Giải chuyên đề học tập Vật lí 10 CTST bài 5: Chuyển động nhìn thấy của một số thiên thể trên nền trời sao

Câu hỏi khởi động

Việc quan sát bầu trời sao vào ban đêm hoặc ngắm nhìn Mặt Trời lúc bình minh đều mang đến cho con người cảm giác nhỏ bé trước thiên nhiên. Để tìm hiểu các quy luật vật lí chi phối những hiện tượng được xem là bình thường như: Mặt Trăng khi tròn khi khuyết, sự thay đổi của bầu trời theo từng thời điểm trong năm, Mặt Trời có thật sự là đang chuyển động đi ngang bầu trời không,... chúng ta hãy bắt đầu bằng việc quan sát bầu trời.

Hướng dẫn trả lời:

Việc quan sát bầu trời sao vào ban đêm hoặc ngắm nhìn Mặt Trời lúc bình minh đều mang đến cho con người cảm giác nhỏ bé trước thiên nhiên. Để tìm hiểu các quy luật vật lí chi phối những hiện tượng được xem là bình thường như: Mặt Trăng khi tròn khi khuyết, sự thay đổi của bầu trời theo từng thời điểm trong năm, Mặt Trời có thật sự là đang chuyển động đi ngang bầu trời không,... chúng ta hãy bắt đầu bằng việc quan sát bầu trời.

1. Chuyển động nhìn thấy của một số một số thiên thể.

Câu hỏi 1. Từ kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên 6, em hãy mô tả chuyển động nhìn thấy của Mặt Trời.

Từ kiến thức đã học ở môn Khoa học tự nhiên 6, chuyển động nhìn thấy của Mặt Trời là Mặt Trời mọc ở phía Đông và lặn ở phía Tây.

Câu hỏi 2. Quan sát Hình 5.2, nhận xét độ dài ngày và đêm thay đổi như thế nào tại những nơi quan sát có vĩ độ khác nhau.

Hiện tượng ngày, đêm dài ngắn khác nhau ở những địa điểm có vĩ độ khác nhau, càng xa xích đạo về phía hai cực, càng biểu hiện rõ rệt.

• Tại vị trí ngay xích đạo thì độ dài ngày, đêm là như nhau ở cả hai bán cầu.
• Nơi vĩ độ càng cao ở hai bán cầu, ngày đêm dài ngắn càng rõ rệt ở những nơi có vĩ độ thấp. Chẳng hạn, tại Bắc bán cầu ngày sẽ dài hơn đêm vào mùa hạ, nơi có vĩ độ càng cao thì ngày càng dài hơn so với nơi có vĩ độ thấp. Ngược lại vào mùa đông thì ngày lại ngắn hơn đêm, nơi có vĩ độ càng cao thì ngày càng ngắn hơn so với nơi có vĩ độ thấp.
• Tại vòng cực đến cực, ngày hoặc đêm, có độ dài bằng 24 giờ.
• Tại cực có 6 tháng ngày, 6 tháng đêm.

Luyện tập 1. Dân gian có câu: “Đêm tháng năm chưa nằm đã sáng, ngày tháng mười chưa cười đã tối”. Em hãy giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Do Việt Nam nằm ở Bắc bán cầu, nên vào mùa hạ thì ngày sẽ dài hơn đêm và ngược lại vào mùa đông, ngày sẽ ngắn hơn đêm.

Câu hỏi 3. Quan sát Hình 5.3, kết hợp với những kinh nghiệm của bản thân, hãy cho biết em đã từng thấy Mặt Trăng có những hình dạng nào?

Quan sát Hình 5.3, kết hợp với những kinh nghiệm của bản thân, em đã từng thấy Mặt Trăng có những hình dạng: Trăng tròn, Trăng Khuyết, Trăng lưỡi liềm,…

Luyện tập 2. Quan sát hình 5.5 để mô tả hình dạng và vị trí của Mặt Trăng trong một Tuần Trăng nếu ta quan sát vào 6 ngày khác nhau trong tháng 10 tại Hà Nội vào thời điểm bình minh (khoảng 5h45) (hình 5.5a) và hoàng hôn (khoảng 17h00) (hình 5.5b).

Câu hỏi 4. Nêu sự khác biệt giữa chuyển động của Kim Tinh và Thủy Tinh so với chuyển động của Mặt Trăng. Em đã bao giờ quan sát thấy Kim Tinh hoặc Thủy Tinh chưa?

Hướng dẫn trả lời:

Kim Tinh và Thủy Tinh chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời còn Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo quanh Trái Đất.

Em đã từng quan sát thấy Kim Tinh (thực chất là sao Hôm – quan được vào lúc Mặt Trời vừa lặn ở phía Tây, gọi là sao Mai – quan sát được vào lúc Mặt Trời chuẩn bị mọc ở phía Đông).

Câu hỏi 5. Giải thích tại sao độ sáng của Kim tinh trên bầu trời đêm chỉ nhỏ hơn Mặt Trăng.

Hướng dẫn trả lời:

Độ sáng của Kim Tinh trên bầu trời đêm chỉ nhỏ hơn Mặt Trăng vì:

Kim Tinh là hành tinh gần Mặt Trời thứ hai trong hệ Mặt Trời có kích thước gần bằng với Trái Đất (đường kính của Kim Tinh khoảng 12 103,6 km, nhỏ hơn Trái Đất khoảng 638,4 km và có khối lượng bằng 81,5% khối lượng Trái Đất) và là hành tinh có vị trí gần Trái Đất nhất.

Luyện tập 3. Hãy chế tạo một mô hình hệ Mặt Trời từ những vật liệu thân thiện với môi trường

Hướng dẫn trả lời:

Chế tạo một mô hình hệ Mặt Trời từ những vật liệu thân thiện với môi trường.

• Sử dụng các quả bóng nhựa có kích thước khác nhau, dùng bút màu tô màu cho chúng để có màu sắc tương tự như các hành tinh.
• Sử dụng một đĩa sắt có gắn các trục quay như hình vẽ.
• Mỗi một quả cầu được gắn với một trục và được gắn với một thanh nằm ngang, có gắn với trục quay của đĩa, các thanh nối với các hành tinh ở các độ cao khác nhau để khi quay chúng không bị va chạm vào nhau.

Vận dụng 1. Cách đây 2000 năm, một nhà khoa học người Hy Lạp đã nghĩ ra cách đo chu vi Trái Đất dựa vào bóng đổ của một cây gậy. Vào giữa trưa ngày hạ chí, ông nhận thấy rằng ánh sáng mặt trời chiếu xuống vuông góc thành phố Syene (thành phố Aswan ngày nay) nhưng không vuông góc ở Alexandria. Biết rằng hai thành phố này cách nhau khoảng 5000 stadia (1 stadia = 157 mét). Từ đó, ông đã tiến hành thí nghiệm bằng cách cắm một chiếc gậy thẳng đứng ở thành phố Alexandria vào ngày hạ chí. Vì ánh sáng mặt trời không chiếu vuông góc nên nó sẽ đổ bóng xuống mặt đất. Đo độ dài bóng của cây gậy và độ dài thực tế của gậy vào thời điểm Mặt Trời lên cao nhất, ông đã xác định được góc tạo bởi gậy và ánh sáng mặt trời là khoảng 7o (hình 5.9). Dựa vào số liệu trên, em hãy ước tính chu vi của Trái Đất là bao nhiêu. So sánh với số liệu thực tế ngày nay.

Chu vi Trái Đất: 360o7o.5000.157= 40 371 428,57 m.

Bán kính Trái Đất: 40371428,572π= 6 425 312,417 m. 

So với chu vi và bán kính trên số liệu thực tế ngày nay thì gần đúng.

2. Mô hình Copernicus và hệ Mặt Trời

Câu hỏi 6. Quan sát Hình 5.11, so sánh sự giống và khác nhau giữa hệ địa tâm và hệ nhật tâm.

Sự giống và khác nhau giữa hệ địa tâm và hệ nhật tâm:

• Giống nhau:
• Các thiên thể chuyển động qua tâm không theo một đường tròn.
• Trái Đất và Mặt Trời trong hai hệ tương ứng đều nằm ở tâm đối xứng của quỹ đạo chuyển động của các hành tinh.
• Khác nhau:

Luyện tập 4. Tìm hiểu về lịch sử đấu tranh của các nhà khoa học để bảo vệ mô hình hệ nhật tâm của hệ Copernicus.

Trong thời kì cổ đại bất kỳ ai ngước lên bầu trời đều cho rằng Trái Đất đứng yên và là trung tâm vũ trụ còn Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh còn lại sẽ chuyển động xung quanh Trái Đất. Tư tưởng này lần đầu tiên được đưa ra bởi Aristotle, còn gọi là thuyết địa tâm. Tuy nhiên một thời gian sau đó, người ta lại cho rằng Mặt Trời phải nằm ở trung tâm của vũ trụ và được Corpenicus đề xuất. Thế nhưng nó vẫn không được đón nhận vì sự thống trị của Giáo hội. Từ đó đưa ra nhiều cuộc tranh cãi. Cũng đã có nhiều nhà khoa học đứng ra bảo vệ mô hình hệ nhật tâm thậm chí cả mạng sống của mình.

1) Bruno (1548 - 1600)

Bruno là một nhà văn, nhà bác học và giáo sư người Ý đã dành phần lớn cuộc đời của mình để truyền bá, bảo vệ và phát triển mô hình của Corpenicus lên một mức cao hơn. Ngoài ra ông còn cho rằng: “Vũ trụ là vô tận và đồng nhất, không có chỗ nào đặc biệt hơn  chỗ nào, vì vậy Mặt Trời không phải là trung tâm vũ trụ. Trong vũ trụ có vô số Trái Đất và vô số hệ nhật tâm giống như chúng ta”. Ông bị thiêu sống vào ngày 17/2/1600 vì tội truyền bá tư tưởng dị giáo. Chính vì thế người ta nói rằng Bruno là người đã bảo vệ và phát triển thuyết nhật tâm về mặt triết học.

2) Kepler (1571 – 1630)

Kepler là một nhà thiên văn và vật lý người Đức, dựa vào toán học và nhật kí của TychoBrahe ông đã tìm thấy quỹ đạo của Sao Hỏa và các hành tinh khác là elip. Từ đó ông đưa ra được ba định luật mang tên mình, ba định luật đó đã tạo ra một cơ sở lý thuyết quan trọng với việc nghiên cứu chuyển động của các hành tinh cũng như là chuyển động của các hành tinh xung quanh hành tinh mẹ. Nhờ đó mà hệ nhật tâm đã được chính xác hơn và có thêm sức mạnh để chống đối lại tư tưởng giáo lí thời bấy giờ.

3) Galileo (1564 – 1642)

Galileo Galilei là người đã đi tiếp một bước quyết định. Ông là người đã xây dựng cơ sở vật lí học cho thuyết nhật tâm và chính trong quá trình đó ông đã xây dựng những cơ sở cho một nền vật lí mới – Vật lí học thực nghiệm.

Galileo Galilei đã đứng ra bảo vệ thuyết nhật tâm, ông viết cuốn sách có tên Đối thoại về hai hệ thống thế giới, xây dựng lập luận ủng hộ học thuyết của Copernicus, phản đối quan điểm độc đoán của nhà thờ lúc bấy giờ và chống lại thuyết địa tâm. Tuy nhiên học thuyết của ông đưa ra đã bị nhà thờ và Giáo hội phản bác, coi rằng học thuyết của ông là dị đoan. Cuối cùng, vào năm 1633, ông bị gọi ra trước tòa án dị giáo, bị kết án và ra lệnh bỏ tù, phán quyết này sau đó được đổi thành quản thúc tại gia cho đến khi ông qua đời. Tương truyền rằng, sau khi bước ra khỏi cửa tòa án, ông đã hô to: “Dù sao Trái Đất vẫn quay!”. Mãi hơn 300 năm sau, Giáo hoàng La Mã đã công nhận rằng Galileo Galilei đã đúng. Nhà thờ cũng đã giải tội cho ông.

Câu hỏi 7. Liệt kê các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của các thiên thể quay xung quanh Mặt Trời ( Hình 5.14).

Hướng dẫn trả lời:

Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của các thiên thể quay xung quanh Mặt Trời: Bão từ Mặt Trời, sự biến đổi của hố đen vũ trụ,

3. Giải thích chuyển động nhìn thấy của một số thiên thể

Câu hỏi 8. Dựa vào hình 5.15, giải thích tại sao vào ngày hạ chí, khi quan sát từ chí tuyến Bắc ta lại thấy Mặt Trời đi qua thiên đỉnh.

Hướng dẫn trả lời:

Do trục nghiêng của Trái Đất và sự tự quay quanh trục theo chiều từ Tây sang Đông,  đồng thời quay quanh Mặt Trời nên toàn bộ khu vực nằm giữa chí tuyến Bắc và chí tuyến Nam đều có ít nhất một thời điểm trong năm mà Mặt Trời đi qua thiên đỉnh. Vào ngày hạ chí, Mặt Trời chiếu vuông góc với chí tuyến Bắc, lúc đó hướng mọc và lặn của Mặt Trời có độ lệch cực đại nên ta thấy Mặt Trời đi qua thiên đỉnh.

Luyện tập 5. Dựa vào Hình 5.15 để giải thích hiện tượng 6 tháng ban ngày, 6 tháng ban đêm tại Bắc Cực và Nam Cực.

Hướng dẫn trả lời:

Do trục nghiêng của Trái Đất và sự tự quay quanh trục theo chiều từ Tây sang Đông, đồng thời quay quanh Mặt Trời vào tiết xuân phân hằng năm, Mặt Trời chiếu thẳng vào Xích đạo của Trái Đất. Sau đó, Trái Đất tiếp tục dịch chuyển dần đến mùa hè, Mặt Trời chiếu thẳng vào Bắc bán cầu, tương tự như vậy đến Thu phân, Mặt Trời chiếu thẳng vào Xích đạo và đến mùa đông, Mặt Trời chiếu thẳng vào Nam bán cầu. Như vậy, 2 cực của Trái Đất sẽ luân phiên luôn nhận được ánh sáng từ Mặt Trời trong 6 tháng.

Câu hỏi 9. Quan sát hình 5.16 và vẽ hình ảnh quan sát được của Mặt Trăng trên Trái Đất tại các vị trí từ 1 - 8.

Hướng dẫn trả lời:

Hình ảnh quan sát được của Mặt Trăng trên Trái Đất tại các vị trí từ 1 – 8:

Luyện tập 6. Em hãy điền vào những chỗ còn thiếu ở Bảng 5.1.

Bảng 5.1. Thời gian Mặt Trăng đi lên bầu trời theo các pha trong 1 Tuần Trăng

Câu hỏi 10. Quan sát Hình 5.17 và mô tả sơ lược những đặc điểm chuyển động của Kim Tinh và Trái Đất.

Hướng dẫn trả lời:

Sơ lược những đặc điểm chuyển động của Kim Tinh và Trái Đất:

• Trái Đất chuyển động từ vị trí E₁ → E₂ → E₃ → E₄ → E₅.
• Kim Tinh chuyển động từ vị trí V₁ → V₂ → V₃ → V₄ → V₅.
• Do Kim Tinh chuyển động nhanh hơn Trái Đất nên khi Trái Đất đi từ vị trí E₃ → E₄ thì Kim Tinh đã chuyển động hết một chu kì và bắt đầu chu kì mới để đi từ vị trí V₃ → V₄.

Câu hỏi 11. Quan sát Hình 5.18 để mô tả hình dạng Kim Tinh tại các pha khi quan sát trên bầu trời.

Hướng dẫn trả lời:

Hình dạng Kim Tinh tại các pha khi quan sát trên bầu trời: Khi Kim Tinh ở vị trí đối diện với Mặt Trời là lúc nó đang ở pha tròn nhất (như Trăng tròn). Sau đó, Kim Tinh thay đổi từ pha gần tròn (như Trăng khuyết cuối tháng) đến nửa tròn (như bán nguyệt cuối tháng) và hình lưỡi liềm (như Trăng tàn). Khi hành tinh này nằm giữa Trái Đất và Mặt Trời, nghĩa là nó đang ở pha mới (như Trăng đầu tháng).

Luyện tập 7. Dùng mô hình hệ nhật tâm Corpenicus, em hãy giải thích sự đổi chiều chuyển động của Thủy Tinh.

Tương tự Kim Tinh, do quỹ đạo của Thủy Tinh quanh Mặt Trời có bán kính nhỏ hơn quỹ đạo của Trái Đất nên Thủy Tinh chuyển động với tốc độ góc lớn hơn tốc độ góc của Trái Đất. Xét trong cùng chu kì chuyển động, Thủy Tinh và Trái Đất khi ở gần nhau chúng chuyển động cùng chiều. Khi Trái Đất vẫn còn trong chu kì cũ thì Thủy Tinh đã chuyển động hết một chu kì và bắt đầu chu kỳ mới. Tại vị trí đối diện qua Mặt Trời, Trái Đất và Thủy Tinh chuyển động ngược chiều nhau nên tại Trái Đất, ta quan sát thấy Thủy Tinh đổi chiều chuyển động.

Vận dụng 2. Tìm hiểu và phân tích vai trò của hệ nhật tâm Corpenicus trong sự phát triển của Thiên văn học.

Vai trò của hệ nhật tâm Corpenicus trong sự phát triển của Thiên văn học:

Cuốn sách Về chuyển động của các thiên thể công bố lí thuyết Hệ nhật tâm của Corpenicus đánh dấu sự chấm dứt của thuyết Địa tâm - Coi Trái Đất ở trung tâm vũ trụ. Corpenicus cho rằng Trái Đất là một hành tinh quay xung quanh Mặt Trời một vòng trên một năm và quay quanh trục một vòng trên một ngày. Ông đã khám phá được vị trí chính xác của những hành tinh đã được biết và giải thích sự tiến động của những điểm phân một cách chính xác bởi sự thay đổi vị trí một cách chậm chạp của trục quay của Trái Đất. Ông đã đưa ra giải thích rõ ràng về nguyên nhân gây ra các mùa: rằng trục của Trái Đất không vuông góc với hành tinh trên quỹ đạo của nó. Ông cộng thêm vào sự chuyển động của Trái Đất, theo đó quỹ đạo của nó được giữ hướng về đúng một điểm trên bầu trời trong suốt cả năm từ thời Galileo Galilei, đã có thừa nhận rằng Trái Đất "không" giữ nguyên một hướng khi nó chuyển động.

Thuyết nhật tâm có ảnh hưởng lớn đối với những nhà khoa học về sau này như Galileo và Johannes Kepler, những người đã chấp nhận và đấu tranh cho nó và tìm cách cải thiện nó (đặc biệt là trường hợp của Kepler). Những quan sát của Galileo về các tuần của Kim Tinh đã cho thấy bằng chứng quan sát thực nghiệm đầu tiên cho lí thuyết của Corpenicus. Kepler đã đặt những phép tính toán đầu tiên khi phát triển ba định luật cơ bản về chuyển động của các hành tinh, trong đó có chuyển động elip và không tròn.

Mô hình nhật tâm của Corpenicus là một trong những ý tưởng mang tính cách mạng nhất trong lịch sử nhân loại vì nó liên quan đến một sự thay đổi mô hình cho khoa học.

Bài tập

Bài 1. Hãy cho biết những nhận định sau là đúng hay sai.

Bài 2. Quan sát chuyển động của Kim tinh và Trái Đất ở hình 5.17, ta thấy li giác cực đại trong việc quan sát Kim tinh và Mặt Trời là 48o. Biết khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời là khoảng 150 triệu km, tính khoảng cách giữa Trái Đất và Kim tinh khi đó.

Khoảng cách giữa Tái Đất và Kim Tinh khi đó là: