Bài giảng Thiên văn học
TRꢀꢁNGăĐꢂIăHꢃCăPHꢂMăVĔNăĐꢄNG
KHOAăCꢅăBꢆN
NGUYꢇNăTHꢈăKIꢉUăTHU
BÀIăGIꢆNG
THIểNăVĔNăHꢃC
Quảng Ngưi, 2013
- 1 -
LꢁIăNịIăĐꢊU
Thiên văn học lƠ ngƠnh khoa học nghiên cꢀu sự chuyển động, bản chất vật lí,
cấu tạo hóa học, quá trình phát sinh vƠ phát triển cꢁa các thiên thể vƠ các hệ thiên
thể nhꢂ Mặt Trꢃi, Mặt Trăng, các hƠnh tinh (kể cả Trái Đất), sao chổi, các sao, các
thiên hà, ...
Trong chꢂꢄng trình CĐSP Vật lý, học phần Thiên Văn học có thꢃi lꢂợng 02
tín chỉ tꢂꢄng ꢀng với 30 tiết lên lớp. Việc học Thiên Văn học giúp sinh viên vận
dụng đꢂợc các kiến thꢀc vật lí để nghiên cꢀu các hiện tꢂợng tự nhiên trong vũ trụ,
có đꢂợc thế giới quan chính xác về vũ trụ vƠ sự hình thƠnh vũ trụ.
Tập bƠi giảng Thiên Văn học nƠy đꢂợc biên soạn dùng cho sinh viên CĐSP
ngƠnh Vật lý theo đúng nội dung đư đề ra trong đề cꢂꢄng chi tiết. Trên cꢄ sꢅ tham
khảo các tƠi liệu, giáo trình, bám sát giáo trình Thiên Văn học cꢁa Bộ Giáo dục [1],
chúng tôi sắp xếp lại các kiến thꢀc một cách có hệ thống, chi tiết giúp cho ngꢂꢃi
học dễ dƠng trong việc tiếp thu kiến thꢀc. Sau mỗi chꢂꢄng có phần cơu hỏi ôn tập
vƠ bƠi tập cho sinh viên tự học.
BƠi gảng gồm có 08 chꢂꢄng:
Các chꢂꢄng từ 1 đến 5 trình bƠy các hiện tꢂợng có thể quan sát bằng mắt
thꢂꢃng hoặc các thiết bị đꢄn giản, các qui luật chuyển động cꢁa các thiên thể. Để
học tốt các chꢂꢄng nƠy, trꢂớc hết sinh viên phải nắm vững các định luật, phꢂꢄng
trình mô tả chuyển động cꢁa các thiên thể, ghi nhớ các điểm, các đꢂꢃng cꢄ bản trên
thiên cầu, các hệ toạ độ thiên văn…
Các chꢂꢄng từ 6 đến 8 trình bƠy về thiên văn vật lý. Phần nƠy đề cập đến các
thƠnh tựu thiên văn đꢂợc phát hiện nhꢃ các kĩ thuật, thiết bị, phꢂꢄng pháp, phꢂợng
tiện hiện đại. Vì thꢃi lꢂợng lên lớp cꢁa học phần ít nên các chꢂꢄng nƠy đꢂợc biên
soạn chi tiết cho sinh viên tự đọc.
Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong các thầy
cô đóng góp ý kiến. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi qua email:
- 2 -
BÀIăMꢋăĐꢊU
1. ĐꢌiătꢍợngăcꢎaămônăThiênăVĕnăHꢏc
Thiên Văn Học lƠ một ngƠnh khoa học ra đꢃi rất sớm, cách đơy khoảng 4 ngƠn
năm. Thiên văn học nghiên cꢀu các thiên thể, những vật thể tồn tại trong bầu trꢃi
nhꢂ Mặt Trꢃi, sao, các hƠnh tinh, thiên hƠ, sao chổi...vƠ những qui luật chuyển động
cꢁa chúng.
2.ăNꢐiădungănghiênăcứu
Gồm 3 nội dung chính:
Phát hiện các qui luật chuyển động cꢁa các thiên thể vƠ các hệ thiên thể nhꢂ
Mặt Trꢃi, Mặt Trăng, các hành tinh (kể cả Trái Đất), ...
Nghiên cꢀu thƠnh phần cấu tạo vƠ bản chất vật lý cꢄ bản cꢁa các thiên thể.
Nghiên cꢀu về sự hình thƠnh tiến hoá cꢁa các dải vật chất tồn tại trong vũ trụ.
3.ăPhꢍꢑngăphápănghiênăcứu
Khác với các ngƠnh khoa học khác, Thiên văn học không thể xơy dựng một
phòng thí nghiệm trên Trái Đất. Bꢅi vậy, phꢂꢄng pháp chꢁ yếu lƠ quan trắc thiên
văn.
Bằng mắt thꢂꢃng vƠ chꢁ yếu bằng kính thiên văn ngꢂꢃi ta đư quan sát sự di
chuyển cꢁa các thiên thể để phát hiện ra qui luật chuyển động cꢁa chúng.
Vào giữa thế kỉ XX, kính thiên văn vô tuyến ra đꢃi, có thể quan sát các thiên
thể vƠo ban ngƠy vƠ không lệ thuộc vƠo thꢃi tiết, vƠo các thập kỉ cuối thế kỉ XX, các
trạm vũ trụ bay quanh Trái Đất có ngꢂꢃi lƠm việc mang theo kính thiên văn, đặc
biệt kính thiên văn vũ trụ Hubble phóng ra năm 1990 đư phát hiện ra nhiều đối
tꢂợng thiên văn mƠ trên Trái Đất không thể quan sát đꢂợc. Việc phóng các trạm tự
động lên Mặt Trăng, Hoả Tinh, ... đư lƠm cho ngƠnh khoa học thiên văn có thêm
khả năng nghiên cꢀu mới có tính chất thực nghiệm.
Những hình ảnh mới nhất đꢂợc kính thiên văn Hubble gửi về Trái Đất lƠ các
bꢀc ảnh chụp một phần nhỏ cꢁa một trong những phần rộng lớn có thể quan sát
đꢂợc cꢁa tinh vơn Carina Nebula trong dải Ngơn hƠ. Đó lƠ hình ảnh phần đỉnh cꢁa
- 3 -
một cột, đꢂợc tạo thƠnh từ khí hidro vƠ bụi có chiều cao tới 3 năm ánh sáng, bốc
cao từ tinh vơn nƠy, đang bị hút vƠo vùng ánh sáng chói lọi cꢁa những ngôi sao sáng
cạnh đó.
4. ụănghĩaăcꢎaăviꢒcănghiênăcứuăThiênăvĕnăhꢏc
Cho con ngꢂꢃi một thế giới quan chính xác về vũ trụ vƠ sự tồn tại cꢁa vũ trụ.
Tìm ra nguồn gốc cꢁa vũ trụ vƠ quá trình tiến hoá.
Nghiên cꢀu vũ trụ cho phép ta tìm ra các dạng tồn tại cꢁa vật chất.
Đặt biệt việc nghiên cꢀu thiên văn cho phép ta tìm ra các qui luật chuyển động
cꢁa vũ trụ.
5.ăMꢐtăsꢌăkháiăniꢒmăcꢑăbꢓn
- Sao: lƠ những thiên thể nóng nhꢂ Mặt Trꢃi
- HƠnh tinh: lƠ những thiên thể quay quanh Mặt Trꢃi.
- Vệ tinh: lƠ những vật thể quay quanh Trái Đất quanh các hƠnh tinh.
- Thiên hƠ: lƠ một quần thể sao.
- 4 -
PHꢊNăA
CHUYꢔNăĐꢕNGăCꢖAăCỄCăTHIểNăTHꢔăVÀăTHIểNăVĔNăCꢊU
Chꢍꢑngă1. CꢗUăTRỎCăHꢘăMꢙTăTRꢁI
Chꢂꢄng nƠy đề cập đến các nội dung:
- Quá trình tìm ra Hệ Mặt Trꢃi cꢁa loƠi ngꢂꢃi;
- Cấu trúc cꢁa Mặt Trꢃi: các thƠnh viên, cấu trúc, qui luật chuyển động.
1.1. Bꢚuătrꢛiăsao - Nhꢜtăđꢐngă
1.1.1.ăBꢚuătrꢛiăsao - Kháiăniꢒmăthiênăcꢚu
Nhìn lên bầu trꢃi, ta có cảm giác nhꢂ vũ trụ đꢂợc giới hạn bꢅi một vòm cầu
trong suốt (trên đó có gắn các thiên thể) mƠ trung tơm lƠ nꢄi ta đang đꢀng. Vòm cầu
tꢂꢅng tꢂợng nƠy đꢂợc gọi lƠ thiên cầu.
Những đêm trꢃi quang, bằng mắt thꢂꢃng ta có thể nhìn thấy đꢂợc 6000 sao,
đó lƠ những ngôi sao gần Trái Đất. Bằng kính thiên văn có thể nhìn đꢂợc hƠng tỷ
sao vƠ hƠng triệu thiên hƠ.
Để quan sát bầu trꢃi, ngꢂꢃi xꢂa đư liên kết các ngôi sao thƠnh chòm sao tꢂꢅng
tꢂợng hình dạng một con vật nƠo rồi đặt tên, chẳng hạn các chòm sao Con gấu,
Thiên hậu, Tiên nữ, Tráng sỹ...Các sao trong chòm đều đꢂợc kí hiệu
số sao cũng đꢂợc đặt tên nhꢂ Thiên lang, Chꢀc nữ (sao trong chòm Thiên Cầm),
trong chòm Thiên ꢆng), Bắc cực (sao trong chòm Tiểu
,
,
,
... Một
Ngꢂu Lang (sao
Hùng)...
1.1.2.ăNhꢜtăđꢐng
HƠng ngƠy ta thấy Mặt Trꢃi, Mặt Trăng, các sao...có hiện tꢂợng mọc ꢅ phía
Đông từ từ dịch chuyển trên bầu trꢃi rồi lặn ꢅ phía Tơy, ta có cảm giác nhꢂ toƠn bộ
thiên cầu đang quay quanh một trục xuyên qua nꢄi ta đꢀng. Hiện tꢂợng nƠy gọi lƠ
nhật động, vòng quay lƠ vòng nhật động, có chu kì lƠ một ngƠy đêm.
Trục quay tꢂꢅng tꢂợng nƠy cắt thiên cầu tại 2 điểm gọi lƠ thiên cực. Những
sao cƠng gần thiên cực có bán kính vòng quay cƠng nhỏ, những sao tại thiên cực
- 5 -
nằm yên.
Tây
Bắc
Nam
Tây
Đông
Hình 1.1
1.2.ăĐꢝcăđiꢞmăchuyꢞnăđꢐngăbiꢞuăkiꢟnăcꢎaăMꢝtăTrꢛi,ăMꢝtăTrĕngăvƠăcácă
hành tinh.
Mặt Trꢃi, Mặt Trăng vƠ các hƠnh tinh ngoƠi nhật động ra, chúng còn sự dịch
chuyển đối với các chòm sao. Cách đơy 2000 năm, các nhƠ thiên văn đư rút ra
những nhận xét sau đơy về vũ trụ:
- Mặt Trꢃi vƠ Mặt Trăng từ từ dịch chuyển đối với các sao theo chiều ngꢂợc
với chiều nhật động (từ Tơy sang Đông). Mặt Trꢃi dịch chuyển một vòng đꢂợc
khoảng 365 ngƠy, còn Mặt Trăng thì hꢄn 27 ngƠy.
- Các hƠnh tinh nói chung cũng dịch chuyển đối với các sao theo chiều ngꢂợc
với chiều nhật động nhꢂng cũng có thꢃi kì chúng dịch chuyển theo chiều ngꢂợc lại
nên chuyển động cꢁa chúng trên nền trꢃi sao có dạng hình nút.
- Thuỷ Tinh vƠ Kim Tinh không bao giꢃ ꢅ quá xa Mặt Trꢃi.
- Mặt Trꢃi, Mặt Trăng vƠ các hƠnh tinh dịch chuyển đối với các sao theo các
quỹ đạo rất gần nhau, gần nhꢂ nằm trong cùng một mặt phẳng.
Hoả Tinh
Chòm Sꢂ Tử
Chòm con Tôm
Tháng 8
HoƠng Đạo
Hình 1.2.Chuyển động hình nút cꢁa Hoả Tinh trong các năm 1994-1995
- 6 -
1.3.ăMôăhìnhănhꢜtătơmăCopecnic
VƠo thế kỉ thꢀ II, nhƠ thiên văn học Hy Lạp Plotêmê đư đề xuất một mô hình
vũ trụ gọi lƠ mô hình địa tơm, coi Trái Đất lƠ trung tơm, Mặt Trꢃi, Mặt Trăng vƠ các
hƠnh tinh đều quay quanh nó. Mô hình nƠy không đúng với thực tế.
Đến năm 1543, lƠ năm cuối đꢃi cꢁa mình, Nicolai Copecnic - nhƠ khoa học
ngꢂꢃi Ba Lan đư cho xuất bản cuốn sách: “Về sự quay cꢁa thiên cầu”, trong đó có
mô hình vũ trụ nhật tơm với nội dung chꢁ yếu sau:
- Mặt Trꢃi lƠ trung tơm vũ trụ chꢀ không phải Trái Đất (Hình 1.3)
- Các hƠnh tinh chuyển động quanh Mặt Trꢃi theo quỹ đạo tròn cùng chiều
vƠ gần nhꢂ nằm trong cùng một mặt phẳng. CƠng xa Mặt Trꢃi, hƠnh tinh có chu kì
chuyển động cƠng lớn.
- Trái Đất cũng lƠ một hƠnh tinh. NgoƠi chuyển động quanh Mặt Trꢃi, Trái
Đất còn tự quay quanh một trục xuyên tơm, với chu kì chuyển động lƠ một ngƠy
đêm vƠ cùng chiều chuyển động quanh Mặt Trꢃi.
- Mặt Trăng chuyển động tròn quanh Trái Đất (lƠ vệ tinh cꢁa Trái Đất)
- Thuỷ Tinh vƠ Kim Tinh có quỹ đạo chuyển động bé hꢄn quỹ đạo Trái Đất.
Từ Mặt Trꢃi đi ra các hƠnh tinh: Thuỷ Tinh, Kim Tinh, Trái Đất, Hoả Tinh, Mộc
Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vꢂꢄng Tinh, Hải Vꢂꢄng Tinh, Diêm Vꢂꢄng Tinh.
- Các sao ꢅ rất xa vƠ cố định trên thiên cầu
Thiê
Thuꢡ
Đꢠt
Thổ
Kim
Mꢐc
Hoa
Hꢓi
Hình 1.3. HꢒănhꢜtătơmăcꢎaăCopecnic
- 7 -
1.4.ăSꢢăkhẳngăđꢣnhămôăhìnhănhꢜtătơmăCopecnic
1.4.1.ăQuanăsátăcꢎaăG.Galileă(1564-1642)
Năm 1609, Galile đư chế tạo ra kính viễn vọng để quan sát thiên văn vƠ ông đư
thu đꢂợc một số kết quả:
- Mặt Trăng có dạng hình cầu.
- Phát hiện ra 4 vệ tinh cꢁa Mộc Tinh.
- Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trꢃi lớn hꢄn khoảng cách từ Kim Tinh đến
Mặt Trꢃi.
- Dải Ngơn HƠ gồm vô số các sao
- ꢆớc tính đꢂợc chu kì tự quay cꢁa Mặt Trꢃi khoảng 27 ngƠy.
Đơy lƠ bằng chꢀng thực nghiệm khẳng định sự đúng đắn cꢁa học thuyết
Copecnic.
1.4.2.ăBaăđꢣnhăluꢜtăKeple
Keple - nhà thiên văn học vƠ nhƠ toán học ngꢂꢃi Đꢀc đư dựa trên số liệu quan
trắc Hoả Tinh trong 20 năm cꢁa nhƠ thiên văn học Đan Mạch TikhoBrahe và các số
liệu quan trắc trong nhiều năm cꢁa mình đư xơy dụng nên 3 định luật nổi tiếng cho
biết qui luật chuyển động cꢁa các hƠnh tinh quanh Mặt Trꢃi.
1.4.2.1. Định luật I (1609)
y
“Các hƠnh tinh có quĩ đạo elip mƠ Mặt
Trꢃi ꢅ một trong hai tiêu điểm cꢁa elip đó.”
K
H
x
C
V
p
o
b
r
;
F1
a
c
F2
1 ecos
với p = F2K: thông số cꢁa elip
Hình 1.4
a2 b2
e
: lƠ tơm sai cꢁa
a
elip
a, b lƠ bán trục lớn vƠ bán trục nhỏ cꢁa elip
- 8 -
Khoảng cách từ Mặt Trꢃi đến cận điểm C vƠ viễn điểm V
r a e
c
r a(1 e) .
v
1.4.2.2. Định luật II (1609)
“Bán kính vẽ từ Mặt Trꢃi đến hƠnh tinh quét đꢂợc những diện tích bằng nhau
trong những khoảng thꢃi gian bằng nhau.”
Ta có
S1=S2=S3 nếu t1=t2=t3
Biểu thꢀc định luật
dS
Const
dt
rdl
hay
Const ; với dl rd
2dt
dS r2d
Const
: vận tốc diện tích (diện tích quét đꢂợc
dt
2dt
trong một đꢄn vị thꢃi gian).
Trong một số trꢂꢃng hợp, ngꢂꢃi ta còn viết định luật II ꢅ dạng
r2d
dt
C
.
1.4.2.3. Định luật III (1619)
“ăBình phꢂꢄng chu kỳ quay cꢁa hƠnh tinh thì tỷ lệ với lập phꢂꢄng bán trục lớn
cꢁa quĩ đạo”
T 2
~
a3
T 2 ha3
;
4
2
với h
là hệ số tỷ lệ
G(M m)
4
2
G(M m)
T 2
a3
;
- 9 -
trong đó, M: khối lꢂợng Mặt Trꢃi;
m: khối lꢂợng hƠnh tinh.
Định luật III còn đꢂợc phát biểu ꢅ dạng khác:
Xét hai hƠnh tinh có khối lꢂợng m1 và m2 thì theo định luật Keple, ta có:
4
2a13
T 2
;
1
G(M m1)
3
4
2a2
2
T2
G(M m2 )
T 2 a13
1
vì M m M m2
1
2
3
T2
a2
1.4.3.ăĐꢣnhăluꢜtăvꢤnăvꢜtăhꢠpădꢥn
Ta đư biết các hƠnh tinh chuyển động quanh Mặt Trꢃi còn các vệ tinh chuyển
động quanh hƠnh tinh. Vấn đề đặt ra lƠ lực gì đư đóng vai trò lƠ lực hꢂớng tơm trong
các chuyển động ấy? Niutꢄn đư khái quát vƠ phát hiện ra một định luật chung cꢁa tự
nhiên dựa trên việc nghiên cꢀu 3 định luật cꢁa Kepler, đó lƠ định luật vạn vật hấp
dẫn: “Lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ thuận với tích khối lꢂợng cꢁa chúng vƠ tỉ lệ với
bình phꢂꢄng khoảng cách giữa chúng”
Trong mục nƠy ta sẽ tìm định luật vạn vật hấp dẫn từ các định luật Keple
p
r
1 ecos
Từ phꢂꢄng trình:
(1.2)
(1.3)
2 d
r
C Const
dt
mv2
Phꢂꢄng trình động lực học: d(
) Fdr
;
2
với m lƠ khối lꢂợng hƠnh tinh;
v là vận tốc hƠnh tinh.
F là lực hấp dẫn cꢁa Mặt Trꢃi tác dụng lên hƠnh tinh
Trong hệ toạ độ cực, vận tốc v có biểu thꢀc
- 10 -
dr
v2 ( )2 r2 (
d
2
)
.
(1.4)
dt
dt
Thay (1.4) vƠo (1.3), ta đꢂợc
m
dr
d[( )2 r2 ( )2 ] Fdr
dt dt
d
.
(1.5)
2
m d dr
d
dr
hay
[( )2 r2 ( )2 ] F
.
(1.5a)
2 d
dt
dt
d
d
C
Từ (1.2)
dt r2
dr dr d
dr C
d
1
( )
r
và
C
.
dt dt dt dt r2
Thay vào (1.5a)
m d
d
d 1
{C2[ ( )]2 r
2 C2
r4
dr
} F
2 d
d
r
d
mC2
d
d 1
( )]2
d
1
dr
-->
-->
-->
-->
{
[
( )} F
r2
2
d
d
r
d
d
mC2
d 1 d2
{2 ( )
1
d
1
dr
( )
( )} F
r2
2
d
r
d
2
r
d
d
mC2
1 dr d2
1
2 dr
dr
{2( )
r2 d
( )
} F
2
d
2
r
r3
d
d
mC2 d2
r2
1
1
{
( ) } F
.
(1.5b)
d
2
r
r
1
1
e
Từ (1.2), ta có:
cos
.
r
p
p
Vi phơn 2 lần, ta đꢂợc
d2
d2
1
e
( ) cos
.
r
p
Kết hợp với (1.5b)
- 11 -
mC 2
r2
e
1
r
{ cos
} F
.
p
mC2
r2
1
F
.
p
C2
p
m
r2
F k
Đặt k
là hằng số
.
k có giá trị chung cho mọi hƠnh tinh. Thật vậy:
ab
T
Vận tốc diện tích mƠ hƠnh tinh quét đꢂợc:
.
C2
p
a3
T2
4
2
h
--> k
4 2
. (theo định luật 3 Niutꢄn)
Lực mƠ hƠnh tinh tác dụng lên Mặt Trꢃi lƠ F’ có cùng độ lớn nhꢂng ngꢂợc
chiều với lực F:
' M
r2
F' k
' M
r2
' M
r2
F=-F’
k
k
km = k’M
k
k'
G Const
M
m
Mm
r2
Mm
r2
F G
,
F' G
;
với G = 6,67.10-11N.m2/kg2: hằng số hấp dẫn
1.5. CácăthƠnhăviênătrongăhꢒăMꢝtăTrꢛi
1.5.1.ăMꢝtăTrꢛi
ꢇ trung tơm cꢁa hệ lƠ vật tự phát sáng, phần sáng có dạng hình cầu gọi lƠ
quang cầu, có đꢂꢃng kính 1392000km, mMT = 333000mTĐ = 1,989.1030kg.
Mặt Trꢃi tự quay quanh một trục có chu kì tăng từ xích đạo đến hai cực với
giá trị trung bình khoảng 28 ngƠy.
- 12 -
1.5.2. Các hành tinh
Hệ Mặt Trꢃi gồm có: Thꢁy tinh, Trái Đất, Kim tinh, Hoả tinh, Mộc tinh, Thổ
tinh, Thiên Vꢂꢄng tinh, Hải Vꢂꢄng tinh, Diêm Vꢂꢄng tinh.
Mặt phẳng quỹ đạo cꢁa các hƠnh tinh gần trùng với mặt phẳng quỹ đạo cꢁa
Trái Đất, chỉ lệch vƠi độ. Chỉ có quĩ đạo Thuỷ tinh ꢅ gần Mặt Trꢃi nhất lệch đến 70
vƠ Diêm Vꢂꢄng tinh ꢅ ngoƠi cùng lệch đến 170.
Tơm sai cꢁa phần lớn các hƠnh tinh lƠ bé nên trong nhiều trꢂꢃng hợp có thể
xem quĩ đạo các hƠnh tinh lƠ đꢂꢃng tròn.
1.5.3.ăCácătiꢞuăhƠnhătinh
Hiện nay đư phát hiện ra trên 2500 tiểu hƠnh tinh, chỉ có 4 tiểu hƠnh tinh có
kích thꢂớc lớn hƠng trăm km, số còn lại có kích thꢂớc từ vƠi nghìn đến hƠng chục
km.
1.5.4.ăSaoăchổi,ăsaoăbĕng
Sao chổi lƠ những thiên thể nguội, có kích thꢂớc bé vƠ chuyển động quanh
Mặt Trꢃi với quĩ đạo elip rất dẹt.
Sao băng lƠ những vật thể nhỏ bay quanh mặt Trꢃi trong không gian giữa các
hƠnh tinh, khi đi qua khí quyển Trái Đất thì bốc cháy vƠ phát sáng, nếu cháy không
hết thì phần còn lại sẽ rꢄi xuống Trái Đất nên đꢂợc gọi lƠ thiên thạch.
1.5.5.ăCácăđꢑnăvꢣăđoăkhoꢓngăcáchătrongăthiênăvĕn
- Đꢄn vị thiên văn (đvtv): có độ dƠi bằng khoảng cách trung bình từ Trái Đất
đến Mặt Trꢃi:
1 đvtv = 1,496.1011m
- Năm ánh sáng (nas): có độ dƠi bằng quưng đꢂꢃng truyền cꢁa năm ánh sáng
trong chơn không trong thꢃi gian 1 năm:
1 nas = 9,460.1015m = 6,324.104đvtv
- Parsec (ps): có độ dƠi bằng quưng đꢂꢃng truyền cꢁa ánh sáng trong chơn
không trong thꢃi gian 1 năm: 1 ps = 3,086.1016m = 206265 đttv
- 13 -
CỂUăHꢦIăỌNăTꢧP
1. Hưy giải thích các đặc điểm chuyển động nhìn thấy cꢁa Mặt Trꢃi, Mặt Trăng, các
hƠnh tinh vƠ các ngôi sao theo mô hình nhật tơm Copecnic.
2. Trình bày ba định luật cꢁa Keple vƠ từ ba định luật Keple thiết lập định luật vạn
vật hấp dẫn cꢁa Niutꢄn.
3. Hưy giải thích bằng cách nƠo các pha cꢁa Kim Tinh đꢂợc quan sát bꢅi Galileo,
giúp ông khẳng định mô hình nhật tơm vƠ bác bỏ mô hình địa tơm.
- 14 -
BÀIăTꢧPăCHꢀꢅNGăI
1. Để tìm sao Bắc Cực thì ngꢂꢃi ta dựa vƠo chòm sao Gấu Lớn (Đại Hùng hay còn
gọi lƠ chòm Bắc Đẩu lớn) hoặc chòm sao Thiên Hậu. Sau 2 giꢃ quan sát vị trí
các sao thì vị trí chúng thay đổi nhꢂ thế nƠo?
2. Dựa vƠo hệ nhật tơm Copecnic, hưy giải thích hiện tꢂợng chuyển động hình nút
cꢁa các hƠnh tinh.
3. Giải thích đặc điểm chuyển động nhìn thấy cꢁa thiên cầu, Mặt Trꢃi, Mặt Trăng
vƠ cꢁa các hƠnh tinh theo hệ nhật tơm Copecnic.
4. Dựa vƠo đặc điểm chuyển động nhìn thấy cꢁa Kim Tinh vƠ Thꢁy Tinh, hưy xác
định khoảng cách từ mỗi hƠnh tinh nƠy đến Mặt Trꢃi (theo đꢄn vị thiên văn) vƠ
chu kì chuyển động cꢁa chúng quanh Mặt Trꢃi theo đꢄn vị năm (coi các hƠnh
tinh chuyển động quanh Mặt Trꢃi theo quỹ đạo tròn).
5. Vì sao Kim Tinh có khi xuất hiện vƠo buổi sáng (sao Mai), có khi xuất hiện vƠo
buổi chiều (sao Hôm)?
6. Mộc Tinh cách Mặt Trꢃi 5,2 đvtv. Vậy sau bao nhiêu năm Mộc Tinh đi đꢂợc 1
vòng quanh Mặt Trꢃi?
- 15 -
Chꢍꢑngă2. QUIăLUꢧTăCHUYꢔNăĐꢕNGăCꢖAăCỄCăTHIểNăTHꢔă
TRONGăTRꢀꢁNGăLꢨCăHꢗPăDꢩN
Chꢂꢄng nƠy đề cập đến các vấn đề:
Cách xác định khối lꢂợng cꢁa Trái Đất, Mặt Trꢃi, Mặt Trăng vƠ các hƠnh
tinh...?
Giải thích vì sao Mặt trăng chỉ chạy quanh Trái Đất vƠ cùng Trái Đất chạy
quanh Mặt Trꢃi?
LƠm thế nƠo để phóng đꢂợc các trạm vũ trụ lên Mặt Trăng, lên các hƠnh tinh
vƠ để tới các vì sao xa xăm?
2.1. TráiăĐꢠt
Cũng nhꢂ các hƠnh tinh khác, Trái Đất có dạng hình cầu hꢄi dẹt ꢅ hai cực:
- Bán kính trung bình là 6371,23km.
- Khối lꢂợng: 5977.1018 tấn.
- Khối lꢂợng riêng: 5,5 kg/dm3.
a b
a
1
- Độ dẹt:
298,25
- Chu kỳ tự quay lƠ 23 giꢃ 56 phút.
- Có một vệ tinh lƠ Mặt Trăng.
2.1.1.ăHꢒătoꢤăđꢐăđꢣaălí
Để xác định vị trí cꢁa một điểm trên mặt đất, ngꢂꢃi ta dùng toạ độ cong
với : vĩ độ địa lí, :kinh độ địa lí.
(
,
)
,
Đꢀng ꢅ nửa địa cầu Bắc quan sát bầu trꢃi sao ta thấy bầu trꢃi nhật động ngꢂợc
chiều kim đồng hồ. Mặt phẳng qua tơm O vƠ thẳng góc với trục quay cắt mặt đất
theo một đꢂꢃng tròn gọi lƠ xích đạo. Xích đạo chia Trái Đất lƠ hai nửa Bắc vƠ Nam.
2.1.1.1. Vĩ độ
Đꢂꢃng cꢄ bản để tính vĩ độ địa lí lƠ các vĩ tuyến (lƠ các vòng tròn nhỏ song
- 16 -
song với xích đạo). Xích đạo lƠ vĩ tuyến số 0.
Vĩ độ cꢁa một nꢄi có trị số bằng góc tạo thƠnh bꢅi
CB
.G
A
mặt phẳng xích đạo vƠ đꢂꢃng dơy dọi qua nꢄi đó.
^
O
A AOA'
A’
Vĩ độ cꢁa nꢄi A lƠ:
G’
: ꢀng với ꢅ Bắc bán cầu
0
/2
: ꢀng với ꢅ Nam bán cầu
0
CN
/2
Hình 2.1
2.1.1.2. Kinh độ
Đꢂꢃng cꢄ bản để tính kinh độ lƠ các kinh tuyến (lƠ các vòng tròn đi qua hai
địa cực). Kinh tuyến qua đƠi thiên văn Greenwich (Anh) lƠ kinh tuyến gốc hay lƠ
kinh tuyến số 0.
Kinh độ cꢁa một nꢄi có trị số bằng góc nhị diện tạo bꢅi 2 mặt phẳng chꢀa
kinh tuyến gốc vƠ kinh tuyến đi qua nꢄi đó.
Kinh độ cꢁa A:
G'OA
,
0
3600
,
hoặc 1800
1800
Dấu + ꢀng với nꢄi ꢅ phía Đông kinh tuyến gốc;
Dấu - ꢀng với nꢄi ꢅ phía Tơy kinh tuyến gốc.
Ví dụ: HƠ Nội:
=105052
=-820
LaHabana:
CB
a1
2.1.2.ăSꢢăphꢪăthuꢐcăcꢎaăgiaătꢌcătrꢏngătrꢍꢛngăvƠoăvĩăđꢐăđꢣaălí
a
g0
a2
Theo định luật vạn vật hấp dẫn, một vật ꢅ ngoƠi Trái
Đất cách tơm Trái Đất khoảng r sẽ bị Trái Đất hút một lực:
RD
O
MDm
r2
MDm
(RD h)2
CN
F G
G
;
Hình 2.2
với MĐ là khối lꢂợng Trái Đất,
RĐ là bán kính Trái Đất,
- 17 -
H là độ cao cꢁa vật trên mặt đất.
MDm
Tại mặt đất: h=0 F G
P mg0 (P là trọng lꢂợng cꢁa vật tại mặt
2
RD
đất).
MD
2
g0 G
(2-1)
(2-2)
RD
MD
(RD h)2
ꢇ độ cao h:
g G
Thực tế, giá trị cꢁa g0 còn phụ thuộc vƠo vĩ độ địa lí, vì Trái Đất đang quay
với vận tốc nên có lực quán tính li tơm đặt lên vật nên phꢂꢄng cꢁa trọng lực
không đi qua tơm cꢁa Trái Đất
, gia tốc quán tính lƠ: a 2RDCos
Tại vĩ độ
Lúc này, ta có
g g0 a
g0 2RD cos
g g0 a1 g0 acos
(2-3)
Ta thấy, cƠng tiến về địa cực (
cƠng lớn) thì g cƠng tăng. Hꢄn nữa do Trái
Đất dẹt ꢅ cực nên bán kính Trái Đất cũng phụ thuộc vƠo vĩ độ đại lí.
2.1.3. CáchăxácăđꢣnhăkhꢌiălꢍợngăTráiăĐꢠt
Theo (2-3), để xác định khối lꢂợng Trái Đất MĐ thì cần
M
m
xác định đꢂợc G
T’
O
Xác định hằng số G
M
T
Năm 1789 Herry Cavendish đư xác định đꢂợc hằng số G
bằng cách treo vƠo hai đầu đòn cơn cꢁa một chiếc cơn xoắn
quay quanh O hai quả cầu nhỏ cùng khối lꢂợng m vƠ hai quả
cầu lớn có khối lꢂợng M.
m
d
Hình 2.3
Cho các cặp M - m gần nhau. Do lực hấp dẫn, các quả cầu hút nhau cho đến
khi cơn xoắn đꢂợc cơn bằng, M - m cách nhau đoạn lƠ d.
- 18 -
GMm
d2
Do đối xꢀng nên F Fxoan 2
hd
Đo m, M, d, Fxoắn ta đꢂợc G = (6,67259
0,00085).10-11m3/kgs2
Xác định khối lꢂợng Trái Đất (do Philip Von
m
m
Jolli xác định vƠo năm 1881)
n
d
M
Thiết bị nhꢂ hình 2.4: trên 2 đĩa cơn có 2 quả cầu
nhỏ khối lꢂợng m, khi cho quả cầu ꢅ bên trái lại gần
một quả cầu lớn M thì cơn mất thăng bằng. Để cơn trꢅ
lại thăng bằng, đặt vƠo đĩa cơn kia một khối lꢂợng n.
Hình 2.4
Quả cầu ꢅ đĩa bên trái chịu tác dụng bꢅi lực hấp dẫn cꢁa Trái Đất vƠ M
MDm
2
RD
Mm
d2
F G
G
1
ꢇ đĩa bên phải, hai khối lꢂợng m vƠ n đều chịu tác dụng cꢁa lực hấp dẫn Trái
Đất
MDm
2
RD
Mn
2
RD
F2 G
G
Mm RD
(
Cơn thăng bằng nên F F MD
)2 5,976.1024(kg)
1
2
n
d
2.2.ăBƠiătoánăhaiăvꢜt.ăBiꢞuăthứcăchínhăxácăcꢎaăbaăđꢣnhăluꢜtăKeple
Khi khảo sát chuyển động cꢁa một hƠnh tinh quanh Mặt Trꢃi, cꢁa một vệ tinh
quanh hƠnh tinh mƠ không xét tới tꢂꢄng tác cꢁa các thiên thể khác, tꢀc lƠ xét bƠi
toán hai vật. Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn cꢁa Niutꢄn cho bài toán hai vật, ta
có thể thƠnh lập biểu thꢀc chính xác cꢁa các định luật Keple.
2.2.1.ăSuyăraăđꢣnhăluꢜt III Keple
Xét hai vật có khối lꢂợng m1 và m2 chuyển động quanh khối tơm chung C,
khoảng cách từ chúng đến khối tơm lƠ r1 và r2
C
m1
m
2
r2
r1
Hình 2.5
- 19 -
Vì lực hấp dẫn hꢂớng dọc theo đꢂꢃng nối khối tơm vƠ vật, cả hai cùng quay
trên quĩ đạo cꢁa chúng với chu kì T.
Lực hꢂớng tơm cꢁa chúng đꢂợc xác định bꢅi
m v 2
4
2
1 1
F
m12r m
r
(2.4a)
(2.4b)
1
1
1
1
r
T2
1
2
m2v2
4
2
F2
m22r m2
r
.
2
2
r
T2
2
Theo định luật 3 Niutꢄn: F1=F2
r
m2
r
m2
1
1
r
m
r r m m2
2
1
1
2
1
m2a
Đặt a = r1+r2
r
.
1
m m2
1
Lực hấp dẫn giữa hai vật lƠ Fhd =F1=F2
m m2
a2
4
2
4 2m2a
1
G
m
r m
;
1
1
T2
1 T2 (m m2 )
1
T2 (m m2 )
4
2
G
1
a3
.
(2.5)
Đơy lƠ biểu thꢀc cꢁa định luật 3 Keple.
Xét 2 hành tinh m1 và m2 chuyển động quanh Mặt Trꢃi có khối lꢂợng M
Từ phꢂꢄng trình (2.5), ta có
T2 (M m )
4
2
G
1
1
;
(2.6a)
(2.6b)
a13
T2 (M m )
4
2
G
2
2
.
3
a2
T2 (M m )
T2 (M m2 )
a13
1
1
Từ (2.6a) vƠ (2.6b) suy ra
.
3
a2
- 20 -
Tải về để xem bản đầy đủ
88 trang
13/01/2024
13320
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thiên văn học", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_thien_van_hoc.pdf
