Астрономия. 10-11 классы (базовый уровень)
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 240
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-103697-8
Артикул: 815949.01.99
Настоящая книга является переработанным в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта среднего общего образования вариантом широко известного учебника Б. А. Воронцова- Вельяминова «Астрономия. 11 класс». В нем сохранена классическая структура изложения учебного материала, большое внимание уделено современному состоянию науки. Учтены новые устоявшиеся данные по исследованию небесных тел с космических аппаратов и современных крупных наземных и космических телескопов. Учебник образует завершенную предметную линию и предназначен для изучения астрономии на базовом уровне.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
УДК 373.167.1:52+52(075.3) ББК 22.6я721 В75 ISBN 978-5-09-101646-8 (электр. изд.) ISBN 978-5-09-087831-9 (печ. изд.) Воронцов-Вельяминов, Борис Александрович. Астрономия : 10—11-е классы : учебник : базовый уровень : издание в pdf-формате / Б. А. Воронцов-Вельяминов, Е. К. Стра- ут. — 10-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 238, [2] с. : ил., 8 л. цв. вкл. ISBN 978-5-09-101646-8 (электр. изд.). — Текст : электронный. ISBN 978-5-09-087831-9 (печ. изд.). Настоящая книга является переработанным в соответствии с требованиями Федераль ного государственного образовательного стандарта среднего общего образования вариантом широко известно го учебника Б. А. Воронцова- Вельяминова «Астрономия. 11 класс». В нем сохранена классическая структура изложения учебного материала, большое внимание уделено современному состоянию науки. Учтены новые устоявшиеся данные по исследованию небесных тел с космических аппаратов и современных крупных наземных и космических телескопов. Учебник образует завершенную предметную линию и предназначен для изучения астрономии на базовом уровне. УДК 373.167.1:52+52(075.3) ББК 22.6я721 В75 © АО «Издательство «Просвещение», 2021 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2021 Все права защищены Научный рецензент — академик РАН, директор Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга А. М. Черепащук Научное редактирование и доработка М. Ю. Шевченко Учебник допущен к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования организациями, осуществляющими образовательную деятельность, в соответствии с Приказом Министерства просвещения Российской Федерации № 254 от 20.05.2020 (в редакции приказа № 766 от 23.12.2020). Издание выходит в pdf-формате. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
I. ВВЕДЕНИЕ § 1. ПРЕДМЕТ АСТРОНОМИИ 1. Что изучает астрономия. Её значение и связь с другими науками Астрономия является одной из древнейших наук, истоки которой относятся к III тысячелетию до н. э. Астрономия1 изучает движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Человека всегда интересовал вопрос о том, как устроен окружающий мир и какое место он в нём занимает. У большинства народов ещё на заре цивилизации были сложены особые — космологические — мифы, повествующие о том, как из первоначального хаоса постепенно возникает космос (порядок), появляется всё, что окружает человека: небо и земля, горы, моря и реки, растения и животные, а также сам человек. На протяжении тысячелетий шло постепенное накопление сведений о явлениях, которые происходили на небе. Оказалось, что периодическим изменениям в земной природе сопутствуют изменения вида звёздного неба и видимого движения Солнца. Высчитать момент наступления определённого времени года было необходимо для того, чтобы в срок провести те или иные сельскохозяйственные работы: посев, уборку урожая. Но это можно было сделать лишь при использовании календаря, составленного по многолетним наблюдениям положения и движения Солнца и Луны. Так, необходи- 1 Это слово происходит от двух греческих слов: «астрон» — звезда, светило и «номос» — закон. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
мость регулярных наблюдений за небесными светилами была обусловлена практическими потребностями счёта времени. Строгая периодичность, свойственная дви жению небесных светил, лежит в основе основных единиц счёта времени, которые используются до сих пор, — сутки, месяц, год. Простое созерцание происходящих явлений и их наивное толкование постепенно сменялись попытками научного объяснения причин наблюдаемых событий. Когда в Древней Греции ( VI в. до н. э.) началось бурное развитие философии как науки о природе, астрономические знания стали неотъемлемой частью человеческой культуры. Астрономия — единственная наука, которая получила свою музу-покровительницу — Уранию. С самых древних времён развитие астрономии и математики было тесно связано между собой. Вы знаете, что в переводе с греческого название одного из разделов математики — геометрии — означает «землемерие». Первые измерения радиуса земного шара были проведены ещё в III в. до н. э. на основе астрономических наблюдений за высотой Солнца в полдень. Необычное, но ставшее привычным деление окружности на 360 имеет астрономическое происхождение. Астрономические наблюдения издавна позволяли людям ориентироваться в незнакомой местности и на море. Развитие астрономических методов определения координат в XV— XVII вв. в немалой степени было обусловлено развитием мореплавания и поисками новых торговых путей. Составление географических карт, уточнение формы и размеров Земли на долгое время стало одной из главных задач, которые решала практическая астрономия. Искусство прокладывать путь по наблюдениям за небесными светилами, получившее название навигация, сначала использовалось в мореходном деле, затем в авиации, а теперь и в космонавтике. Вопрос о положении Земли во Вселенной, о том, неподвижна она или движется вокруг Солнца, в XVI—XVII вв. при- обрёл важное значение как для астрономии, так и для миропонимания. Гелиоцентрическое учение Николая Коперника явилось не только важным шагом в решении этой научной проблемы, но и способствовало изменению стиля научного мышления, открыв новый путь к пониманию происходящих явлений. Астрономические наблюдения за движением небесных тел и необходимость заранее вычислять их расположение сы- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
грали важную роль в развитии не только математики, но и очень важного для практической деятельности человека раздела физики — механики. Выросшие из единой когда-то науки о природе — философии — астрономия, математика и физика никогда не теряли тесной связи между собой. Взаимосвязь этих наук нашла непосредственное отражение в деятельности многих учёных. Далеко не случайно, например, что Галилео Галилей и Исаак Ньютон известны своими работами и по физике, и по астрономии. К тому же Ньютон является одним из создателей дифференциального и интегрального исчислений. Сформулированный им же в конце XVII в. закон всемирного тяготения открыл возможность применения этих математических методов для изучения движения планет и других тел Солнечной системы. Постоянное совершенствование способов расчёта на протяжении XVIII в. вывело эту часть астрономии — небесную механику — на первый план среди других наук той эпохи. Много раз в истории развития науки отдельные мыслители пытались ограничить возможности познания Вселенной. Пожалуй, последняя такая попытка случилась в XIX в. незадолго до открытия спектрального анализа. «Приговор» был суров: «Мы представляем себе возможность определения их [небесных тел] форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими способами мы не сможем изучить их химический состав...» (О. Конт). Открытие спектрального анализа и его применение в астрономии положило начало широкому использованию физики при изучении природы небесных тел и привело к появлению нового раздела науки о Вселенной — астрофизики. В свою очередь, необычность с «земной» точки зрения условий, существующих на Солнце, звёздах и в космическом пространстве, способствовала развитию физических теорий, описывающих состояние вещества в таких условиях, которые трудно или невозможно создать на Земле. Более того, в XX в., особенно во второй его половине, достижения астрономии снова, как и во времена Коперника, привели к серьёзным изменениям в научной картине мира, к становлению представлений об эволюции Вселенной. Эти представления составляют основу современной космологии. Оказалось, что Вселенная, в которой мы сегодня живём, миллиарды лет тому назад была совершенно иной — в ней не су- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ществовало ни галактик, ни звёзд, ни планет. Для того чтобы объяснить процессы, происходившие на начальной стадии её развития, понадобился весь арсенал современной теоретической физики, включая теорию относительности, атомную физику, квантовую физику и физику элементарных частиц. События, которые произошли в науке за последние десятилетия, показали, что неразрывная связь, существующая между астрономией и физикой, позволяет успешно решать многие проблемы, волнующие человечество. Далеко не случайно, что в первые годы XXI в. четыре Нобелевских премии по физике были присуждены учёным за исследования по астро физике и космологии. Развитие ракетной техники позволило человечеству выйти в космическое пространство. С одной стороны, это существенно расширило возможности исследования всех объектов, находящихся за пределами Земли, и привело к новому подъёму в развитии небесной механики, которая успешно осуществляет расчёты орбит автоматических и пилотируемых космических аппаратов различного назначения. С другой стороны, методы дистанционного исследования, пришедшие из астрофизики, ныне широко применяются при изучении нашей планеты с искусственных спутников и орбитальных станций. Результаты исследований тел Солнечной системы позволяют лучше понять глобальные, в том числе эволюционные, процессы, происходящие на Земле. Вступив в космическую эру своего существования и готовясь к полётам на другие планеты, человечество не вправе забывать о Земле и должно в полной мере осознать необходимость сохранения её уникальной природы. 2. Структура и масштабы Вселенной Вы уже знаете, что наша Земля со своим спутником Луной, другие планеты и их спутники, карликовые планеты, кометы, астероиды и другие малые тела обращаются вокруг Солнца. Все эти тела составляют Солнечную систему. В свою очередь, Солнце и все другие звёзды, видимые на небе, входят в огромную звёздную систему — нашу Галактику. Самая близкая к Солнечной системе звезда находится так далеко, что З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
свет, который распространяется со скоростью 300 тыс. км/с, идёт от неё до Земли более четырёх лет. Звёзды являются наиболее распространённым типом небесных тел, в одной только нашей Галактике их насчитывается двести миллиардов. Объём, занимаемый этой звёздной системой, так велик, что свет может пересечь его только за 100 тыс. лет. Во Вселенной существует множество других галактик, подобных нашей. Именно расположение и движение галактик определяет строение и структуру Вселенной в целом. Галактики так далеки друг от друга, что невооружённым глазом можно видеть лишь три ближайшие: две — в Южном полушарии, а с территории России всего одну — туманность Андромеды. От наиболее удалённых галактик свет идёт до Земли около 13 млрд лет. Значительная часть вещества звёзд и галактик находится в таких условиях, которые невозможно создать в земных лабораториях. Всё космическое пространство заполнено электромагнитным излучением, гравитационными и магнитными полями. Между звёздами в галактиках и между галактиками находится очень разреженное вещество в виде газа, пыли, отдельных молекул, атомов и ионов, атомных ядер и элементарных частиц. Перечисленное вещество, излучающее во всём диапазоне электромагнитного спектра, составляет только 5% массы Вселенной. Остальная масса приходится на тёмную материю и тёмную энергию, природу которых придётся ещё установить. Как известно, расстояние до ближайшего к Земле небесного тела — Луны — составляет примерно 400 тыс. км. Наиболее удалённые объекты располагаются от нас на расстоянии, которое превышает расстояние до Луны более чем в 1017 раз. Попробуем представить размеры небесных тел и расстояния между ними во Вселенной, воспользовавшись хорошо известной моделью — школьным глобусом Земли диаметром 25 см. Этот глобус в 50 млн раз меньше нашей планеты. В этом случае мы должны изобразить Луну шариком диаметром примерно 7 см, находящимся от глобуса на расстоянии около 7,5 м. Модель Солнца будет иметь диаметр 28 м и находиться на расстоянии 3 км, а модель Нептуна — самой далёкой планеты Солнечной системы — будет удалена от нас на 90 км. Ближайшая к нам звезда при таком масштабе модели будет располагаться на расстоянии примерно 800 тыс. км, т. е. в 2 раза дальше, чем настоящая (не модельная) Луна! Размеры З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
нашей Галактики сократятся примерно до размеров Солнечной системы, но самые далёкие звёзды всё же будут находиться за её пределами. ЗАДАНИЕ 1 Вспомните, какие объекты в окружающей местности расположены на таких расстояниях, которые приведены для тел Солнечной системы в описанной выше модели. Какой из них имеет те же размеры, что и модель Солнца (в предлагаемом масштабе)? § 2. НАБЛЮДЕНИЯ — ОСНОВА АСТРОНОМИИ 1. Особенности астрономии и её методов Огромные пространственно-временные масштабы изучаемых объектов и явлений определяют отличительные особенности астрономии. Сведения о том, что происходит за пределами Земли в космическом пространстве, учёные получают главным образом на основе приходящего от этих объектов света и других видов излучения. Наблюдения — основной источник информации в астрономии. Эта первая особенность астрономии отличает её от других естественных наук (например, физики или химии), где значительную роль играют опыты и эксперименты, планируемые в лабораториях. Возможности проведения экспериментов за пределами Земли появились лишь благодаря космонавтике. Но и в этих случаях речь идёт о проведении исследований небольшого масштаба, таких, например, как изучение химического состава ближайших небесных тел. Трудно представить себе эксперименты над планетой в целом, звездой или галактикой. Вторая особенность объясняется значительной продолжительностью целого ряда изучаемых в астрономии явлений (от сотен до миллионов и миллиардов лет). Поэтому непосредственно наблюдать многие из происходящих явлений невозможно. Когда явления происходят особенно медленно, З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
приходится проводить наблюдения многих родственных между собой объектов, например звёзд. Основные сведения об эволюции звёзд получены именно таким способом. Более подробно об этом будет рассказано далее. Третья особенность астрономии обусловлена необходимостью указать положение небесных тел в пространстве (их координаты) и невозможностью сразу указать, какое из них находится ближе, а какое дальше от нас. На первый взгляд, все наблюдаемые светила кажутся нам одинаково далёкими. Люди в древности считали, что все звёзды располагаются на небесной сфере, которая вращается вокруг Земли как единое целое. Уже более 2000 лет тому назад астрономы стали применять способы, которые позволяли указать расположение любого светила на небесной сфере по отношению к другим космическим объектам или наземным ориентирам. Представлением о небесной сфере удобно пользоваться и теперь, хотя мы знаем, что реально этой сферы не существует. Построим небесную сферу и проведём из её центра луч по направлению к звезде A (рис. 1.1). Там, где этот луч пересечёт поверхность сферы, поместим точку A1, изображающую эту звезду. Звезда B будет изображаться точкой B1. Повторив подобную операцию для всех наблюдаемых звёзд, мы получим на поверхности сферы изображение звёздного неба — звёздный глобус. Ясно, что если наблюдатель находится в центре этой воображаемой сферы, то для него направления на сами звёзды и на их изображения на сфере будут совпадать. Рассто- Рис. 1.2. Оценка угловых расстояний на небе Рис. 1.1. Небесная сфера З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
яния между звёздами на небесной сфере можно выражать только в угловой мере. Эти угловые расстояния измеряются величиной центрального угла между лучами, направленными на одну и другую звезду, или соответствующей им дуги на поверхности сферы. Для приближённой оценки угловых расстояний на небе полезно запомнить такие данные: угловое расстояние между двумя крайними звёздами ковша Большой Медведицы ( и ) составляет около 5 (рис. 1.2), а от Большой Медведицы до Малой Медведицы (Полярной звезды) — в 5 раз больше — примерно 25 . Простейшие глазомерные оценки угловых расстояний можно провести также с помощью пальцев вытянутой руки. Только два светила — Солнце и Луну — мы видим как диски. Угловые диаметры этих дисков почти одинаковы — около 30 или 0,5 . Угловые размеры планет и звёзд значительно меньше, поэтому мы их видим просто как светящиеся точки. Для невооружённого глаза объект не выглядит точкой в том случае, если его угловые размеры превышают 2—3 . Это означает, в частности, что наш глаз различает каждую светящуюся точку (звезду) отдельно от другой звезды в том случае, если угловое расстояние между ними больше этой величины. Иначе говоря, мы видим объект не точечным лишь в том случае, если расстояние до него превышает его размеры не более чем в 1700 раз. О том, как на основании угловых измерений определяют расстояния до небесных тел и их линейные размеры, будет рассказано далее. Чтобы отыскать на небе светило, надо указать, в какой стороне горизонта и как высоко над ним оно находится. С этой целью используется система горизонтальных координат — азимут и высота. Для наблюдателя, находящегося в любой точке Земли, нетрудно определить вертикальное и горизонтальное направления. Первое из них определяется с помощью отвеса и изображается на чертеже (рис. 1.3) отвесной линией ZZ , проходящей через центр сферы (точку O). Точка Z, расположенная прямо над головой наблюдателя, называется зенитом. Плоскость, которая проходит через центр сферы перпендикулярно отвесной линии, образует при пересечении со сферой окружность — истинный или матема- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .