Дослідницький проект з фізики «Визначення швидкості обертання Сонця ...»

1. 1. Теорія
2. 1.3.Пятна на Сонце

МБОУ «Сухобезводненская середня школа»

Секція: Астрономія

Проект виконала: студентка 10 класу

Варлачева Олена.

Консультант проекту: Булатова Ніна Сергіївна вчитель фізики

р.п. Сухобезводное

2017

1. Введение ........................................................................... 3
2. Основна частина .................................................................. .4

1.Теория

1.1. Обертання Сонця ................................................ 4

1.2. Особливості обертання Сонця .............................. .4

1.3. Плями на Сонці ..................... ...................................... 5

1.4. Обертання плям ................................................... 6

2. Практика

2.1.Наблюденія Галілея .... ............................................. ........ 7

2.2.Наблюденіе обертання плям ................................. .. ......... .8

2.3.Расчети .............................. .. ....................................... .9

1. Висновок ..................................................................... .10

1. Література ..................................................................... ..10

1. Додаток ..................................................................... .11

«Верховним суддею

будь-якої фізичної теорії є досвід »

Л.Д.Ландау

Вступ

Сонце - наша зірка, завдяки якій ми живемо. Але воно так далеко від Землі і вивчаємо астрономію, на жаль, як одну тему в кінці 11 класу. А хотілося б знати більше про космічної погоди, адже від неї залежить наше самопочуття.

Як вивчати Сонце, якщо воно знаходиться на відстані від Землі 150 млн. Км?

Я хочу розрахувати швидкість обертання Сонця навколо осі, перебуваючи на великій відстані від нього.

Ми знаємо, що Земля робить один оборот навколо своєї осі за неповних 24 години. За час одного обороту проходять день і ніч.

А як би міг встановити час одного оберту Землі навколо своєї осі спостерігач на Місяці? Він вважав би, наприклад, скільки разів за тиждень повз його погляду пройде Америка або Африка.

Я можу вчинити точно так же. Для цього ми повинні визначити час звернення великого долгоживущего сонячної плями.

Метою мого дослідження є розрахунок швидкості обертання Сонця навколо своєї осі.

Для досягнення цієї мети я поставила перед собою наступні завдання:

• Поспостерігати за зміною положення сонячної плями протягом місяця.
• Проаналізувати отримані результати.
• Провести розрахунки.

Об'єктом дослідження є Сонце.

Предмет дослідження: зміна положення сонячної плями протягом місяця.

Гіпотеза: зі зміни положення сонячної плями протягом місяця можна судити про період обертання Сонця і розрахувати швидкість обертання і порівняти її з результатами, отриманими вченими.

Результатом дослідження буде:

1.Более глибока інформація про життя Сонця.

2.Уменіе використовувати математичний апарат і інформацію для розрахунків характеристик віддаленого об'єкта.

Актуальність в тому, що знаючи поширення сонячних плям можна судити про фізичні характеристики Сонця.
Оригінальність полягає в тому, що зроблене дослідження є будь-якій зацікавленій особі.

II. Основна частина

1. Теорія

1.1. обертання Сонця

Сонце обертається не від дії внутрішніх сил, а від взаємодії внутрішніх і зовнішніх сил. Сонце обертається завдяки тому, що має однакову внутрішню щільність в двох його протилежних місцях. Якби всередині Сонця в одному місці щільність тіла (тяжкість) була набагато більше, ніж в протилежному місці, то Сонце могло взагалі не обертатися навколо своєї осі. Що є у Юпітера, який не обертається, інакше кажучи: симетричність внутрішніх шарів Сонця - мантії навколо ядра, яке знаходиться посередині Сонця. Обертання пов'язано також з внутрішньої і зовнішньої температурою мантії. Чим більше температура мантії, тим більше швидкість обертання Сонця, яка проявляється в швидкості обертання сонячних плям навколо Сонця. Чим більше швидкість виділення мантійного речовини і його маса в певних пунктах, тим більше швидкість обертання Сонця. Ще атмосфера сонячна тисне на поверхню Сонця в Східному напрямку, створюючи обертання Сонця.

1.2.Особенности обертання Сонця.

Видимий рух сонця добре помітно, якщо спостерігати його плями. Всі плями рухаються по поверхні. Цей рух є частиною загального руху зірки навколо своєї осі.

Спостереження показують, що воно обертається не як тверде тіло, а диференційовано. Це означає, що воно рухається швидше на екваторі і повільніше на полюсах. Газові гіганти: Юпітер і Сатурн, також мають диференціальне обертання.

Астрономи виміряли швидкість обертання Сонця з широти 26 ° від екватора, і виявили, що один оборот навколо осі займає 25,38 днів.

Внутрішні регіони і ядро ​​обертаються разом як тверде тіло. А зовнішні шари, конвективная зона і фотосфера, обертаються з різною швидкістю.

Період обертання (синодичний) змінюється від 27 діб на екваторі до 32 діб у полюсів, обертання Сонця навколо осі відбувається в тому ж напрямку, що і обертання Землі, в площині, нахиленій на 82 ° 45 '' до площини орбіти Землі (екліптики). Астрономи називають це сидерическим періодом обертання, який відрізняється від синодического періоду - кількістю часу, необхідного для того, щоб плями повернулись навколо Сонця, при спостереженні із Землі. Швидкість обертання визначається по видимому руху різних деталей в атмосфері Сонця і по зсуву спектральних ліній в спектрі краю диска Сонця внаслідок ефекту Доплера. Таким чином, було виявлено, що період обертання Сонця неоднаковий на різних широтах.

Один оборот відносно Землі точки з гелиографической широтою 17 ° здійснюють за 27,275 доби (синодичний період). Час обороту Сонця на тій же широті щодо зірок (сидеричний період) становить 25,38 доби.

Для інших широт φ кутову швидкість ω для сидерического обертання Сонця можна за формулою: ω = 14,44 - 3 · sin 2 φ (в градусах на добу)

Сонце, звичайно ж, обертається, але дуже складно:
Сонце має Північний полюс і Південний полюс і обертається навколо своєї осі, також як і Земля. Однак, на відміну від Землі, яка обертається уздовж своєї широти кожні 24 години, Сонце робить повний оборот навколо своєї осі за 22,14 року. Сонце обертається в тому ж самому напрямку, як і Земля.
Сонце робить повний оборот навколо своєї осі за 22 роки 51 день 3 години (плюс-мінус 15 днів). Зірка Сонце є твёрдожідкім тілом. Воно має тверде ядро, навколо ядра гаряча рідка мантія, зверху тверда кора. Обертання Сонця навколо своєї осі дорівнює 22,14 року за 1 оборот, а не 1 рік, 2 роки, 6 років або хоча б 11 років, як у повного циклу сонячної активності.
Сонце оповите, гарячим і палаючим газом, зовнішні шари якого на висоті сонячних плям обертаються навколо Сонця швидше, ніж самі плями. Сонячні плями роблять повний оборот навколо Сонця за 27,5 днів (середнє значення). Це факт. Точніше на екваторі за 25 днів, а віддаляючись від екватора швидкість сонячних плям, зменшується і біля полюсів дорівнює приблизно від 31 днів до 36 днів. Тому вчені вирішили, що Сонце обертається, кожні 25 днів на екваторі і робить прогресивно більш повільне обертання в більш високих широтах, до 35 днів в полюсах.

1. 1.3.Пятна на Сонце

У виникненні темних плям немає нічого незвичайного. Сонце - це величезний вируючий «котел» плазми. Всередині воно гаряче, зовні - холодніше. Через це перепаду температур виникають конвекційні потоки - остиглі маси йдуть вглиб, а на їх місце піднімаються більш гарячі. Температура в плямі на 1500 градусів нижче температури навколишнього їх фотосфери. Все було б добре, якби цього процесу не заважало сильне магнітне поле Сонця. Виявляється, що магнітні вихори можуть локально призупинити конвекцію, не дати остиглим масам опуститися. В результаті, ця область на сонячній поверхні буде холодніше оточуючих, і тому буде виглядати темніше. Це і є темна пляма.

На сьогоднішній же день, вдалося визначити, що плями - це ділянки більш холодного речовини, які формуються в результаті впливу високої магнітної активності, що створює перешкоди для рівномірного струму розжареної плазми. Однак плями все ще залишаються не до кінця вивченими. Наприклад, астрономи не можуть точно сказати, що є причиною виникнення більш яскравою облямівки (тяжів), яка оточує темну частину плями. У довжину вони можуть бути до двох тисяч кілометрів, завширшки - до ста п'ятдесяти.

Вивчення плям ускладнюється порівняно невеликими їх розмірами. Однак існує думка, що тяжі - це висхідні і низхідні потоки газу, утворені в результаті того, що гаряча речовина з надр Сонця піднімається до поверхні, де остигає і провалюється назад вниз. Вчені визначили, що спадні потоки рухаються зі швидкістю в 3,6 тисяч км / год, тоді як висхідні потоки - зі швидкістю близько 10,8 тисяч км / год.

1.4.Вращеніе плям

Якщо порівняти кілька послідовних фотографій Сонця, то можна помітити, як змінюється положення всіх плям на диску. Це відбувається через обертання Сонця. Плями, що знаходяться в безпосередній близькості екватора Сонця, випереджають плями, розташовані в середніх широтах. Отже, швидкості обертання різних шарів Сонця різні. Екваторіальні області роблять один оборот навколо осі Сонця за 25 земних діб, а області поблизу полюсів Сонця - приблизно за 30 діб. Лінійна швидкість обертання на екваторі Сонця становить 2 км. / С. Спостереження показують, що все плями переміщаються від Східного краю до Західному. Отже, Сонце обертається навколо своєї осі в напрямку руху планет навколо нього.

Чи впливають плями на обертання Сонця?

Давно відомо, що екваторіальний пояс Сонця обертається трохи швидше, ніж арктичні. Було також встановлено, що швидкість цього обертання якимось чином пов'язана з розмірами, формою і відносним розташуванням сонячних плям. В даний час доведено, що швидкість обертання Сонця збільшується, коли кількість плям на ньому скорочується. Дослідники проаналізували всі наявні дані про сонячну активність за період між 1921 і 1982 років. і встановили, що протягом кожного її 11-річного циклу найбільша швидкість обертання світила доводиться на час мінімального числа плям.

Більш того, коли в південній півкулі Сонця плям менше, ніж в північному, перше обертається швидше, ніж друге. В середньому ж, якщо взяти весь цикл, то сонячна фотосфера як ціле, очевидно, обертається швидше протягом тих циклів, які здатні меншу кількість плям і менша їх сумарна площа.

Подібний ефект призводить до того, що фотосфера завершує повний оберт навколо осі на 0,5% швидше в періоди низької сонячної активності. Причина такого явища залишається невідомою. Її з'ясування потребують кращого, ніж тепер, розуміння динаміки внутрішніх областей Сонця і виникнення магнітних полів, пов'язаних з його плямами.

2.Практіка.

2.1. відкриття Галілея

Темні плями на Сонці вперше помічені давньо-китайськими астрономами (природно, неозброєним оком). Самим раннім згадкою про спостереження сонячних плям неозброєним оком вважаються записи Гань Де, одного з трьох перших відомих астрономів Стародавнього Китаю, який жив в 4 столітті до н.е. Його сучасники Ши Шень і. У Сянь склали перший великий зоряний каталог.

Наступна згадка про спостереження за сонячними плямами відноситься до 165 року до н. е. В енциклопедії «Нефритовий океан» говориться, що саме в тому році на Сонці з'явився ієрогліф «ван»: пляма виглядала не круглим, а хрестоподібним, схожим на письмовий знак. На думку китайських астрономів, це перший зареєстрований сонячна пляма. Починаючи з 10 травня 28 г. до н. е. кожне нове пляма заноситься в багатотомні літописи імператорського Китаю.

Першим європейським астрономом, хто спостерігав плями на Сонці, як прийнято вважати в історії науки, був Галілео Галілей, йому ж приписується винахід, або, по крайней мере, перше застосування телескопа. Однак ні те, ні інше не зовсім вірно. Галілей не винайшов телескопа, а лише відстоював користь його застосування для вивчення Всесвіту. Що стосується сонячних плям, то перша згадка про них в європейській літературі зустрічається в роботі Ейнгарда «Життя Карла Великого" (807 м). Пізніше їх спостерігали арабські вчені Абу-ль-Фадль Джафар ібн аль-Муктафі в 840 р і Ібн- Рушд в 1196 році, а також італійські астрономи в 1457 Галілей визначив період обертання Сонця, спостерігаючи за рухом плями по диску Сонця. Виявилося, що швидкість обертання речовини Сонця на різних широтах різна. Сонце обертається не як тверде тіло.

«Була потрібна виняткова сила духу, щоб витягти закони природи з конкретних явищ, які завжди були у всіх перед очима, але пояснення яких, тим не менше, випадало від допитливого погляду філософів», - так писав про Галілеї відомий французький математик і астроном Лагранж.

У 1609 р Галілео Галілей самостійно побудував свій перший телескоп з опуклим об'єктивом і увігнутим окуляром. Спочатку його телескоп давав збільшення приблизно в 3 рази. Незабаром йому вдалося побудувати телескоп, що дає збільшення в 32 рази. Сам термін телескоп ввів в науку теж Галілей.

Галілей відкрив також сонячні плями (темні області на Сонце, температура яких знижена приблизно на 1500 К у порівнянні з оточуючими ділянками). Існування плям і їх постійна мінливість спростовували тезу Аристотеля про досконалість небес (на відміну від «підмісячному світу»). За результатами їх спостережень Галілей зробив висновок, що Сонце обертається навколо своєї осі, оцінив період цього обертання і положення осі Сонця.

Галілей відкрив, що Сонце обертається так, як оберталося б тверде тіло, і швидкість обертання його речовини різна в залежності від широт.

2.2.Наблюденія обертання плям

Отже, практична частина моєї роботи: спостереження за плямами в області екватора. Плями рухаються зліва на право, де плями з'являються через краю фотосфери це називається східній, де плями заходять - західній. Я спостерігала плями на видимій частині диска. Мені хотілося «почекати» коли пляма пройдуть іншу сторону диска, але, на жаль фотографії, починаючи з 6 грудня були відсутні або пляма змінювалося в розмірах і формі так, що було сумнівно воно чи це.

Поява плями на східній частині диска

Догляд плями на західній частині диска

Тривалість проходження на видимій частині Сонця

1 березня

18 березня

18

9 липня

23июл

15

16октября

29октября

14

10 листопада

24 листопада

15

2.3.Расчети швидкості.

Припустимо, що плями здійснюють рівномірний рух по колу, тоді V = 2πR / T

T = (15 + 15 + 14 + 15) / 4 = 14, 75 діб - середній час проходження плями по видимому диску Сонця.

Я взяла повний період обертання плями = 28 днів, π = 3,14; радіус Сонця (середній) R = 6,96 × 10 8 м.

V = 2πR / T = 2 · 3, 14 · 6, 96 × 10 8 м / 28 · 24 · 3600 сек = 1, 8 × 10 3 м / с = 2км / с

Тобто лінійна швидкість обертання Сонця приблизно становить 2 км / с

III.Заключеніе

Отже, рух Сонця добре помітно, якщо спостерігати його плями. Всі плями рухаються по поверхні. Цей рух є частиною загального руху зірки навколо своєї осі.

Завдяки роботі комплексу космічних телескопів для дослідження Сонця, можна побачити щоденне стан магнітного поля Землі, спалахи на Сонці та розглянути фотографії Сонця з плямами. Якщо подивитися кілька фотографій, то можна побачити, що плями зміщуються.

Тобто, з'явилася можливість простежити за змінами на Сонце завдяки фотографіям Сонця, виконаним обсерваторією.

Поставлена ​​мною мета: по руху плям визначити з якою швидкістю обертається Сонце, виконана.

Тобто лінійна швидкість обертання Сонця приблизно становить 2 км / с, що відповідає результатам розрахунків вчених.

IV.Істочнікі інформації

1. http://ggreen.chat.ru - стаття "Плями на Сонці"
2. http://www.sunhome.ru - стаття "Плями на поверхні Сонця"
3. http://www.nsu.ru - стаття "Яка історія і функція темної плями на Сонці?"
4. http://www.astronet.ru - стаття "Дивний сонячний протуберанець"

5. http://rudocs.exdat.com/docs/index-400593.html?page=2

6. http://www.tesis.lebedev.ru/- ТесСис - космічна обсерваторія