К указанным открытиям следует прибавить … многочисленные измерения длины градусной дуги меридиана … Пьер Симон Лаплас
«Норвегия» описала круг около северного полюса. Затем мы продолжали путь … Курс был взят на юг… Руаль Амундсен
… корабль «Королева» в открытом море был поражен молнией … Когда же наступила ночь, то по положению звезд выяснилось, что из трех компасов, имевшихся на корабле, два, вместо того чтобы указывать на север, стали указывать на юг, а третий стал указывать на запад. Доминик Франсуа Араго
Тот факт, что Земля наша вращается вокруг своей оси, можно обнаружить, не глядя на звезды, скажем с помощью так называемого маятника Фуко. Ричард Фейнман
А так ли хорошо знакомы вам
?
физика+география
С незапамятных времен человек стремился освоить неизведанные земли. Расширяя свои поиски, путешественники, мореплаватели и торговцы нуждались в надежных ориентирах. Рано или поздно они задавались вопросом, как устроена поверхность Земли, насколько Земля тяжела, какую она имеет форму и как движется. Для этого изобретали приборы, помогающие определять местонахождение, рисовали географические карты, искали способы все более точного измерения времени, не забывая поглядывать на звездное небо. А ведь задача узнать, где и когда чтото происходит и как движется, относится к «департаменту» физики – любой ее курс начинается с вопросов, связанных как раз с пространством и временем. Не об этом ли идет речь в приведенных выше цитатах выдающихся ученых и естествоиспытателей? Подключение науки к решению прикладных вопросов позволило в исторически кратчайший срок не только перейти от примитивных навигационных приборов к точнейшим спутниковым системам, но и беспрецедентно расширить наши знания и об устройстве Земли, и обо всем окружающем ее мире. Говоря сегодня о союзе географии и физики, мы никак не могли обойти участие в нем астрономии. Тем самым, мы поднялись еще на одну ступеньку на пути к уже заоблачным высотам, куда устремимся в следующем выпуске «Калейдоскопа».
Вопросы и задачи
- Куда придет путешественник, если все время будет идти на северо-запад? (Моря и горы не учитывать.) 2. Человек прошел 10 км на север, 10 км на запад, 10 км на юг и 10 км на восток и при этом вернулся в исходную точку. Откуда он вышел? 3. Являются ли кругосветные путешествия доказательство шарообразности Земли? 4. Почему Магеллану и его команде было легче определять широту, чем долготу? 5. Календарь на корабле Магеллана после кругосветного путешествия разошелся с портовым календарем на один день. Который из календарей был впереди? 6. Какое небесное явление доказывает шарообразность Земли? 7. Кто из людей и где более всего приближался к центру Земли? 8. Можно ли различие в весе тел и отклонения отвеса в разных точках земного шара считать доказательством вращения Земли? 9. Длина тени, которую отбрасывает предмет, в течение дня меняется. Самая короткая тень – в полдень, к вечеру тень «растет». А есть ли на Земле такое место, где длина тени в течение дня не меняется? 10. Как меняется в течение года длительность дня и ночи на экваторе? 11. Будет ли наблюдаться смена дня и ночи
на Земле, если она перестанет вращаться вокруг своей оси? 12. В высоких широтах солнечные лучи летом слабо греют землю, но неожиданно сильно нагревают предметы, возвышающиеся отвесно. Чем это объяснить? 13. Почему древние греки, ориентируясь по звездному небу, основной осью считали «восток-запад», а не «север-юг», как наши современники? 14. Какая астрономическая система – Птолемея или Коперника – предпочтительнее? 15. При полетах на Северный полюс обычные магнитные компасы работают очень плохо и практически непригодны. Отчего? 16. Если основанию магнитной стрелки дать возможность свободно перемещаться, то под действием постоянного магнита она не только поворачивается, как в поле Земли, но и движется в сторону магнита. Каковы причины различного поведения стрелки?
Микроопыт
Возьмите географическую карту России и глобус. Линейкой измерьте расстояние между Москвой и Хабаровском по карте, а с помощью натянутой нитки – по глобусу. Сравните полученные результаты (не забудьте про масштаб!). Совпали ли они?
Любопытно, что…
…около 600 года до новой эры финикийские мореходы совершили географический подвиг – трехлетнее плавание вокруг Африки. Огибая ее с юга, финикийцы видели, как Солнце движется по небу справа налево, а это свидетельствовало о том, что они действительно побывали в южном полушарии! …еще в 238 году до новой эры греческий ученый Эратосфен Киренский, пользуясь лишь угломером с отвесом и линейкой, сумел рассчитать радиус Земли. Улучшить этот результат удалось только через 2000 лет. …удобную для моряков карту мира, не потерявшую значения и по сей день, на которой параллели и меридианы изображались прямыми, пересекавшимися под углом , опубликовал в 1569 году фламандец Герард Меркатор. …Галилей, открыв спутники Юпитера и измерив периоды их обращения, усмотрел в этом небесные часы «с боем» в момент восхо-
да каждого спутника. Такие часы, предположил ученый, можно было бы использовать для определения географической долготы, в чем крайне нуждались мореплаватели. …в начале XVII века шли долгие споры между последователями Ньютона, считавшими Землю сплюснутой – «мандарином», и астрономами отцом и сыном Кассини, полагавшими ее вытянутой вдоль оси вращения – «лимоном». Измерения длины дуги меридиана около экватора и в полярных областях, проведенные в нескольких экспедициях, подтвердили правоту Ньютона.
…если учесть сплюснутость Земли, то оказывается, что вершина горы Килиманджаро, расположенной вблизи экватора, находится примерно на 6 км дальше от центра Земли, чем вершина самой высокой горы мира – Эвереста.
…еще Христофор Колумб обратил внимание, что во время его плавания магнитная стрелка заметно отклонялась от направления «север-юг». Во избежание волнений на борту, пришлось заявить суеверным морякам, что на это повлияло смещение Полярной звезды. В скором времени такое поведение магнитной стрелки удалось объяснить воздействием магнитного поля Земли. …современная спутниковая навигация позволяет определять местонахождение и скорость перемещения объекта в любой точке земного шара. Для этого приемной системе необходимо регистрировать поступление сигналов по меньшей мере от четырех спутников, по задержке каждого сигнала вычислять расстояния до них, а вместе с тем – и свое точное положение.
Что читать в «Кванте» по теме «Физика+ география»
(публикации последних лет)
- «Физический калейдоскоп» – 2012. Приложение №3, с. 16; 2. «Про волчок и гироскоп» – 2015, №1, с. 28; 3.«Как дятел Спятел планировал отпуск» – 2015, № 5/6, с. 28; 4. «С полюса – на полюс» – 2016, Приложение №2, с. 62; 5. «Расстояние на сфере» – 2017, №4, с. 36; 6. «Сказка про Буратино и его глобус» – 2017, №11, с.24.
Материал подготовил А.Леонович
35
ЛА Б О Р АТО РИЯ
Вот один характерный пример. «Волшебный пропеллер» нам описывают как палочку с зарубками и пропеллером на гвоздике, вбитом в ее торец. Пропеллер крутится, когда другой палочкой водят по зарубкам. Как все просто! Да сейчас это сделаю… И, найдя палочку, начинаю ножом делать на ней зарубки. Но вспоминаю, что лет семьдесят назад не только увидел этот самый фокус на переменке в руках одноклассника, но и повторил его в тот же день на глазах товарищей по двору. Да ведь и делать-то ничего не надо было: на аккуратно очиненный карандаш надевалось лезвие безопасной бритвы, которым мы этот карандаш и точили, карандаш горизонтально зажимался в ложбинке между большим и указательным пальцами, а выпрямленными средним и безымянным пальцами надо было с некоторым усилием вести по парте или по скамейке во дворе. Лезвие вращалось, как винт у самолета! Однако в таком виде опыт описывать трудно. Вот если раз увидеть, дело другое, любой мальчишка поймет и повторит. А вот еще более простой и современный вариант, который доступен и любой девочке. В крышке от какого-то старого лекарства увидел готовый пропеллер с шестью красивыми лопастями и вырезал его с помощью перочинного ножа и ножниц. На фотографии (рис.1) его видно рядом с другим «оборудованием» – авторучкой без пишущего узла, в которую вставляется пропеллерчик, и аккумуляторная бритва – она хорошо вибрирует, дрожит при включении. Вторая фотография (рис.2) показывает, как надо держать ручку с пропеллером, и
«КВАНТА»
Рис. 2. Сборка
остается только прижать к ручке уголок работающей бритвы. Пропеллер крутится как бешеный. Студентам-физикам предлагаемый опыт помогает понять связь вращательного и колебательного движений. И это способствует пониманию такого красивого и важного физического явления, как эффект Зеемана. Вариантов этой эффектной демонстрации много. Трудолюбивый мальчик может вырезать из кусочка дерева, да просто из дощечки, модель самолета, свободно закрепить небольшой пропеллер из жести или даже картона (рис.3). Колебания можно
Рис. 3. Еще один вариант
Рис. 1. Заготовки
организовать той же бритвой или прочной расческой. От вибрации корпуса самолета пропеллер отлично вращается. И уж совсем просто, для самых ленивых, – пропеллер свободно вставляете своей осью в трубочку от старой большеобъемной шариковой ручки или в трубочку для коктейля и легонько ведете по трубочке расческой. Через пять минут освоитесь, найдете место и для пальцев, и для зубцов расчески. Удачи вам!