🗊Презентация Фізіка з асновамі геафізікі

Установа адукацыі “Беларускі дзяржаўны педагагічны універсітэт імя Максіма Танка” Кафедра агульнай і тэарэтычнай фізікі Ф і з і к а з асновамі геафізікі Лекцыі – 34 гадзіны I – семестр 10 лекцый II – семестр 7 лекцый

Тэматыка лекцый Уводзіны. Механіка Зямлі Атмасфера Зямлі Фізічныя ўласцівасці вадкасцей Зямны магнетызм Электрычныя з’явы ў прыродзе Аптычныя з’явы ў прыродзе Акустыка Аптычныя прыборы Квантавыя ўласцівасці выпраменьвання Спектры выпраменьвання

11. Тэорыя руху лятальных апаратаў 12. Энергія і яе віды 13. Электрычная энергія 14. Радыеактыўнасць 15. Атамная энергетыка 16. Асновы фізікі элементарных часціц 17. Праблемы сучаснай фізікі

Літаратура: Якавенка У.А. і інш. Курс агульнай фізікі: Механіка: Вучэб. дапам./Пад агул. рэд. У.А.Якавенкі.-Мн.:Выш.шк.,1993.-260с. Физика:Учеб.пособ./Под общ.ред. В.А.Яковенко .-Мн: БелЭн, 2002 .-512с. Кикин Д.Г., Самойленко П.И. Физика (с основами астрономии). -М.:Высш.шк.,1995.-416с. Мікуліч А.С. Курс агульнай фізікі: Электрычнасць і магнетызм: Вучэб.дапам.-Мн.:Выш.шк.,1995.-285с. Бондар В.А. Курс агульнай фізікі: Оптыка: Вучэб.дапам.-Мн.:Выш.шк.,1995.-223с. Бондар В.А.,Федаркоў Ч.М. Курс агульнай фізікі: Квантавая фізіка: Вучэб.дапам.-Мн.:БДПУ імя М.Танка,1999.-222с.

Літаратура: 7. Грабовский Р.И. Курс физики. 8-е изд.-СПб.:Изд-во”Лань”,2005.-608с. 8. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.-М.:Высш.шк., 1980.-679с. 9. Наркевич И.И. и др. Физика для втузов:Учеб.пособ.-Мн.: Выш.шк.,1994.-554с. 10. Савельев И.В. Курс общей физики.-Т.1-3.-М.:Наука,1971. 11. Ландсберг Г.С. Оптика.-М.:Наука,1976.-928с. 12. Леденев А.Н. Физика. В 5 кн.-М.:Физматлит, 2005.-248с. 13. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособ. В 5 т.-М.:Физматлит,2002.-784с.

Дадатковая літаратура: Углекислый газ в атмосфере: Пер.с англ. /Под ред.В.Баха.-М.:Мир,1987.-534с. Уманский С.П. Космонавтика сегодня и завтра.-М.:Просвещение,1986.-175с. Михайлов А.А. Земля и ее вращение.-М.:Наука,1984.-80с.(Библ.”Квант”.Вып.35). Почтарев В.И. Магнетизм Земли и космического пространства. -М.:Наука,1966.-144с. Элементарный учебник физики /Под ред. Г.С.Ландсберга.-Т.2.-М.:Наука,1967.-472с. Школьникам о современной физике: Электромагнетизм. Твердое тело.-М.:Просвещение,1982.-144с. Тарасов Л.В.,Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света /Под ред. В.А.Фабриканта.-М.:Наука,1982.-176с. (Библ. ”Квант”. Вып.18). Андрейченко К.С. Оптика и оптические системы.-Мн.: Выш.шк., 1986.-144с. Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе.-М.: Просвещение,1990.-288с.

Л.1. Уводзіны. Механіка Зямлі З М Е С Т: Фізіка - навука аб прыродзе Сонечная сістэма Рух планет. Законы Кеплера Планета Зямля і яе параметры Уласнае вярчэнне Зямлі Маятнік Фуко Гравітацыя. Сіла цяжару Сіла Карыаліса Марскія прылівы

Фізіка - навука аб прыродзе Слова “фізіка” паходзіць ад грэчаскага physis – прырода. Фізіку, біялогію, хімію, геаграфію і інш навукі называюць прыродазнаўчымі (П.Н.). Фізіка вывучае агульныя законы прыроды, а іншыя П.Н. вывучаюць прыватныя з’явы і аб’екты. Вельмі цесна звязаны з фізікай – біяфізіка, геафізіка, фізхімія, астрафізіка і інш.

Фізіка – навука эксперыментальная – яе законы базіруюцца на фактах, якія ўстаноўлены доследным шляхам (у выніку фізічнага эксперыменту). Аналізам і тлумачэннем выніку фізічнага эксперыменту, прадказаннем ідэй, пабудовай фізічных мадэляў займаецца тэарэтычная фізіка. У адпаведнасці з мэтамі даследавання фізіку падзяляюць на фундаментальную і прыкладную.

Галоўная праблема фудаментальнай фізікі – тэарэтычнае і эксперыментальнае даследаванне макра- і мікрасвету. Прыкладная фізіка вызначаецца яе шырокім практычным прымяненнем. Яна з’яўляецца асновай навукова-тэхнічнага прагрэсу. Вывучэнне фізічных працэсаў у атмасферы, гідрасферы, зямной кары дазваляюць мэтанакіравана рашаць праблемы экалогіі, звязаныя з работай прамысловасці і транспарту. І так, ад макрасвету да мікрасвету.

Адлегласці ў Сусвеце вымяраюць у адзінках: - астранамічная адзінка (1а.а. = 150 млн.км – адлегласць ад Зямлі да Сонца); - светлавы год (1св.год = адлегласць, што праходзіць святло за год, 1св.год = 6,324. 104 а.а.); - парсек – адлегласць, з якой радыус арбіты Зямлі бачны пад вуглом роўным адной секундзе (1пк=3,262св.года).

Макрасвет Згодна сучаснай тэорыі Сусвету, зоркі ўтвараюць гіганцкія сістэмы – галактыкі, якіх у бачнай вобласці Сусвету – Метагалактыцы каля 1010 галактык. Дыяметр нашай Галактыкі каля 30 кпк і яна складаецца прыблізна са 100 млрд. зорак. Адным з элементаў нашай Галактыкі з’яўляецца Сонечная сістэма.

Сонечная сістэма Сонечная сістэма знаходзіцца на адлегласці парадка 9 кпк ад цэнтра нашай Галактыкі.

Самая хуткая планета Меркурый – у гонар бога, заступніка гандлю і спадарожнікаў; - самая яркая Венера – у гонар багіні прыгажосці; - чырвона-аранжавая планета Марс – у гонар бога вайны; - яркая планета-гігант Юпіцер – у гонар вярхоўнага бога; - самая далекая планета, якая бачна, тусклая, пепельна-белага колеру Сатурн – па імені бога смерці; - у 1781г. адкрыта планета Уран; - 1846г. – Нептун - у гонар уладыкі падводнага царства; - 1930г. – Плутон – у гонар уладыкі падземнага царства.

Акрамя планет, у склад Сонечнай сістэмы ўваходзяць спадарожнікі планет, больш за 2000 малых планет, сотні камет і метэорных цел. Сонечная сістэма рухаецца ў Галактыцы па эліптычнай арбіце са скорасцю 300 км/с. Перыяд абарачэння Сонца вакол цэнтра Галактыкі роўны 200 млн. гадоў. Усе планеты паварочваюцца вакол Сонца супраць гадзіннікавай стрэлкі па эліптычных арбітах.

Сонечная сістэма называецца геліацэнтрычнай сістэмай (у цэнтры Сонца). Яе стваральнікам з’яўляецца польскі вучоны М.Капернік (1543год). Да гэтага часу існавала сістэма Пталемея – геацэнтрычная (у цэнтры Зямля). Сонца складаецца прыблізна з 80% вадароду і 20 % гелію.

Характарыстыкі планет Сонечнай сістэмы

Рух планет. Законы Кеплера Яшчэ да нашай эры астраномы звярнулі ўвагу на пяць свяціл, якія падобны на зоркі, але адрозніваюцца тым, што змяшчаюцца па нябеснай сферы, пераходзячы з аднаго сузор’я ў другое. Гэтыя свяцілы назвалі планетамі – блукаючыя свяцілы (з грэчаскага). Меркурый і Венера назіраюцца ці на захадзе пасля заходу Сонца, ці на ўсходзе перад яго ўзыходжаннем. Найлепшыя ўмовы назірання Марса, Юпіцера і Сатурна наступаюць у момант, калі планеты знаходзяцца ў супрацьстаянні, г.зн. у процілеглым Сонцу баку ў поўнач. Планеты Уран і Нептун неўзброенным вокам не назіраюцца.

Траекторыі, па якіх рухаюцца планеты, называюцца арбітамі. Чым далей планета ад Сонца, тым меншая яе арбітальная скорасць () і большы перыяд абарачэння (Т). Кінетычныя законы руху планет пад дзеяннем гравітацыйных сіл прыцяжэння да Сонца былі адкрыты ў пачатку XVII стагоддзя.

Аўстрыйскі астраном і матэматык І.Кеплер на аснове назіранняў адкрыў тры законы руху планет (I і II - 1609г., III - 1619г.). Першы закон: планеты рухаюцца па эліптычных арбітах, у адным з фокусаў каторых знаходзіцца Сонца. Самы бліжні пункт арбіты да Сонца – перыгелій (П), самы далёкі – апагелій (А).

Другі закон: радыус-вектар планеты за роўныя прамежкі часу апісвае роўнавялікія плошчы S1= S2 Сектарыяльная скорасць =dS/dt застаецца пастаяннай.

Трэці закон: квадраты перыядаў абарачэння планет вакол Сонца адносяцца, як кубы вялікіх паўвосей іх арбіт (эліпсаў). ПА – вялікая вось эліпса, ПО = АО = ПА/2 = а – вялікая паўвось.

Планета Зямля і яе параметры Зямля абарочваецца вакол Сонца таксама па эліптычнай арбіце. Сярэдняя адлегласць ад Зямлі да Сонца роўная L = 150 000 000 км = 1,5.1011м. Апагелій – 152Гм, перыгелій – 147Гм. Сярэдняя скорасць яе руху па арбіце  = 30 км/с.

Поўны абарот вакол Сонца Зямля здзяйсняе за Т=365, 256 сярэдніх сонечных сутак – гэта зорны ці сідэрычны год. Маса Зямлі М = 5,96.1024кг; радыус – R = 6,37.106м; сярэдняя шчыльнасць зямнога рэчыва –  = 5518 кг/м3.

Адзіным прыродным спадарожнікам Зямлі з’яўляецца Месяц. Перыяд абарачэння Месяца па сваёй арбіце Т=27сутак і 8 гадзін. Радыус Месяца R=1737км. Апагелій – 405 тыс.км; перыгелій – 363 тыс.км. Маса Месяца ў 81,3 раза меншая, чым маса Зямлі.

Уласнае вярчэнне Зямлі Калі шарападобнасць і нават прыблізныя памеры Зямлі былі вядомы ўжо больш за 2000 гадоў, то аб яе вярчэнні людзі сталі ведаць з сярэдзіны XVI стагоддзя, дзякуючы М.Каперніку, які пісаў аб гэтым у сваёй кнізе “Аб вярчэнні нябесных цел” у 1543г. За суткі Зямля здзяйсняе адзін абарот вакол уласнай восі і рухаецца адначасова па арбіце вакол Сонца. 1 суткі = 24 гадзіны = 1440 мінут = 86 400 секунд.

У сувязі з тым, што Зямля рухаецца па эліптычнай арбіце, яе рух нераўнамерны. Згодна другога закону Кеплера яна рухаецца хутчэй зімой (~ 4 студзеня) каля перыгелія і павольней летам (~ 4 ліпеня) паблізу апагелія. Таму сонечныя суткі – зімой даўжэйшыя, а летам карацейшыя. Два асноўных руха Зямлі (уласнае вярчэнне і рух вакол Сонца) даюць людзям эталоны часу: суткі і год.

Зменам дня і ночы, а таксама пары года падпарадкоўваюцца жыццёвыя рытмы чалавека, жывёл і ўсёй біясферы ў цэлым. Час, які вызначаецца па палажэнню Сонца (ці зорак) называецца мясцовым часам. Але жыць па мясцоваму часу не вельмі зручна. Таму ў 1884г. на аснове міжнароднага пагаднення быў уведзены паясны час. Зямны шар быў падзеляны на 24 часовых пояса, так што мерадыяны, што праходзілі праз сярэдзіну пояса знаходзіліся адзін ад аднаго па даўгаце на 150.

За пачатковы сярэдні мерадыян быў прыняты мерадыян, які праходзіць праз Грынвічскую абсерваторыю, якая знаходзіцца на ўсходняй ускраіне Лондана. Доказам сутачнага вярчэння Зямлі з’яўляецца адхіленне цел, што падаюць, да ўсходу. Такое адхіленне асабліва заметна на зямным экватары. Нават на шыраце  = 560 гэта адхіленне складае 10мм на 100м вышыні, з якой падае цела.

Маятнік Фуко Сутачнае вярчэнне Зямлі эксперыментальна даказаў французкі фізік Л.Фуко. У 1851г у Парыжскім пантэоне ён ажыццявіў дослед з маятнікам даўжынёй 67м і латунным шарам масай 28кг. Яго перыяд ваганняў складаў 16с.

Пры гэтым выкарыстоўваўся той факт, што плоскасць ваганняў маятніка застаецца пастаяннай адносна вонкавай прасторы (у тым ліку і будынка, які паварочваецца разам з Зямлёй). У процілегласць доследу з падзеннем цел, у якім максімальнае адхіленне адпавядае экватару і мае нуль на полюсе (Х ~ cos), плоскасць ваганняў маятніка Фуко паварочваецца (~ sin) максімальна на полюсе і адсутнічае паварот на экватары.

Маятнік Фуко БДПУ Аўтар праекта прафесар Якавенка У.А. Устаноўлены ў выглядзе піраміды ў 2002 годзе. Параметры маятніка: даўжыня падвесу L = 6,35м, маса шара з алюмініевага сплаву m = 27кг, перыяд ваганняў Т = 5,5с, амплітуда А = 1,25м. На шыраце Мінска (=540) піраміда паварочваецца на вугал 2900 за суткі (за 1 гадзіну ~ на 120 ).

Гравітацыя. Сіла цяжару Законы Кеплера тлумачаць характар руху планет вакол Сонца, але яны не даюць адказу на пытанне: што ўтрымлівае планеты на іх арбітах? Устойлівасць Сонечнай сістэмы тлумачыцца наяўнасцю гравітацыйнага поля – асобай формы існавання матэрыі. Важнейшай уласцівасцю гравітацыйнага поля з’яўляецца яго універсальнасць. Ім валодаюць усе целы і часціцы незалежна ад асяроддзя, у якім яны знаходзяцца.

Гравітацыйнае ўздзеянне аднаго цела на другое вызначаецца законам сусветнага прыцяжэння дзе G = 6,67.10-11 Н.м2/кг2 – гравітацыйная пастаянная. Гравітацыйнае поле ў паверхні Зямлі можна лічыць аднародным.

Як вядома Зямля паварочваецца вакол Сонца па эліптычнай арбіце. Цэнтраімклівае паскарэнне, якое адпавядае руху Зямлі вакол Сонца, малое ў параўнанні з цэнтраімклівым паскарэннем, абумоўленым рухам Зямлі вакол уласнай восі. Пры гэтым сістэма адліку, звязаная з Зямлёй, адначасова паварочваецца вакол інерцыяльнай сістэмы (цэнтр Сонца) і ўласнай восі з пастаяннай вуглавой скорасцю = 7,3.10-5 рад/с. У сувязі з гэтым яна з’яўляецца неінерцыяльнай сістэмай адліку.

Пры гэтым вядома, што ў неінерцыяльных сістэмах адліку ўзнікаюць і дзейнічаюць сілы інерцыі – цэнтрабежныя сілы інерцыі r – радыус акружнасці, па якой рухаецца цела масай m пры сутачным вярчэнні Зямлі вакол уласнай восі NS.

З рысунка r = R cos, Fін = m2R cos. R – радыус Зямлі, - шырата мясцовасці. Сілы інерцыі вызваны не ўзаемадзеяннем цел, а паскарэннем самой сістэмы.

Сіла цяжару – гэта сіла, з якой Зямля дзейнічае на цела, якое знаходзіцца на (каля) яе паверхні.

Сіла цяжару залежыць ад становішча цела на Зямлі – на полюсах ( = /2) Fін = m2R cos = 0, Fц = Fпр - max, а на экватары ( = 0) Fін = max, Fц= Fпр - Fін - min.

На экватары сіла цяжару прыблізна на 0,5% меншая, чым на полюсе. Пад дзеяннем сілы цяжару цела атрымлівае паскарэнне свабоднага падзення g = Fц/m, якое змяняецца ад 9,780 м/с2 на экватары да 9,832 м/с2 на полюсах. На шыраце  = 450 – g = 9,81 м/с2. У дадзеным пункце зямной паверхні g залежыць ад шыраты мясцовасці, вышыні над ўзроўнем мора і шчыльнасці геалагічных парод у дадзеным месцы зямной кары.

Сіла Карыаліса На целы, што рухаюцца ў неінерцыяльнай сістэме адліку, акрамя цэнтрабежнай сілы інерцыі, дзейнічае яшчэ адна сіла, якая называецца сілай Карыаліса. дзе m – маса цела, якое рухаецца са скорасцю , у сістэме, што паварочваецца з вуглавой скорасцю ;  - вугал паміж накірункам скорасці  і воссю вярчэння сістэмы.

Дослед з маятнікам Фуко даказаў, што сістэма адліку, звязаная з Зямлёй, з’яўляецца неінерцыяльнай. А гэта азначае, што на целы, якія рухаюцца па паверхні Зямлі, дзейнічае сіла Карыаліса, напрамак якой залежыць ад накірунку руху цела.

Сіла Карыаліса Fк, якая дзейнічае на целы масай m, што рухаюцца ўздоўж мерыдыяна, накіравана ў дачыненні да адноснай скорасці  руху ўправа ў паўночным паўшар’і і ўлева – у паўднёвым.

Накірунак сілы Карыаліса вызначаецца правілам свярдзёлка: калі ручку свярдзёлка паварочваць ад вектара да вектара , то паступальны рух свярдзёлка пакажа накірунак сілы Fк.

Калі цела рухаецца ў плоскасці экватара з захаду на ўсход, то сіла Карыаліса накіравана вертыкальна ўверх. Пры руху цела з усходу на захад яна накіравана вертыкальна ўніз. Сіла Карыаліса роўная нулю, калі цела рухаецца на экватары ў плоскасці мерыдыяна, таму што вектары  і  паралельныя.

Пры руху цел па Зямлі праяўленне сілы Карыаліса не вельмі прыкметнае, таму што малыя  і . Але малая сіла, якая дзейнічае доўгі час, можа даць адчувальны эфект. Працягласцю дзеяння сілы Карыаліса тлумачыцца той факт, што правы бераг рэк паўночнага паўшар’я звычайна больш круты, чым левы. Сіла Fк прыціскае ваду да правага берага, і яна падмывае яго.

Гэтым эфектам (дзеяннем сілы Карыаліса) тлумачыцца і большы знос правай рэйкі на чыгунках у паўночным паўшар’і. Сіла Карыаліса ўплывае на рух паветраных мас і прыводзіць да ўзнікнення пасатных вятроў і цыклонаў, уплывае на марскія цячэнні, на адхіленне артылерыйскіх снарадаў.

Марскія прылівы Цывілізаваныя народы антычнага свету, якія жылі ў месцах, што не мяжуюць з акіянам, былі мала знаёмы са з’явай прыліваў. І толькі ў III стагоддзі да н.э. воіны А.Македонскага сустрэліся з гэтай з’явай у час паходу ў Індыю. Ужо даўно было заўважана, што прылівы нейкім чынам звязаны з фазамі Месяца, пры гэтым найбольшай вышыні яны дасягаюць у час маладзіка і поўні. У канцы XVII стагоддзя Ньютан растлумачыў прычыну прыліваў і стварыў іх першую тэорыю.

Сваім гравітацыйным прыцяжэннем Месяц надае кожнай часціцы Зямлі паскарэнне, накіраванае да яго цэнтру. Згодна з законам сусветнага прыцяжэння дзе d – адлегласць паміж цэнтрамі Зямлі і Месяца, m – маса Месяца.

Разгледзім паскарэнні, якія набываюць часціцы зямной паверхні А і С, якія знаходзяцца на адной прамой, што злучае цэнтры Зямлі і Месяца.

Паскарэнні часціц С і А вызначаюцца формуламі R – радыус Зямлі. Бачна, што часціца С атрымлівае большае паскарэнне, чым часціца А (аС > аА).

У дачыненні да цэнтра Зямлі рознасць паскарэнняў часціц С і А і часціцы ў цэнтры накіравана ад цэнтра Зямлі: У дачыненні да цэнтра Зямлі рознасць паскарэнняў часціц С і А і часціцы ў цэнтры накіравана ад цэнтра Зямлі: аС – а0 - з плюсам у бок Месяца (аС > а0), аА – а0 - з мінусам ад Месяца (аА < а0).

Такім чынам, на паверхні Зямлі з боку Месяца і процілеглым (С і А) будуць назірацца прылівы. Паміж прыліўнымі гарбамі адбываюцца адлівы (В і Д).

Прылівы асабліва заметны ў берагоў акіянаў і адкрытых мораў. Прылівы асабліва заметны ў берагоў акіянаў і адкрытых мораў. Найбольшай вышыні прыліўная хваля дасягае ў час маладзіка і поўні, калі да прыліўнога дзеяння Месяца дабаўляецца прыліўное дзеянне Сонца. Паколькі вярчэнне Месяца вакол Зямлі супадае па накірунку з вярчэннем Зямлі, то прамежак між фазамі Месяца складае 24 гадзіны 52 мінуты. Таму прылівы паўтараюцца праз кожныя 12 гадзін 26 мінут – назіраюцца 2 прыліва і 2 адліва.