году насчитывается 12 месяцев по 30 суток; после 12 месяца в "простом" году добавляется 5, в "високосном" – 6 дополнительных дней. Используется в Эфиопии и некоторых других государствах (Египет, Судан, Турция и т.д.) на территории проживания коптов. 3. Лунно-солнечный календарь, в котором движение Луны согласовывается с годичным движением Солнца. Год состоит из 12 лунных месяцев по 29 и по 30 суток в каждом, к которым для учета движения Солнца периодически добавляются "високосные" годы, содержащие дополнительный 13-й месяц. В результате "простые" годы продолжаются 353, 354, 355 суток, а "високосные" - 383, 384 или 385 суток. Возник в начале I тысячелетия до н.э., применялся в Древнем Китае, Индии, Вавилоне, Иудее, Греции, Риме. В настоящее время принят в Израиле (начало года приходится на разные дни между 6 сентября и 5 октября) и применяется, наряду с государственным, в странах Юго-Восточной Азии (Вьетнаме, Китае и т.д.). Помимо вышеописанных основных типов календарей были созданы и в некоторых регионах Земли до сих пор применяются календари, учитывающие видимое движение планет на небесной сфере. Восточный лунно-солнечно-планетный 60-летний календарь основан на периодичности движения Солнца, Луны и планет Юпитера и Сатурна. Возник в начале II тысячелетия до н.э. в Восточной и Юго-Восточной Азии. В настоящее время используется в Китае, Корее, Монголии, Японии и некоторых других странах данного региона. В 60-летнем цикле современного восточного календаря насчитывается 21912 суток (в первых 12-ти годах содержится 4371 суток; во вторых и четвертых – 4400 и 4401суток; в третьих и в пятых – 4370 суток). В этот промежуток времени укладывается два 30-летних цикла Сатурна (равных сидерическим периодам его обращенияТСатурна = 29,46 » 30 лет), приблизительно три 19-летних лунно-солнечных цикла, пять 12-летних циклов Юпитера (равных сидерическим периодам его обращенияТЮпитера= 11,86 » 12 лет) и пять 12-летних лунных циклов. Количество дней в году непостоянно и может составлять в "простые" годы 353, 354, 355 суток, в високосные 383, 384, 385 суток. Начало года в разных государствах приходится на различные даты с 13 января по 24 февраля. Текущий 60-летний цикл начался в 1984 году. Данные о сочетании знаков восточного календаря приведены в Приложении. Центральноамериканский календарь культур индейцев майя и ацтеков применялся в период около 300–1530 гг. н.э. Основан на периодичности движения Солнца, Луны и синодических периодов обращения планет Венеры (584d) и Марса (780d). "Длинный" год продолжительностью 360 (365) суток состоял из 18 месяцев по 20 суток в каждом и 5 праздничных дней. Параллельно в культурно-религиозных целях использовался "короткий год" из 260 суток (1/3 синодического периода обращения Марса) делился на 13 месяцев по 20 суток в каждом; "номерные" недели состояли из 13 дней, имевших свой номер и название. Продолжительность тропического года была определена с высочайшей точностью в 365,2420d (ошибка в 1 сутки на накапливается за 5000 лет!); лунного синодического месяца – 29,53059d. К началу ХХ века рост международных научных, технических и культурно-экономических связей обусловил необходимость создания единого, простого и точного Всемирного календаря. Существующие календари имеют многочисленные недостатки в виде: недостаточного соответствия продолжительности тропического года и датам астрономических явлений, связанных с движением Солнца по небесной сфере, неравной и непостоянной продолжительности месяцев, несогласованности чисел месяца и дней недели, несоответствия их названий положению в календаре и т.д. Неточности современного календаря проявляются Идеальный вечный календарь обладает неизменной структурой, позволяющей быстро и однозначно определять дни недели по любой календарной дате летоисчисления. Одним из наилучших проектов вечных календарей был рекомендован к рассмотрению Генеральной Ассамблеей ООН в 1954 году: при схожести с григорианским календарем он был проще и удобнее. Тропический год делится на 4 квартала по 91 сутки (13 недель). Каждый квартал начинается с воскресения и кончается субботой; состоит из 3 месяцев, в первом месяце 31 сутки, во втором и третьем – 30 суток. В каждом месяце 26 рабочих дней. Первый день года всегда воскресение. Данные по этому проекту приведены в Приложении. Он оказался не реализован по религиозным соображениям. Введение единого Всемирного вечного календаря остается одной из проблем современности. Начальная дата и последующая система летоисчисления называются эрой. Начальную точку отсчета эры называют ее эпохой. С древних времен начало определенной эры (известно более 1000 эр в различных государствах различных регионов Земли, в том числе 350 – в Китае и 250 в Японии) и весь ход летоисчисления связывался с важными легендарными, религиозными или (реже) реальными событиями: временем царствования определенных династий и отдельных императоров, войнами, революциями, олимпиадами, основанием городов и государств, "рождением" бога (пророка) или "сотворением мира". За начало китайской 60-летней цикловой эры принята дата 1-го года царствования императора Хуанди - 2697 г. до н.э. В Древней Греции счет времени велся по олимпиадам, с эпохи 1 июля 776 г. до н.э. В Древнем Вавилоне "эра Набонассара" началась 26 февраля 747 г. до н.э. В Римской империи счет велся от "основания Рима" с 21 апреля 753 г. до н.э. и с дня воцарения императора Диоклетиана 29 августа 284 г. н.э. В Византийской империи и позднее, по традиции, на Руси – с принятия христианства князем Владимиром Святославовичем (988 г. н.э.) до указа Петра I (1700 г. н.э.) счет лет велся "от сотворения мира": за начало отсчета была принята дата 1 сентября 5508 г. до н.э (первый год "византийской эры"). В Древнем Израиле (Палестине) "сотворение мира" произошло попозже: 7 октября 3761 г. до н.э (первый год "еврейской эры"). Существовали и другие, отличные от наиболее распространенных вышеуказанных эр "от сотворения мира". Рост культурно-экономических связей и широкое распространение христианской религии на территории Западной и Восточной Европы породили необходимость в унификации систем летоисчисления, единиц измерения и счета времени. Современное летоисчисление – "наша эра", "новая эра" (н.э.), "эра от Рождества Христова" (Р.Х.), Anno Domeni (A.D. – "год господа") – ведется от произвольно выбранной даты рождения Иисуса Христа. Поскольку ни в одном историческом документе она не указана, а Евангелия противоречат друг другу, ученый монах Дионисий Малый в 278 г. эры Диоклетиана решил "научно", на основе астрономических данных вычислить дату эпохи. В основу расчетом была положены: 28-летний "солнечный круг" – промежуток времени, за который числа месяцев приходятся точно на те же дни недели, и 19-летний "лунный круг" – промежуток времени, за который одинаковые фазы Луны приходятся на одни и те же дни месяца. Произведение циклов "солнечного" и "лунного" круга с поправкой на 30-летнее время жизни Христа (28 ´ 19S + 30 = 572) дало начальную дату современного летоисчисления. Счет лет согласно эре "от Рождества Христова" "приживался" очень медленно: вплоть до XV века н.э. (т.е. даже 1000 лет спустя) в официальных документах Западной Европы указывалось 2 даты: от сотворения мира и от Рождества Христова (A.D.). В мусульманском мире за начало летоисчисления принято 16 июля 622 года нашей эры – день "хиджжры" (переселения пророка Мохаммеда из Мекки в Медину). Перевод дат из "мусульманской" системы летоисчисления ТМ в "христианскую" (григорианскую) ТГ можно осуществить по формуле:  (лет).Для удобства астрономических и хронологических расчетов с конца XVI века применяется предложенное Ж. Скалигером летоисчисление юлианского периода (J. D.). Непрерывный счет дней ведется с 1 января 4713 г. до н.э. |
