Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
The Earth, the Moon and the Solar System
Three motions, three consequences
- the Earth rotates on its axis once in about $24$ hours → day and night;
- the Earth orbits the Sun once in about $365\tfrac{1}{4}$ days → the year;
- the Earth's axis is tilted at about $23.5^{\circ}$ to its orbit → the seasons.
The seasons are not caused by the Earth being closer to the Sun at some times of year. The tilt means that in summer a hemisphere leans towards the Sun, so the Sun is higher in the sky, the daylight is longer, and the same energy is spread over a smaller area of ground. In winter the same hemisphere leans away. The southern hemisphere has opposite seasons at the same moment, which no "distance" explanation can account for.
The Solar System
Eight planets orbit the Sun: Mercury, Venus, Earth, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune. The four inner ones are small and rocky; the four outer ones are large and gaseous, separated by the asteroid belt.
The further a planet is from the Sun:
- the weaker the Sun's gravitational field there;
- the slower its orbital speed;
- the longer its year — both because it moves slower and because the path is longer.
Orbital speed
$$v=\frac{2\pi r}{T}$$The orbit is treated as a circle of radius $r$, so $2\pi r$ is one full circumference and $T$ is the orbital period. The period must be in seconds if the answer is to be in m/s.
The Moon
The Moon is a natural satellite of the Earth. It does not produce its own light; we see it because it reflects sunlight, and the changing phases are the changing fraction of its lit half that faces us.
Ba chuyển động, ba hệ quả.
- Trái Đất tự quay quanh trục mỗi khoảng $24$ giờ → ngày và đêm;
- Trái Đất quay quanh Mặt Trời mỗi khoảng $365\tfrac{1}{4}$ ngày → một năm;
- trục Trái Đất nghiêng khoảng $23{,}5^{\circ}$ so với mặt phẳng quỹ đạo → các mùa.
Các mùa không do Trái Đất lúc gần lúc xa Mặt Trời. Trục nghiêng làm cho vào mùa hè, một bán cầu ngả về phía Mặt Trời: Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời, ngày dài hơn, và cùng một lượng năng lượng trải trên một diện tích mặt đất nhỏ hơn nên mỗi mét vuông nhận nhiều hơn. Mùa đông thì bán cầu ấy ngả ra xa.
Bằng chứng bác bỏ cách giải thích bằng khoảng cách: bán cầu bắc và bán cầu nam có mùa ngược nhau tại cùng một thời điểm. Nếu nguyên nhân là khoảng cách tới Mặt Trời thì cả hai bán cầu phải cùng nóng hoặc cùng lạnh.
Hệ Mặt Trời. Tám hành tinh quay quanh Mặt Trời: Thuỷ, Kim, Trái Đất, Hoả, Mộc, Thổ, Thiên Vương, Hải Vương. Bốn hành tinh trong nhỏ và có bề mặt đá; bốn hành tinh ngoài lớn và là khối khí, ngăn cách bởi vành đai tiểu hành tinh.
Hành tinh càng xa Mặt Trời thì:
- trường hấp dẫn của Mặt Trời tại đó càng yếu;
- tốc độ chuyển động trên quỹ đạo càng chậm;
- một năm của nó càng dài — vừa vì đi chậm hơn, vừa vì quãng đường dài hơn.
Tốc độ trên quỹ đạo.
$$v=\frac{2\pi r}{T}$$Coi quỹ đạo là đường tròn bán kính $r$, nên $2\pi r$ là một vòng và $T$ là chu kỳ. Chu kỳ phải đổi sang giây nếu muốn đáp số ra m/s.
Mặt Trăng. Mặt Trăng là vệ tinh tự nhiên của Trái Đất. Nó không tự phát sáng; ta thấy nó vì nó phản xạ ánh sáng Mặt Trời, và các pha là phần khác nhau của nửa được chiếu sáng đang hướng về phía ta.
Trái Đất quay quanh Mặt Trời trên một quỹ đạo gần tròn bán kính $1.5\times 10^{11}$ m, hết một vòng trong $365$ ngày. Tính tốc độ trên quỹ đạo, làm tròn đến 2 chữ số có nghĩa.
Bước 1 — đổi chu kỳ sang giây.
$$T=365\times 24\times 60\times 60=3.15\times 10^{7}\ \text{s}$$Bước 2 — quãng đường một vòng.
$$2\pi r=2\pi\times 1.5\times 10^{11}=9.42\times 10^{11}\ \text{m}$$Bước 3 — chia.
$$v=\frac{9.42\times 10^{11}}{3.15\times 10^{7}}=3.0\times 10^{4}\ \text{m/s}$$Tức khoảng $30$ km mỗi giây — nhanh hơn mọi tàu vũ trụ con người từng phóng, và ta không cảm thấy gì vì tốc độ đó gần như không đổi.
Hai chỗ hỏng thường gặp. Một: quên đổi $365$ ngày sang giây, cho ra một con số vô nghĩa. Hai: dùng $r$ thay cho $2\pi r$, tức tính quãng đường như thể Trái Đất đi thẳng một bán kính thay vì đi hết một vòng — kết quả nhỏ hơn khoảng $6{,}3$ lần.
Kiểm bậc độ lớn: tốc độ này phải lớn hơn tốc độ máy bay ($\sim 250$ m/s) rất nhiều nhưng nhỏ hơn tốc độ ánh sáng ($3\times 10^{8}$ m/s) rất nhiều ✓.
Giải thích nguyên nhân của các mùa, và nêu một bằng chứng quan sát được bác bỏ cách giải thích “mùa hè là khi Trái Đất ở gần Mặt Trời hơn”.
Nguyên nhân — chuỗi ba mắt xích.
Một. Trục quay của Trái Đất nghiêng khoảng $23{,}5^{\circ}$ so với mặt phẳng quỹ đạo, và nó luôn chỉ về cùng một hướng trong không gian suốt cả năm.
Hai. Vì thế, ở một nửa quỹ đạo, bán cầu bắc ngả về phía Mặt Trời; ở nửa kia, nó ngả ra xa.
Ba. Khi ngả về phía Mặt Trời, hai điều xảy ra cùng lúc: Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời nên cùng một chùm sáng trải trên diện tích mặt đất nhỏ hơn, và ngày dài hơn nên mặt đất nhận nhiệt lâu hơn mỗi ngày. Cả hai làm năng lượng nhận được trên mỗi mét vuông tăng lên — đó là mùa hè.
Bằng chứng bác bỏ cách giải thích bằng khoảng cách. Vào cùng một thời điểm, bán cầu bắc đang là mùa hè thì bán cầu nam đang là mùa đông.
Nếu nguyên nhân là khoảng cách tới Mặt Trời, thì cả hành tinh phải cùng gần hoặc cùng xa, nên cả hai bán cầu phải cùng nóng hoặc cùng lạnh. Quan sát thực tế mâu thuẫn trực tiếp với điều đó, nên giả thuyết khoảng cách bị bác bỏ.
(Thực tế Trái Đất còn gần Mặt Trời nhất vào khoảng đầu tháng Một — giữa mùa đông của bán cầu bắc — nên nếu khoảng cách là nguyên nhân thì mùa sẽ ngược hẳn với những gì quan sát được.)
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Space Physics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.