Full Text Tai Lieu Chuyen de Trai Dat Va Bau Troi [PDF]

Zitiervorschau

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

I THIÊU CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI 1. Thông tin tổng quan về chuyên đề - Tên chuyên đề: Trái đất và bầu trời - Mã số học phần: TN1.6 - Điều kiện tiên quyết: NMK - Số tín chỉ: Lý thuyết Bài tập/Thực hành/Thảo luận Tự học, tự nghiên cứu

03 30 20/6/4 90

2. Yêu cầu cần đạt của chuyên đề Sau khi hoàn thành học phần, học viên vận dụng được các kiến thức, kĩ năng đã học trong dạy học môn Khoa học tự nhiên và đổi mới giáo dục phổ thông, với những biểu hiện tiêu biểu sau: - Trình bày được các khái niệm, kiến thức cơ bản về chuyển động nhìn thấy của Trái Đất, Mặt Trăng; sơ lược về hệ Mặt Trời, hiện tượng ngày đêm, sơ lược về cấu trúc của chất, cấu tạo nguyên tử, cấu tạo hạt nhân, phản ứng hạt nhân với mức độ đáp ứng việc dạy học những học phần tương ứng ở THCS. - Nêu được logic phát triển kiến thức, kĩ năng ở các phần trong môn KHTN: chuyển động nhìn thấy của Mặt Trời; chuyển động nhìn thấy của Mặt Trăng; hệ Mặt Trời, Ngân Hà. - Thực hiện được một số thí nghiệm, thực hành và sử dụng được một số học liệu đa phương tiện trong dạy học các nội dung trong môn KHTN: mô hình giải thích định tính sự mọc lặn của Mặt Trời, một số hình dạng nhìn thấy của Mặt Trăng trong Tuần Trăng; học liệu điện tử chỉ ra được hệ Mặt Trời là một phần nhỏ của Ngân Hà; mô hình chuyển động của phân tử; mô hình phản ứng hạt nhân; mô hình vòng năng lượng trên Trái Đất. - Lựa chọn được nội dung dạy học và cách tiếp cận phù hợp với các yêu cầu cần đạt về phẩm chất và năng lực được nêu trong Chương trình tổng thể và trong môn KHTN. 3. Kế hoạch dạy học HOẠT ĐỘNG

NỘI DUNG CHÍNH

Phần 1. Giới thiệu Học phần và hướng dẫn học tập 1. Giới thiệu

- Giới thiệu giảng viên phụ trách lớp.

- Giới thiệu chương trình bồi dưỡng - Tổ chức lớp: chia nhóm, phát kế hoạch và dụng cụ học tập.

1

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Giới thiệu kế hoạch bồi dưỡng: mục tiêu, thời gian, nội dung bồi dưỡng, hình thức kiểm tra, đánh giá và tài liệu tham khảo.

2. Nhiệm vụ học Nhiệm vụ cụ thể của học viên trong học phần Trái Đất và bầu trời tập là:

1. Nghiên cứu 04 nội dung (từ nội dung 1 đến nội dung 4 tương ứng 4 chương); nghiên cứu các học liệu, các tài liệu văn bản theo hướng dẫn của từng nhiệm vụ học tập. 2. Hoàn thành các bài tập ở mỗi nhiệm vụ học tập bao gồm câu hỏi trắc nghiệm và bài tập tự luận. 3. Hoàn thành bài kiểm tra cuối Học phần. 4. Chuẩn bị các câu hỏi, những vấn đề cần trao đổi để cùng thảo luận với Giảng viên ở các buổi học trực tiếp 3. Yêu cầu cần Sau khi hoàn thành khóa học trên hệ LMS, học viên có khả năng: đạt - Trình bày được các mô hình nguyên tử, cấu trúc nguyên tử hyđrô, lý thuyết Bohr về nguyên tử và các đặc trưng cơ bản của phân tử - Trình bày được cấu trúc và tính chất của hạt nhân, các loại phản ứng hạt nhân - Nêu được cơ chế của phản ứng phân hạch và nhiệt hạch, ứng dụng của hai loại phản ứng này để tạo ra nguồn năng lượng trên Trái Đất. - Trình bày được các đặc trưng của thiên cầu và các hệ toạ độ. - Nêu được cách xác định vị trí của một số ngôi sao, chòm sao trên thiên cầu như sao Bắc Cực, sao Thiên Hậu; cách xác định phương hướng quan sát. - Trình bày được chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Măt Trăng và ảnh hưởng trên Trái Đất. - Vận dụng các kiến thức về chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng để giải thích các hiện tượng như ngày – đêm, Nhật thực – Nguyệt thực, Thuỷ triều, các pha của tuần trăng. - Trình bày được tổng quan về Hệ Mặt Trời. - Nêu được đặc điểm của mô hình Nhật Tâm của Copernicus và ba định luật Kepler về chuyển động của thiên thể

2

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Vận dụng ba định luật Kepler để xác định chu kỳ chuyển động, trục lớn quỹ đạo và khối lượng hành tinh. - Trình bày được các đặc điểm của Thiên Hà – Ngân Hà, mô hình Vũ trụ theo thuyết Big Bang 3. Hoạt động - GV tổ chức một trò chơi để làm quen cùng với các học viên. khởi động - GV hướng dẫn giải đáp những thắc mắc của học viên về các quy định, nội dung, tài liệu tham khảo, cách thức đánh giá của học phần

Phần 2: NỘI DUNG HỌC TẬP NỘI DUNG 1 - Chương 1. Cấu trúc vật chất – từ nguyên tử, phân tử đến hạt nhân đến các hạt cơ bản. Phản ứng hạt nhân (10LT + 5BT) 1. Yêu cầu cần đạt - Trình bày được các được các mô hình nguyên tử, cấu trúc nguyên tử hyđrô, lý thuyết Bohr về nguyên tử và các đặc trưng cơ bản của phân tử. - Trình bày được cấu trúc và tính chất của hạt nhân, các loại phản ứng hạt nhân. - Nêu được cơ chế của phản ứng phân hạch và nhiệt hạch, ứng dụng của hai loại phản ứng này để tạo ra nguồn năng lượng trên Trái Đất.

- Vận dụng được các kiến thức về nguyên tử, hạt nhân và phản ứng hạt nhân để giải quyết các câu hỏi định tính và các vấn đề thực tiễn liên quan. - Thu thập, sử dụng học liệu số để mô tả chuyển động của các phân tử, mô hình phản ứng hạt nhân. - Tìm hiểu hoạt động của nhà máy điện hạt nhân qua mô hình mô phỏng và video, một số ứng dụng của năng lượng hạt nhân trong đời sống. . - Tự đọc và trình bày sơ lược về các hạt cơ bản - Vận dụng được các kiến thức và công thức của lý thuyết Bohr về nguyên tử, các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân, phóng xạ giải quyết các bài tập liên quan đến năng lượng phản ứng, phân rã phóng xạ, sự kích thích của nguyên tử hydro.

3

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2. Nhiệm vụ của người học - Tìm hiểu trước các nội dung liên quan trong giáo trình và tài liệu. - Ghi nhận các nội dung thắc mắc để giảng viên giải đáp trong giờ học - Tìm hiểu và thu thập các học liệu số liên quan - Giải quyết các bài tập, trình bày trước lớp bài giải các bài tập liên quan. 3. Tài liệu/học liệu - Bài powerpoint Nội dung 1 (Chương 1) - Giáo trình tham khảo: [1], [2] - Tài liệu bài tập: [1], [2] 4. Đánh giá cuối nội dung 1 - Công cụ đánh giá: Hệ thống câu hỏi, bài tập - Phương án đánh giá: Dựa vào mức độ chính xác của phần trình bày, thảo luận theo nhóm

NỘI DUNG 2 - Chương 2. Quan sát bầu trời. Mối quan hệ cơ học giữa Trái Đất và bầu trời (8 LT + 8BT + 4ThH) 1. Yêu cầu cần đạt - Trình bày được được các đặc trưng của thiên cầu và các hệ toạ độ. - Vận dụng để xác định vị trí một số ngôi sao, chòm sao trên thiên cầu như sao Bắc Cực, chòm sao Thiên Hậu và phương hướng quan sát. - Trình bày được chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Măt Trăng và ảnh hưởng trên Trái Đất. - Giải thích được các hiện tượng ngày – đêm, bốn mùa Nhật thực – Nguyệt thực, Thuỷ triều, các pha của tuần trăng. - Tự đọc và tìm hiểu được ví trí, đặc điểm chuyển động của các hành tinh, Mặt Trời và Trặt Trăng trên thiên cầu và cách vẽ thiên cầu, xác định vị trí thiên thể dựa trên toạ độ xích kinh, xích vĩ.

4

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Trình bày được cơ sở tính thời gian, ngày sao, ngày Mặt Trời và giờ múi – giờ pháp lệnh - Thực hiện biểu diễn chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh trên nền trời bằng phần mềm Stellarium. - Thực hiện xác định vị trí một số ngôi sao, chòm sao trên bản đồ sao và trên phần mềm Stellarium. - Thực hiện xây dựng ý tưởng thiết kế mô hình ngày – đêm, mô hình các pha của Mặt trăng - Vận dụng được các kiến thức để giải các bài tập về xác định vị trí của sao trên thiên cầu, xác định độ phương và độ cao, xác định điều kiện quan sát và các bài tập về giờ sao, giờ Mặt trời và giờ pháp lệnh. 2. Nhiệm vụ của người học - Tìm hiểu trước các nội dung liên quan trong giáo trình và tài liệu. - Ghi nhận các nội dung thắc mắc để giảng viên giải đáp trong giờ học - Giải quyết các bài tập, trình bày trước lớp bài giải các bài tập liên quan. - Tìm hiểu và tiến hành các mô phỏng trên phần mềm Stellarium - Tìm hiểu và lên ý tưởng thiết kế, thực hiện các mô hình dạy học ngày đêm, các pha của Mặt trăng 3. Tài liệu/học liệu - Bài powerpoint Nội dung 2 (Chương 2) - Giáo trình tham khảo: [1], [3] - Tài liệu bài tập: [1], [4] - Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm Stellarium 4. Đánh giá cuối nội dung 2 - Công cụ đánh giá: Hệ thống bài tập, câu hỏi và thực hành.

5

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Phương án đánh giá: Dựa vào mức độ chính xác của phần trình bày, báo cáo thí nghiệm và thảo luận theo nhóm.

THỰC HÀNH

(4 tiết ThH) - Thực hành sử dụng phần mềm Stellarium để xác định vị trí các chòm sao, chuyển động biểu kiến của Mặt Trăng, Mặt Trời và các hành tinh, mô phỏng các hiện tượng Nguyệt thực – Nhật thực và xác định vị trí chòm sao trên bản đồ sao; xác định phương hướng thực tế. - Thực hành xậy dưng mô hình ngày đêm, mô hình các pha của Mặt Trăng từ các vật liệu đơn giản.

NỘI DUNG 3 - Chương 3. Hệ Mặt Trời (7 LT + 4BT + 2ThH + 2TL) 1.

Yêu cầu cần đạt

- Trình bày được tổng quan về Hệ Mặt Trời, các hành tinh, tiểu hành tinh, sao băng và sao chổi - Trình bày mô hình Nhật Tâm và các định luật Kepler về chuyển động của các thiên thể. - Trình bày được một số đặc điểm về cấu trúc và tính chất của Mặt trời, ảnh hưởng của bức xạ Mặt trời lên Trái Đất. - Thực hiện và lên ý tưởng xây dựng mô hình Hệ Mặt Trời từ các vật dụng đơn giản - Vận dụng được các kiến thức và công thức của ba định luật Kepler để giải các bài toán về chu kỳ, quỹ đạo và khối lượng của các thiên thể trong Hệ Mặt Trời. 2. Nhiệm vụ của người học - Tìm hiểu trước các nội dung liên quan trong giáo trình và tài liệu. - Giải quyết các bài tập, trình bày trước lớp bài giải các bài tập liên quan. - Thực hiện các nhiệm vụ được giao trong phần thảo luận và thực hành theo nhóm.

6

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Ghi nhận các nội dung thắc mắc để giảng viên giải đáp trong giờ học 3.

Tài liệu/học liệu

- Bài powerpoint Nội dung 3 (Chương 3) - Giáo trình tham khảo: [1], [3] - Tài liệu bài tập: [1], [4] 4. Đánh giá cuối nội dung 3 - Công cụ đánh giá: : Hệ thống bài tập, thảo luận và thực hành. - Phương án đánh giá: Dựa vào mức độ chính xác của phần trình

bày, báo cáo thí nghiệm và thảo luận theo nhóm. THẢO LUẬN (2 tiết) THỰC HÀNH (2 tiết)

Thầy/Cô hãy nêu ý tưởng thiết kế và sử dụng một mô hình liên quan đến chuyển động của Trái Đất, Mặt Trăng và Mặt Trời để đưa vào dạy học một chủ đề trong nội dung Trái đất và bầu trời. Học viên hãy đề xuất và thiết kế một mô hình Hệ Mặt Trời từ các vật dụng đơn giản để hướng dẫn học sinh thực hiện.

NỘI DUNG 4 - Chương 4. Thiên Hà – Vũ trụ (5LT + 3BT + 2TL) 1. Yêu cầu cần đạt - Trình bày được tổng quan về Thiên Hà và Ngân Hà, Quasar - Nêu được vị trí của Mặt Trời trong dải Ngân Hà. - Trình bày được các mô hình vũ trụ, thuyết Big Bang và sự tiến hoá của Vũ trụ. - Vận dụng được các kiến thức và công thức để gỉải các bài toán về khoảng cách, vận tốc rời xa của các thiên hà. - Tự đọc và trình bày sơ lược về khái niệm vật chất tối – năng lượng tối. 2. Nhiệm vụ của người học - Tìm hiểu trước các nội dung liên quan trong giáo trình và tài liệu.

7

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Giải quyết các bài tập, trình bày trước lớp bài giải các bài tập liên quan. -Thực hiện các nhiệm vụ được giao trong phần thảo luận theo nhóm. 3. Tài liệu/học liệu - Bài powerpoint Nội dung 4 (Chương 4) - Giáo trình tham khảo: [1], [3] - Tài liệu bài tập: [1], [4] 4. Đánh giá cuối nội dung 3 - Công cụ đánh giá: Hệ thống bài tập, câu hỏi và thảo luận. - Phương án đánh giá: Dựa vào mức độ chính xác của phần trình bày, báo cáo thí nghiệm và thảo luận theo nhóm.

THẢO LUẬN (2 tiết)

Nội dung thảo luận “Thầy/Cô hãy xây dựng ý tưởng triển khai dạy một nội dung kiến thức trong phần về Thiên Hà – Ngân Hà theo hướng phát triển phẩm chất – năng lực của học sinh trong môn Khoa học Tự nhiên”.

4. Học liệu: Giáo trình chính. 1. Nguyễn Thành Đạt (2022), Tài liệu bồi dưỡng chuyên đề Trái Đất và bầu trời (dành cho giáo viên môn KHTN), Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm TP. Hồ Chí Minh. 2. Thái Khắc Định, Nguyễn Văn Hoa, Vật lí nguyên tử và hạt nhân. 3. Trần Quốc Hà, Giáo trình thiên văn học đại cương, ĐHSP, 2008. 4. Phạm Viết Trinh, Bài tập thiên văn, NXB GD, 2009. Danh mục tài liệu tham khảo Tiếng Việt 5. Donat G.Wentzel, Thiên văn vật lí, NXB GD, 2003 6. Nguyễn Đình Noãn, Giáo trình vật lý thiên văn, NXB GD, 2008

8

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

7. Lương Duyên Bình. (2009). Vật lý đại cương. Tập 3 – Phần 1. Quang học và Vật lí nguyên tử & Hạt nhân. NXB Giáo dục. 8. Lương Duyên Bình. (2007). Bài tập Vật lý đại cương. Tập 3. NXB Giáo dục. Tiếng Anh 9. Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2003), Fundamentals of Physics (6th ed), John Wiley & Sons. (530 H100L-f) 10. Fundamental Astronomy 6th ed. 2017 Edition, by Hannu Karttunen (Editor), Pekka Kröger (Editor), Heikki Oja (Editor), Markku Poutanen (Editor), Karl Johan Donner (Editor) Tài liệu trực tuyến 1. https://stellarium.org/vi/ 2. https://www.solarsystemscope.com/

9

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

MỤC LỤC CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC VẬT CHẤT – TỪ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ ĐẾN HẠT NHÂN VÀ CÁC HẠT CƠ BẢN. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ................................... 13 CHƯƠNG 2. QUAN SÁT BẦU TRỜI ....................................................................... 14 MỐI QUAN HỆ CƠ HỌC GIỮA TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI ................................. 14 2.1. Thiên cầu. Các hệ toạ độ ................................................................................ 14 2.1.1. Thiên cầu (Celestial sphere) ...................................................................... 14 2.1.2. Nhật động – phương hướng....................................................................... 15 2.1.3. Các hệ toạ độ địa lí .................................................................................... 16 2.1.4. Các hệ toạ độ thiên văn ............................................................................. 17 2.1.5. Sự liên hệ giữa thiên cầu và địa cầu .......................................................... 19 2.2. Nhật động của bầu trời ..................................................................................... 19 2.2.1. Hiện tượng mọc lặn của thiên thể do nhật động ....................................... 19 2.2.2. Quan sát bầu trời ở những nơi có độ vĩ địa lí khác nhau .......................... 20 2.3. Chuyển động biểu kiến của các hành tinh ........................................................ 21 2.4. Chuyển động biểu kiến của Mặt Trời............................................................... 21 2.5. Cơ sở tính thời gian .......................................................................................... 24 2.5.1. Ngày sao .................................................................................................... 24 2.5.2. Ngày Mặt Trời thực. Ngày Mặt Trời trung bình ....................................... 25 2.5.3. Liên hệ giữa ngày sao và ngày Mặt Trời................................................... 25 2.5.4. Các hệ tính thời gian.................................................................................. 26 2.6. Chuyển động của Mặt Trăng ............................................................................ 27 2.6.1. Mặt phẳng quĩ đạo – Nhiễu loạn ............................................................... 27 2.6.2. Hiện tượng trăng tròn, trăng khuyết. Các pha của tuần trăng ................... 28 2.6.3. Thuỷ triều .................................................................................................. 29 2.7. Mối quan hệ Địa – Nhật – Nguyệt ................................................................... 30 2.7.1. Lịch ............................................................................................................ 30 2.7.2. Nhật – nguyệt thực .................................................................................... 30 2.9. Phần mềm Stellarium và ứng dụg .................................................................... 33 2.9.1. Phần mềm Stellarium ................................................................................ 33 10

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.9.2. Một số ứng dụng trong dạy học chuyên đề Trái Đất và bầu trời. ............. 35 2.10. Câu hỏi và bài tập ........................................................................................... 40 CHƯƠNG 3. HỆ MẶT TRỜI ..................................................................................... 44 3.1. Mô hình Nhật tâm của Copernicus và các định luật về chuyển động của thiên thể ............................................................................................................................ 44 3.1.1. Mô hình Nhật tâm của Copernicus............................................................ 44 3.1.2. Các định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh .......................... 45 3.1.3. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton ..................................................... 47 3.2. Tổng quan về hệ Mặt Trời ................................................................................ 48 3.3. Cấu trúc và hoạt động của Mặt Trời................................................................. 49 3.3.1. Cấu tạo của Mặt Trời................................................................................. 49 3.3.2. Hoạt động và cơ chế sinh ra năng lượng trên Mặt Trời ............................ 50 3.3.3. Ảnh hưởng của hoạt động Mặt Trời đến Trái Đất .................................... 51 3.4. Các thiên thể trong Hệ Mặt Trời ...................................................................... 52 3.4.1. Các hành tinh ............................................................................................. 52 3.4.2. Tiểu hành tinh ............................................................................................ 54 3.4.3. Sao chổi và sao băng ................................................................................. 54 3.5. Câu hỏi và bài tập ............................................................................................. 55 CHƯƠNG IV. THIÊN HÀ – VŨ TRỤ ....................................................................... 58 4.1. Thiên Hà ........................................................................................................... 58 4.1.1. Nguồn gốc và tiến hoá ............................................................................... 58 4.1.2. Phân loại .................................................................................................... 59 4.1.3. Đặc tính vật lý của các thiên hà................................................................. 61 4.2. Dải Ngân Hà ..................................................................................................... 61 4.3. Quasar ............................................................................................................... 63 4.4. Vũ trụ học ......................................................................................................... 63 4.4.1. Nguồn gốc của vũ trụ ................................................................................ 64 4.5. Vật chất tối và năng lượng tối .......................................................................... 67 4.5.1. Vật chất tối ................................................................................................ 67 4.5.2. Năng lượng tối ........................................................................................... 68 4.6. Câu hỏi và bài tập ............................................................................................. 69 11

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

PHỤ LỤC .................................................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 80

12

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

CHƯƠNG 1. CẤU TRÚC VẬT CHẤT – TỪ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ ĐẾN HẠT NHÂN VÀ CÁC HẠT CƠ BẢN. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN (Nội dung giảng dạy chương này nằm trong tài liệu giảng dạy học phần Vật lý nguyên từ và hạt nhân của Thái Khắc Định, Nguyễn Văn Hoa – Khoa Vật lý – Đại học Sư phạm TP. HCM năm 2003)

Chương 1. Cấu trúc vật chất – từ nguyên tử, phân tử đến hạt nhân đến các hạt cơ bản. Phản ứng hạt nhân 1.1. Đại cương về nguyên tử, phân tử 1.1.1. Mẫu nguyên tử. 1.1.2. Lý thuyết Bohr và cấu trúc nguyên tử hyđrô. Sự kích thích nguyên tử. 1.1.3. Phân tử 1.2. Cấu trúc và tính chất của hạt nhân 1.2.1. Cấu tạo của hạt nhân 1.2.2. Các tính chất của hạt nhân 1.2.3. Các mẫu vỏ hạt nhân 1.3. Phản ứng hạt nhân 1.3.1. Hiện tượng phân rã của các hạt nhân không bền 1.3.2. Các phản ứng hạt nhân 1.3.3. Phản ứng phân hạch và nhiệt hạch 1.4. Các hạt cơ bản (tự đọc có hướng dẫn) 1.5. Câu hỏi và bài tập chương 1

13

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

CHƯƠNG 2. QUAN SÁT BẦU TRỜI MỐI QUAN HỆ CƠ HỌC GIỮA TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI 2.1. Thiên cầu. Các hệ toạ độ 2.1.1. Thiên cầu (Celestial sphere)

Khi đứng trên Trái Đất chúng ta nhìn Mặt Trời, Mặt Trăng và các ngôi sao trên bầu trời thì bầu trời như một mặt cầu trong suốt có tâm ở nơi quan sát và có bán kính vô cùng lớn mà trên đó gắn các thiên thể. Mặt cầu tưởng tượng như vậy được gọi là thiên cầu, người ta sử dụng mặt cầu này để xác định vị trí các thiên thể trên bầu trời. Do bán kính Trái Đất rất nhỏ so với bán kính thiên cầu nên có thể chọn bất kì điểm nào trên Trái Đất làm tâm thiên cầu. Giả sử người quan sát đứng tại tâm O trên Trái Đất, qua đó ta vẽ được một thiên cầu là mặt cầu bán kính R như hình 2.1.

Hình 2.1. Thiên cầu và các đường điểm cơ bản trên thiên cầu Một số đường và điểm cơ bản trên thiên cầu được xác định như trên hình 2.1 để làm cơ sở xác định vị trí các thiên thể gồm: + Thiên đỉnh Z – thiên để Z’

14

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

+ Đường chân trời (vòng BĐNT): người quan sát đứng trên bề mặt Trái Đất chỉ quan sát thấy phần thiên cầu chứa thiên đỉnh Z nằm trên đường chân trời, phần dưới bị mặt đất che khuất. Khi thiên thể mọc và lặn thì được xem đang ở trên đường chân trời. + Thiên cực PP’ là trục quay của thiên cầu song song với trục quay của Trái Đất. Trục này cắt thiên cầu tại hai điểm: P được gọi là thiên cực Bắc, P’ là thiên cực Nam. + Xích đạo trời là mặt phẳng qua tâm O vuông góc với thiên cực PP’ và cắt đường chân trời tại hai điểm: Đông (Đ) và Tây (T). + Kinh tuyến trời là vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh Z và thiên cực P, cắt đường chân trời tại hai điểm Bắc (B) và Nam (N). Đường nửa này BN là hình chiếu của kinh tuyến trời lên mặt phẳng chân trời. Bên cạnh đó trên thiên cầu còn chia thành các vòng thẳng đứng là các vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh, thiên để và vuông góc với đường chân trời và các vòng giờ là các vòng tròn đi qua 2 thiên cực và vuông góc với xích đạo trời. Có thể thấy kinh tuyến trời vừa là vòng thẳng đứng, vừa là vòng giờ. 2.1.2. Nhật động – phương hướng

Chuyển động tự quay của Trái Đất gây ra chuyển động chuyển động biểu biến của thiên cầu quanh trục PP’ (trục vũ trụ) với chu kì là một ngày đêm. Hiện tượng này gọi là nhật động, khi các thiên thể nhật động thì chúng sẽ tạo trên những vòng tròn nhỏ song song với xích đạo trời. Do Trái Đất quay theo chiều từ Tây sang Đông nên chiều nhật động của các thiên thể sẽ từ Đông sang Tây, tương ứng với chiều mọc và lặn của Mặt Trời. Hiện nay, Thiên cực Bắc rất gần sao Bắc Cực (Polaris). Khi nhìn về phía Thiên Cực Bắc, chúng ta cảm giác sao Bắc Cực gần như đứng yên, còn các ngôi sao khác chuyển động với chiều nhật động là chiều ngược chiều kim đồng hồ như trên hình 2.2. Trong một ngày đêm thiên thể sẽ mọc ở chân trời đông, qua kinh tuyến trên và lặn xuống chân trời tây, ta không thể quan sát được thiên thể khi qua kinh tuyến dưới cho đến khi mọc lại vào ngày hôm sau.

Hình 2.2. Chiều Nhật Động khi quan sát ở bầu trời phương Bắc

15

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Để xác định phương hướng khi đi trên biển hay trong sa mạc, người ta sẽ tìm vị trí của sao Bắc Cực trên bầu trời đêm. Có thể xác định vị trí của Sao Bắc Cực dựa vào chòm sao Gấu Lớn (Ursa Major), kéo dài đoạn thẳng nối sao Merak (β Uma) đến sao Dubhe (α Uma) một đoạn gấp khoảng 5 lần đoạn đó sẽ đến sao Bắc Cực như trên hình 2.3 a, đây cũng là sao  thuộc chòm sao Gấu Nhỏ (Ursa Minor). Cách khác là dựa vào chòm Thiên Hậu (Cassiopeia), khi chòm sao Gấu Lớn ở dưới chân trời thì ta vẽ đường vuông góc tại sao γ Cas của chòm Thiên Hậu với đoạn thẳng nối ngôi sao này và sao Ruchbah (δ Cas) rồi kéo dài khoảng 7 lần độ dài đoạn nối hai sao này để xác đinh sao Bắc Cực như trên hình 2.3 b

Hình 2.3. Vị trí Sao Bắc Cực trên bầu trời phương Bắc 2.1.3. Các hệ toạ độ địa lí

Trái Đất tự quay quanh một trục xuyên qua khối tâm, trục tưởng tượng này cắt mặt đất ở hai địa cực Bắc và Nam. Mặt phẳng vuông góc với trục quay, cắt mặt đất theo một đường tròn gọi là xích đạo, các vòng tròn nhỏ song song với xích đạo gọi là vĩ tuyến. Các vòng tròn lớn đi qua hai cực gọi là kinh tuyến. Kinh tuyến đi qua Đài quan sát thiên văn Hoàng gia ở Greenwich, Anh được quy ước là kinh tuyến gốc (kinh tuyến số 0) Mỗi điểm trên mặt đất được xác định bởi độ vĩ φ và độ kinh λ. Độ vĩ được tính từ xích đạo đến hai cực, có giá trị 00  900 về phía Bắc bán cầu, 00  - 900 về phía Nam bán cầu. Độ kinh tính từ kinh tuyến gốc theo chiều tự quay của Trái Đất, có giá trị 00  3600.

16

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.4. Hệ toạ độ địa lí 2.1.4. Các hệ toạ độ thiên văn

Tuỳ thuộc vào các điểm và đường cơ bản trên thiên cầu ta có các hệ toạ độ khác nhau. a. Hệ toạ độ chân trời - Vòng cơ bản: đường chân trời, kinh tuyến trên - Điểm cơ bản: thiên đỉnh Z, điểm nam Z - Toạ độ: độ cao h và độ phương A Vẽ vòng thẳng đứng qua thiên thể M cắt đường chân trời thì ta được hình chiếu M’ của M trên đường chân trời. Khi đó: + Độ cao h của thiên thể M là cung MM’ hay góc MOM’ (00  900), cho biết khoảng cách từ thiên thể đến đường chân trời. Người ta cũng có thể thay độ cao bằng khoảng các đỉnh z, ta có: h + z = 90o + Độ phương A là cung NM’ hay góc NOM’ được tính theo chiều nhật động từ điểm N (00  3600 hay 001800Đ và 001800T, cho biết phương hướng quan sát thiên thể. - Đặc điểm: hệ toạ độ chân trời phụ thuộc vào thời điểm và vị trí quan sát do phụ thuộc vào nhật động của thiên thể.

17

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.5. Hệ toạ độ chân trời b. Hệ toạ độ xích đạo 1 - Vòng cơ bản: xích đạo trời, kinh tuyến trời - Điểm cơ bản: thiên cực P, giao điểm Q’ của xích đạo trời và kinh tuyến trời - Toạ độ: xích vĩ δ và góc giờ t. Vẽ vòng giờ qua thiên thể M cắt xích đạo trời thì ta được hình chiếu M’ của M trên xích đạo trời. Khi đó: + Xích vĩ δ là cung NM hay góc MOM’ (00  900 về phía Bắc thiên cầu, 00  - 900 về phía Nam thiên cầu). + Góc giờ t là cung Q’M’ hay Q’OM’ tính theo chiều nhật động từ điểm Q’ (00  3600 hay 0h  24h) - Đặc điểm: xích vĩ không thay đổi, còn góc giờ vẫn thay đổi theo nhật động của thiên thể và phụ thuộc nơi quan sát. c. Hệ toạ độ xích đạo 2 - Vòng cơ bản: xích đạo trời - Điểm cơ bản: điểm xuân phân γ (giao điểm của xích đạo trời QQ’ và hoàng đạo HH’). - Toạ độ: xích vĩ δ và xích kinh . Xích kinh  là cung γM’ hay góc γOM’ tính theo chiều ngược với chiều nhật động (00  3600 hay 0h  24h)

18

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

- Đặc điểm: xích kinh và xích vĩ không phụ thuộc vào nơi quan sát và nhật động của thiên thể. Vì vậy hệ toạ độ này dùng để ghi toạ độ các thiên thể trên bầu trời trong các bản đồ sao và dùng trong nghiên cứu thiên văn.

Hình 2.6. Các hệ toạ độ xích đạo 1 và 2 2.1.5. Sự liên hệ giữa thiên cầu và địa cầu

- Định lí về độ cao của thiên cực: độ cao thiên cực Bắc bằng vĩ độ địa lí nơi quan sát. hP = φ - Xích vĩ của thiên đỉnh bằng vĩ độ nơi quan sát: δz = φ 2.2. Nhật động của bầu trời 2.2.1. Hiện tượng mọc lặn của thiên thể do nhật động

Tuỳ theo vĩ độ φ của nơi quan sát mà xích đạo trời tạo với đường chân trời một góc β = 90 – φ xác định, khi đó vòng nhật động của thiên thể có thể : 0

- Cắt đường chân trời tại 2 điểm : thiên thể có mọc, có lặn (mọc ở phía đông, lặn ở phía tây. Nếu thiên thể ở trên xích đạo trời thì mọc ở đúng điểm Đông và lặn ở đúng điểm Tây. Trong trường hợp ở bắc thiên cầu thì mọc ở đông băc lặn ở tây bắc, còn ở nam thiên cầu thì mọc ở đông nam và lặn ở tây nam. - Không cắt đường chân trời : thiên thể không bao giờ mọc, hoặc không bao giờ lặn. - Tiếp xúc với đường chân trời : thiên thể không lặn hoặc không mọc.

19

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.7. Sự mọc lặn của thiên thể theo nhật động ở vĩ độ φ 2.2.2. Quan sát bầu trời ở những nơi có độ vĩ địa lí khác nhau

- Ở xích đạo (φ = 0) : trục vũ trụ PP’ trung với đường bắc nam nên vòng nhật động của các thiên thể vuông góc với đường chân trời nên tất cả thiên thể có thời gian mọc và lặn bằng nhau trong ngày, ta có thể quan sát được toàn bộ bầu trời sao. - Ở độ vĩ tuỳ ý (0 < φ < 900) : sự lặn mọc của thiên thể phụ thuộc vào xích vĩ của nó, trong đó có những sao không bao giờ mọc. Như vậy ở vĩ độ trung gian không thể quan sát được toàn bộ bầu trời sao. - Ở địa cực (φ = 900) : chỉ quan sát được một nửa bầu trời. Các vòng nhật động song song với mặt phẳng chân trời nên các sao có xích vĩ δ < 0 không bao giờ mọc.

Hình 2.8. Quan sát bầu trời ở các độ vĩ khác nhau 20

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.3. Chuyển động biểu kiến của các hành tinh Bằng mắt thường chúng ta chỉ có thể quan sát thấy 5 hành tinh trong hệ Mặt Trời là Thuỷ tinh, Kim tinh, Hoả tinh, Mộc tinh và Thổ tinh. So với các ngôi sao thì độ sáng của các hành tinh trên nền trời ổn định hơn, ít nhấp nháp do chúng ở gần Trái Đất hơn rất nhiều so với các ngôi sao. Nếu quan sát trong nhiều ngày thì sẽ thấy vị trí của các hành tinh trên bầu trời đêm sẽ thay đổi giữa các chòm sao, tạo thành quỹ đạo thắt nút trên nền trời như chuyển động của Hoả tinh trên nền trời ở hình 2.9. Hình 2.9. Quỹ đạo thắt nút của Hoả tinh trên nền trời 2.4. Chuyển động biểu kiến của Mặt Trời Quỹ đạo chuyển động biểu kiến của Mặt Trời trên thiên cầu trong một năm gọi là hoàng đạo. Hoàng đạo đi qua 12 chòm sao, tương ứng với mỗi tháng Mặt Trời đi qua một chòm sao như bảng dưới đây. Tháng Biểu tượng

Tháng Biểu tượng

Chòm sao

Chòm sao

1

Ma Kết (Capricorn)

7

Cự Giải (Cancer)

2

Bảo Bình (Aquarius)

8

Sư Tử (Leo)

3

Song Ngư (Pisces)

9

Xử Nữ (Virgo)

4

Bạch Dương (Aries)

10

Thiên Bình (Libra)

5

Kim Ngưu (Taurus)

11

Thiên Yết (Scorpio)

6

Song Tử (Gemini)

12

Nhân Mã (Sagittarius)

Chu kì dịch chuyển của Mặt Trời trên Hoàng Đạo chính là chu kì chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời bằng 365,25 ngày. 21

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Các kết quả quan sát cho thấy hướng của thiên cực gần như không đổi với các sao nên trục quay của Trái Đất cũng không đổi phương trong không gian. Mặt phẳng hoàng đạo nghiêng với xích đạo Trái Đất một góc ε = 23027’ như trên hình 2.10. Do đó, hàng năm xích vĩ δ của Mặt Trời biến thiên từ -23027’ đến +23027’. Trục quay của Trái Đất làm với mặt phẳng hoàng đạo của góc bằng 66033’.

Hình 2.10. Mặt phẳng Hoàng đạo và các điểm phân, điểm chí trên thiên cầu. Điểm cắt giữa 2 mặt phẳng Hoàng đạo và xích đạo trời là điểm xuân phân γ và điểm thu phân Ω. Trên hình 2.10, còn có hai điểm khác đối tâm là điểm hạ chí (δ = +23027’) và điểm đông chí (δ = -23027’).

Hình 2.11. Các mùa trong năm theo chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời. 22

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hàng năm Mặt Trời đi qua điểm Xuân phân ( = 0) từ Nam thiên cầu lên Bắc thiên cầu vào ngày 21/3. Ngày 22/6 Mặt Trời đi qua điểm Hạ chí ( = 6h). Ngày 223/9 đi từ Bắc thiên cầu xuống Nam thiên cầu qua điểm Thu phân ( = 12h). Ngày 22/12 Mặt Trời đi qua điểm Đông chí ( = 18h). Sau đó Mặt Trời lại trở về điểm Xuân phân như trên hình 2.11. Xích kinh của Mặt Trời cũng biến thiên từ 0 đến 24h. Vì vậy, điểm mọc và lặn của Mặt Trời cũng như thời gian ở trên và lặn dưới chân trời hàng ngày cũng thay đổi trong một năm. Vị trí

Ngày

Xích vĩ δ

Xích kinh 

Độ dài ngày so với đêm

Xuân phân

21/3

0

0

Ngày = Đêm

Hạ chí

22/6

+23027’

6h

Ngày dài nhất trong năm

Thu phân

23/9

0

12h

Ngày = Đêm

Đông chí

22/12

-23027’

18h

Ngày ngắn nhất trong năm

Vào các ngày Xuân phân và Thu phân, Mặt Trời đi qua xích đạo trời thì ngày dài bằng đêm và thông lượng bức xạ Mặt Trời truyền đến hai nửa địa cầu như nhau. Khi Mặt Trời đi qua nửa thiên cầu Bắc (δ > 0) thì ngày dài hơn đêm và thông lượng bức xạ truyền đến bán cầu Bắc nhiều hơn bán cầu Nam. Ngược lại khi Mặt Trời đi qua nửa thiên cầu Nam (δ < 0) thì thông lượng bức xạ đến bán cầu Bắc ít hơn và cực tiểu vào ngày Đông chí. Sự thay đổi có tính quy luật này là cơ sở cho 4 mùa: xuân, hạ, thu và đông trng một năm. Thời gian lặp lại của một chu kỳ 4 mùa gọi là năm xuân phân, tức thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt Trời qua điểm xuân phân γ. Ở phương Tây thì 4 ngày ở bảng trên là ngày bắt đầu 4 mùa, còn ở Á Đông thì 4 ngày đó là ngày giữa 4 mùa. Một điều cần chú ý là Nam bán cầu sẽ có các mùa ngược với Bắc bán cầu, nếu ở Bắc bán cầu là mùa hạ thì Nam bán cầu là mùa đông. Mặt khác do xích vĩ Mặt Trời thay đổi trong năm nên ở những nơi có độ vĩ khác nhau trên Trái Đất thì ngày và đêm cũng khác nhau. Ở xích đạo thì độ dài ngày luôn bằng đêm, càng lên các độ vĩ cao thì chênh lệch độ dài ngày – đêm càng lớn. Từ độ vĩ 66033’ đến hai địa cực thì có ngày hoặc đêm địa cực dài 24 giờ, còn ở hai địa cực chỉ có một ngày đêm trong năm (6 tháng ngày, 6 tháng đêm). Lưu ý năm xuân phân khác với chu kỳ quay của Trái Đất quanh Mặt Trời, chu kỳ này gọi là năm vũ trụ. Sự khác biệt này là do hiện tượng tuế sai của điểm xuân phân. Sự chênh lệch giữa năm xuân phân và năm vũ trụ khoảng 20 phút 20 giây mỗi năm.

23

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.5. Cơ sở tính thời gian Nếu đơn vị năm dựa trên qui luật chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời thì với đơn vị cơ bản nhỏ hơn người ta dựa vào sự nhật động của bầu trời hay qui luật tự quay của Trái Đất. Trong thiên văn người ta thường qui ước 3 loại ngày khác nhau: - Ngày sao: dựa vào nhật động của các sao. - Ngày Mặt trời thực: dựa vào sự nhật động của Mặt Trời - Nyà Mặt trời trung bình: tính đến sự chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời. 2.5.1. Ngày sao

Ngày sao là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp điểm Xuân phân đi qua kinh tuyến trên tại nơi quan sát. Người ta quy ước ngày sao tại mỗi nơi bắt đầu (0h sao) lúc điểm Xuân phân đi qua kinh tuyến trên ở nơi đó. Do nhật động. góc giờ t của điểm Xuân phân tăng dần, đi hết một vòng 3600 (trở lại kinh tuyến trên) thì một ngày sao (24h sao) đã trôi qua. Vì vậy, giờ sao trong ngày ở một nơi có giá trị bằng góc giờ s của điểm Xuân phân tại nơi đó. 1 ngày sao = 24 giờ sao = 24 x 60 phút sao = 24 x 60 x 60 giây sao Điểm xuân phân γ không quan sát trực tiếp được trên thiên cầu, nên trong thực hành người ta xác định giờ sao gián tiếp qua việc quan sát một ngôi sao nào đó.

Hình 2.12. Cơ sở tính ngày sao dựa vào nhật động của ngôi sao Trong hình 2.12, giờ sao của nơi quan sát có giá trị bằng cung γQ’. Mà cung γQ’ = γM’ + M’Q’ nên s =  + t, trong đó  là xích kinh và t là góc giờ của ngôi sao. Khi ngôi sao qua kinh tuyến trên (t = 0) thì giờ sao tại thời điểm đó bằng xích kinh của ngôi sao. Ngày sao, giờ sao sử dụng chủ yếu trong quan trắc thiên văn.

24

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.5.2. Ngày Mặt Trời thực. Ngày Mặt Trời trung bình

Ngày Mặt Trời thực là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt Trời đi qua kinh tuyến trên tại nơi quan sát. Người ta qui ước ngày Mặt Trời thực tại mỗi nơi bắt đầu (0h) lúc Mặt Trời đi qua kinh tuyến dưới tại nơi đó (nửa đêm thực). Do nhật động, góc giờ Mặt Trời biến thiên nên giờ Mặt Trời thực được xác định bằng góc giờ của Mặt Trời (t). Tuy nhiên, góc giờ của Mặt Trời được tính từ kinh tuyến trên nên công thức tính giờ Mặt Trời thực là: T = t + 12h (góc giờ của kinh tuyến dưới) Khi Mặt Trời qua kinh tuyến trên thì giờ Mặt Trời thực là T = 0 + 12h = 12h (giữa trưa). Còn khi qua kinh tuyến dưới thì T = 12h + 12h = 24h (hay 0h giữa đêm) Các ngày Mặt Trời thực trong một năm dài không bằng nhau do tốc độ chuyển động quanh Mặt Trời của Trái Đất không đều trên quỹ đạo làm mỗi ngày Mặt Trời dịch chuyển trên hoàng đạo các cung không bằng nhau. Một nguyên nhân khác là do góc giờ Mặt Trời phụ thuộc vào vị trí của nó trên hoàng đạo (góc giờ bé hơn ở các điểm Phân và lớn hơn ở các điểm Chí). Trong đời sống người ta không dùng giờ Mặt Trời thực mà sử dụng giờ Mặt Trời trung bình. Độ dài ngày Mặt Trời trung bình bằng trung bình cộng của tất cả các ngày Mặt Trời thực trong năm. Hiệu số giữa giờ Mặt Trời trung bình (Tm) và giờ Mặt Trời thực (T) tại một thời điểm nào đó gọi là phương trình thời gian. η = Tm - T hay Tm = η + T Giá trị η hàng ngày trong năm được in trong lịch thiên văn hàng năm. Trên cơ sở đó, nếu ta có được giờ thực của Mặt Trời nên quan sát, ta sẽ tính được giờ Mặt Trời trung bình ngày hôm đó. 2.5.3. Liên hệ giữa ngày sao và ngày Mặt Trời

Ngày Mặt Trời dài hơn ngày sao. Ta có thể giải thích bằng hình 2.13, một người đứng ở A thấy Mặt Trời M và ngôi sao S đi qua kinh tuyến rên ở cùng một thời điểm. Khi Trái Đất đi từ vị trí 1 đến 2 thì Trái Đất đã quay được một vòng với ngôi sao S, nhưng để được một ngày Mặt rời, Trái Đất phải quay thêm góc a (gần 1o). 25

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.13. Giải thích sự chênh lệch giữa ngày sao và ngày Mặt Trời Từ đó có thể thấy nếu một năm xuân phân có 365,2422 ngày Mặt Trời trung bình (MTTB) thì sẽ có 366,2422 ngày sao. 1 ngày MTTB = 1,002738 ngày sao 24h MTTB = 24h 03ph 57s sao 1h MTTB = 1h 00ph 10s sao Nếu chuyển đổi từ thời gian Mặt Trời ΔTm sang thời gian sao Δs ta có thể dùng các công thức dưới đây Δs = K.ΔTm , với K = 1,002738 ΔTm = K’.Δs, với K’ = 0,997270 2.5.4. Các hệ tính thời gian

a. Giờ địa phương và độ kinh địa lí Giờ được xác định cho một nơi (có độ kinh xác định) được gọi là giờ địa phương nơi đó. Các nơi nằm trên cùng một kinh tuyến có cùng giờ địa phương vì góc giờ của Mặt Trời hay của điểm Xuân phân không phụ thuộc vào vĩ độ. Hai nơi khác nhau có hiệu độ kinh Δλ thì góc giờ của thiên thể nào đó quan sát tại hai nơi cùng một thời điểm cũng khác nhau khoảng thời gian Δt = Δλ. Như vậy, hiệu giờ địa phương của hai nơi bằng hiệu độ kinh của hai nơi đó (tính theo đvtg) s1 – s2 = Tm1 – Tm2 = T1 - T2 = λ1 – λ2 Chú ý độ kinh tính theo đơn vị góc nên khi đổi ra thời gian thì 10 = 4ph, 1’ = 4s và 1” = 1/15 s. Ví dụ: TP. Hồ Chí Minh có λHCM = 106040’, Đà Nẵng có λĐN = 108013’, lúc đó giờ sao ở TP. Hồ chí Minh là sHCM = 8h 30ph. Giờ sao ở Đà Nẵng là: sĐN – sHCM = λĐN – λHCM = Δλ = 108013’ - 106040’ = 1033’ = 6ph 12s sĐN = sHCM + Δλ = 8h 30ph + 6ph 12s = 8h 36ph 12s b. Giờ múi – Giờ quốc tế: Thực tế khi sử dụng giờ địa phương rất bất tiện vì khi qua các nơi có kinh tuyến khác nhau thì phải thay đổi. Vì vậy, người ta chia Trái Đất làm 24 múi giờ tương ứng với mỗi múi cách nhau 150 hay 1 giờ. Giờ của các kinh tuyến trong cùng múi là như nhau, giờ các múi khác nhau thì khác nhau. Giờ múi là giờ Mặt Trời trung bình địa phương của kinh tuyến giữa múi đó (TM). 26

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hai múi liên tiếp cách có giờ múi khác nhau 1 giờ. Cac múi được đánh số từ 0 đến 23. Người ta quy ước múi số 0 là kinh tuyến giữa đi qua đài hiên văn Greenwich (Luân Đôn) của Anh. Giờ múi này được quy ước là giờ quốc tế To (GMT). Tại cùng thời điểm, giờ Quốc ế là To thì giờ ở múi số M là TM = To + M. Ví dụ: Việt Nam thuộc múi giờ 7, vậy khi To = 8h thì giờ Việt Nam là TM = 8h + 7h = 15h. c. Giờ pháp lệnh Giờ pháp lệnh thường được một quốc gia quy định là giờ múi địa lí của quốc gia đó. Tuy nhiên, một số quốc gia trải rộng trên nhiều kinh độ và địa hình nên người ta không chỉ đặt giờ pháp lệnh theo độ kinh mà còn dựa theo địa hình. Khi đi từ nước này sang nước khác thì ta phải điều chỉnh đồng hồ cho đúng giờ địa phương hay giờ pháp lệnh của nơi đó. d. Đường đổi ngày. Khi ta du hành quanh Trái Đất theo chiều tây sang đông thì mỗi lần qua một múi thì ta điều chỉnh đồng hồ ăng lên 1 giờ. Trường hợp người đi vòng quanh Trái Đất khởi hành lúc 6h ngày 1 tháng 2, mỗi ngày đi qua một múi thì về đến nhà là 6h ngày 25 tháng 2. Nhưng đối với người đó, Mặt Trời đã mọc lặn 25 lần và ngày trở về là 26 tháng 2. Hiện tượgn nhầm ngày ngày đã xảy ra với đoàn thám hiẻu Magenllan khi đi vòng quanh Trái Đát vào năm 1521. Nhằm khắc phục sự nhầm lẫn này người ta quy định đường đổi ngày là đường dọc theo kinh tuyến 1800 đi qua Thái Bình dương. Người nào đi qua đường đổi ngày từ Tây sang Đông thì phải giảm một ngày trong lịch của mình, còn ngược lại từ Đông sang Tây thì tăng lên một ngày. 2.6. Chuyển động của Mặt Trăng 2.6.1. Mặt phẳng quĩ đạo – Nhiễu loạn

Mặt trăng là vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái Đất, chuyển động quanh Trái Đất dưới tác dụng của lực hấp dẫn từ Trái Đất. Chuyển động của Mặt trăng rất phức tạp do các lực nhiễu loạn khá lớn và kích thước đáng kể với Trái Đất. Tuy nhiên để đơn giản thì chúng ta chỉ xét một số đặc điểm chính trong quỹ đạo chuyển động của Mặt Trăng. Mặt Trăng chuyển động quanh Trái Đất theo quỹ đạo elip với âm sai nhỏ (e = 0,055). Mặt phẳng quỹ đạo của nó được gọi là mặt phẳng Bạch đạo, tạo với mặt phẳng Hoàng đạo một góc ε = 509’. Chu kì chuyển động là 27,32 ngày, gọi là tháng sao. Bán kính trục lớn quỹ đạo là 384.400 km. Do nhiễu loạn nên góc I có thể thay đổi từ 4058’ đến 5020’ và giá rị bán trục lớn có sự thay đổi nhỏ. Trên hình 2.14, giao tuyến giữa hai mặt phẳng hoàng đạo và bạch đạo là tiết tuyến với 2 tiết điểm Ω và Ω’. Do nhiễu loạn nên hai tiết điểm cũng lệch khoảng 105’ trong một tháng sao ngược chiều chuyển động của Mặt Trăng nên thời gian để Mặt Trăng trở về một tiết điểm nhất định là 27,71 ngày (tháng tiết điểm).

27

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.14. Quỹ đạo chuyển động biểu kiến của Mặt Trăng Xích vĩ Mặt trăng cũng thay đổi do sự di động của tiết điểm, điều đó làm cho thời điểm lặn mọc và qua kinh tuyến trên,… của Mặt Trăng cũng thay đổi. 2.6.2. Hiện tượng trăng tròn, trăng khuyết. Các pha của tuần trăng

Mặt Trăng là thiên thể phản xạ ánh sáng của Mặt Trời, nhưng khi Mặt Trăng vừa quay quanh Trái Đất vừa quay quanh Mặt Trời thì nó phản xạ ánh sáng Mặt Trời khi nhiều, khi ít. Khi đó ta thấy Mặt Trăng lúc tròn, lúc khuyết.

Hình 2.15. Các pha của tuần trăng Trên hình 2.15, ta háy tuỳ mỗi vị trí của Mặt Trăng so với Trái Đất và Mặt Trời thì tia Mặt Trời và tia phản chiếu từ Mặt Trăng sẽ đến Trái Đất ở các góc khác nhau. Các góc này được gọi là góc pha. Mỗi góc pha khác nhau sẽ tương ứng với hình dạng khác nhau của Mặt Trăng. Một tháng có tất cả 8 pha, phần bề mặt tối đa của Mặt Trăng có thể quan sát được

28

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

trong tháng là 60% do quy đạo dạng elip của Mặt Trăng và trục quay của nó nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo. Tên Pha

Quan sát ở Bắc bán cầu

Quan sát ở Nam bán cầu

Không nhìn thấy, theo quy ước là trăng lưỡi liềm nhìn thấy lần đầu tiên 2-Trăng lưỡi liềm đầu tháng Phải, nhìn Trái, nhìn (Trăng non) thấy 1–49% thấy 1–49% 3-Bán nguyệt đầu tháng Phải, nhìn Trái, nhìn (Trăng thượng huyền) thấy 50% thấy 50% 4-Trăng khuyết đầu tháng Phải, nhìn Trái, nhìn (Trăng trương huyền tròn dần) thấy 51–99% thấy 51–99% 5-Pha xung đối Nhìn thấy Nhìn thấy (Vọng, hay Trăng rằm) toàn bộ toàn bộ 6-Trăng khuyết cuối tháng Trái, nhìn Phải, nhìn (Trăng trương huyền khuyết thấy 51–99% thấy 51–99% dần) 1- Pha giao hội (trăng sóc)

7-Bán nguyệt cuối tháng (Trăng hạ huyền)

Trái, nhìn thấy 50%

8-Trăng lưỡi liềm cuối tháng (Trăng tàn, trăng xế)

Trái, nhìn Phải, nhìn thấy 1–49% thấy 1–49% Không nhìn thấy, theo quy ước là trăng lưỡi liềm nhìn thấy lần cuối

9-Trăng tối (Không trăng)

Phải, nhìn thấy 50%

Thời điểm trong tháng Ngày đầu tháng

Góc pha 1800 1350

Ngày 7, 8

900 450

Ngày 14, 15 hay 16

00 2250

Ngày 22, 23 hay 24 của tuần trăng

2700 3150

Cuối tháng

3600

Khoảng thời gian giữa 2 lần liên tiếp Mặt Trăng lặp lại một pha được gọi là một tuần trăng hay một tháng giao hội. Độ dài một tháng giao hội là 29,53 ngày. 2.6.3. Thuỷ triều

Thuỷ triều là hiện tượng mực nước ở ven biển, cửa sống lên xuống theo chu kì bằng đúng khoảng thời gian giữa hai lần Mặt Trăng qua kinh tuyến trên tại nơi nào đó. Nguyên nhân của thuỷ triều là do lực hấp dẫn giữa Mặt Trăng và Trái Đất. Do sự tự quay của Trái Đất nên tại mỗi nơi hàng ngày đều có triều lên và triều xuống. Mặt Trời cũng gây ra thuỷ triều nhưng không đáng kể so với Mặt Trăng. Khi ở vị trí pha giao hội hay xung đối thì trăng – đất – trời thẳng hàng làm cho thuỷ triều lên xuống mạnh nhất vào các ngày không trăng hay trăng tròn và yếu nhất vào các ngày huyền.

29

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.7. Mối quan hệ Địa – Nhật – Nguyệt 2.7.1. Lịch

Lịch là một hệ thống đếm các khoảng thời gian gồm ngày, tuần, tháng, mùa, năm,…và được xây dựng dựa vào chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng trên bầu trời. Trong thiên văn có 3 cơ sở quan trọng để xây dựng lịch là ngày Mặt Trời, tuần trăng và năm xuân phân. Dương lịch được sử dụng phổ biến trên thế giới. Cơ sở xây dựng dương lịch là độ dài của năm xuân phân (chu kì bốn mùa). Vì năm xuân phân lẻ (365,24422 ngày) mà năm lịch phải là số nguyên nên thường có 365 ngày (năm thường) hay 366 ngày (năm nhuận). Trung bình độ dài năm lịch phải có giá rị gần nhất với độ dài năm xuân phân. Dương lịch cũ là lịch Julian được xây dựng vào năm 46 trước công nguyên. Mỗi năm quy ước có 365 ngày và cứ 4 năm có một năm nhuận (366 ngày), vì vậy trung bình mỗi năm dương lịch cũ dài 365,25 ngày. Khi so với năm xuân phân sai 0,0078 ngày, như vậy sau 400 năm sai 3,21 ngày. Sau này một loại dương lịch mới ra đời do cải cách của Giáo hoàng Gregory 18, lịch mới quy ước cứ 400 năm bỏ bớ 3 ngày nhuận. Các năm 1700, 1800, 1900, 2100, 2200 không là năm nhuận ; còn các năm 1600, 2000, 2400 là năm nhuận. Dương lịch mới sai lệch năm xuan phân 0,0003 ngày nên sau 3300 năm mới sai một ngày. Âm lịch lấy chu kì tuần trăng hay tháng giao hội làm cơ sở cho tháng. Một tháng âm lịch có thể có 29 hoặc 30 ngày nên một năm âm lịch sẽ có 354 hoặc 355 ngày ngắn hơn năm xuân phân trên 10 ngày nên không phù hợp với chu kì thời tiết. Về sau người ta cải tiến âm lịch thành loại lịch âm dương bằng cách đặt thêm năm nhuận với quy tắc cứ 19 năm thì có 7 năm nhuận (có 13 tháng). Mộ số nước Á Đông như Việt Nam sử dụng âm dương lịch để tổ chức các lễ hội truyền thống như Tết Nguyên Đán, Nguyên Tiêu... 2.7.2. Nhật – nguyệt thực

Nhật – Nguyệt thực là hiện tượng che khuất lẫn nhau giữa 3 thiên thể : Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái Đất. Vào kì giao hội (ngày sóc) Mặt Trăng đứng giữa Trái Đất và Mặt Trời vào ban ngày, làm Mặt Trời bị che khuất (Nhật thực). Ở vị trí T nơi bóng tối của Mặt Trăng chạm Trái Đất, Mậ Trời bị che khuất phía sau Mặt Trăng và người quan sát thấy nhật thực toàn phần như trên hình 2.16. Các nơi ở trong vùng lân cận thì thấy nhật thực một phần. Do Mặt Trăng chuyển động và Trái Đất tự quay nên bóng tối Mặt Trăng sẽ quét trên mặt đất thành một dải: các nơi 30

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

trong dải này sẽ thấy nhật thực. Trong trường hợp đặc biệt khi khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng không đủ để bóng tối của Mặt Trăng che khuất oàn bộ Mặ Trời thì các nơi nằm trên trục bóng tối sẽ thấy nhật thực vành khuyên.

Hình 2.16. Hiện tượng nhật thực toàn phần và một phần Vào thời kì trăng tròn, Mặt Trăng có khả năng di chuyển vào bóng tối Trái Đất. Khi đó Mặt Trăng không còn phản chiếu được ánh sáng Mặt Trời nên tối sẫm – đó là nguyệt thực. Khác với nguyệt thực, tất cả các nơi ban đêm đều thấy nguyệt thực. Bóng tối của Trái Đất lớn nên nguyệt thực có thể dài hơn nhật thực. Khi Mặt Trăng ở vùng chuỳ tối của bóng Trái Đất thì ta thấy nguyệt thực toàn phần, do khúc xạ, tán xạ của khí quyến Trái Đất mà Mặt Trăng không hoàn toàn tối đên mà có màu đổ sẫm. Khi Mặt Trăng ở xa Trái Đất thì vùng chuỳ tối chỉ chạm một phần Mặt Trăng thì có nguyệt thực một phần.

31

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.17. Hiện tượng nguyệt thực Nếu hai mặt phẳng bạch đạo và hoàng đạo trùng nhau thì nhật nguyệt thực xảy ra hàng tháng âm lịch. Nhưng do hai mặt phẳng nghiêng góc 509’ nên số lần có nhật nguyệt thực ít hơn. Trên hình 2.18. có thể thấy điều kiện để xảy ra nhật nguyệt tực là khi Mặt Trăng ở vị trí giao hội (1) hoặc xung đối (3) trên tiết tuyến, khi đó 3 thiên thể này mới thẳng hàng. Hai vị rí này cách nhau 6 tháng, vì vậy một năm có thể có hai lần nhật, nguyệt thực. Tuy nhiên một năm có thể có tối đa 7 nhật – nguyệt thực (5 nhật thực + 2 nguyệt thực hoặc 4 nhật thực + 3 nguyệt thực) và tối thiểu là 2 nhật thực.

Hình 2.18. Chuyển động của Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái Đất

32

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

2.9. Phần mềm Stellarium và ứng dụng 2.9.1. Phần mềm Stellarium

Stellarium là một phần mềm miễn phí cho phép người sử dụng có thể thực tập quan sát chuyển động của các thiên thể như Mặt trời, Mặt trăng, các hành tinh và ngôi sao ttrên bầu trời, đồng thời cho biết chuyển động này trên bầu trời thay đổi ra sao đối với người quan sát tuỳ thuộc vào vị trí và thời gian của họ. Phần mềm cũng cho tái hiện lại hình ảnh của các chòm sao và mô phỏng các hiện tượng thiên văn. Phần mềm này rất phù hợp để giáo viên sử dụng trong giáo dục để dạy các nội dung liên quan đến bầu trời, các kiến thức thiên văn cơ bản cho học sinh. Đồng thời nó cũng được dùng như là một phương tiện hỗ trợ quan sát cho người đam mê thiên văn nghiệp dư lên kế hoạch quan sát bầu trời ban đêm.

Hình 2.19. Phần mềm Stellarium a. Cải đặt phần mềm: phần mềm được tải miễn phí ở trang web: stellarium.org Sau khi tải thành công, chúng thực hiện cài đặt bằng cách nhấn chuột vào phần mềm để cài đặt. Nhấn chọn Next để tiếp tục. Chọn Accept the agreement -> nhấn Next để đồng ý 33

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

các thỏa thuận và tiếp tục cài đặt phần mềm. Tiếp tục nhấn Next theo chỉ dẫn của phần mềm, tiếp đến nhấn vào Install để cài đặt phần mềm vào máy tính. Quá trình cài đặt thành công, bạn nhấn vào Finish để hoàn tất việc cài đặt. b. Giao diện phần mềm: + Cách chọn tiếng Việt:

+ Thanh công cụ dọc:

34

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

+ Thanh công cụ ngang:

+ Cách tìm thiên thể trên Stellarium: vô biểu tượng Tìm kiếm và gõ tên vật thể vào hộp thoại.

2.9.2. Một số ứng dụng trong dạy học chuyên đề Trái Đất và bầu trời.

a. Xác định phương hướng và vị trí các chòm sao

35

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Xác định một số chòm sao như Gấu lớn, Gấu nhỏ, Thiên hậu, Bắc Đẩu, sao Bắc cực và thiên cực Bắc trên bầu trời đêm. Gợi ý: Sử dụng chức năng tìm kiếm của phần mềm Stellarium và phần mềm SkyView, gợi ý cho học sinh tự tìm thêm vị trí một số chòm sao khác trong 12 cung Hoàng đạo.

• Xác định vị trí chòm sao Bắc đẩu và cách xác định Thiên cực Bắc, vị trí sao Bắc cực Polaris (Alpha Ursar Minoris) là ngôi sao sáng nhất trong chòm sao Tiểu Hùng (Ursa Minor). Hiện nay, Alpha Ursar Minoris là ngôi sao gần thiên cực Bắc nhất, nên nó được chọn là sao Bắc Cực. Sao Bắc Cực cách chúng ta khoảng 430 năm ánh sáng và có độ sáng biểu kiến là 2,02. Độ cao của sao Bắc Cực trên thiên cầu phụ thuộc vĩ độ nơi ta đứng quan sát. Người ta dựa vào sao Bắc Cực để xác định phương hướng. Mỗi khi nhận biết được sao Bắc Cực là người ta biết chính xác hướng Bắc rồi từ đó suy ra các hướng còn lại. Sau đây là một số cách xác định sao Bắc cực. Cách 1 - Dùng nhóm sao Big Dipper: Nhóm sao này rất dễ nhận biết trên bầu trời với 7 ngôi sao nổi bật, mà chúng ta hay gọi là “Thất tinh Bắc Đẩu” tạo thành hình chiếc gáo múc nước. Bạn dùng hai ngôi sao Merak và Dubhe để tìm sao Bắc Cực bằng cách kẻ một đoạn thẳng từ sao Merak đến sao Dubhe rồi kéo dài đoạn thẳng nối hai sao ấy khoảng 5 lần, bạn sẽ gặp sao Bắc Cực.

36

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Cách 2- Dùng nhóm sao “Thập tự phương Bắc” trong chòm sao Thiên Nga (Cygnus): dùng sao Gienah và sao Deneb (Deneb là 1 trong 3 đỉnh của tam giác mùa hè) của nhóm sao Thập tự phương Bắc để xác định sao Bắc Cực bằng cách kẻ đường thẳng đi qua hai ngôi sao này. Đường thẳng bạn vừa kẻ sẽ đi qua sao Bắc Cực (như hình 2.20)

Hình 2.20. Sao Bắc cực và cách xác định phương hướng (Nguồn: CLB Thiên văn Đà Nẵng) b. Xác định sự thay đổi vị trí của sao Bắc Cực trong chu kì tiến động Xác định vị trí thay đổi của Sao Bắc Cực do ảnh hưởng của hiện tượng tiến động và chương động + 2787 TCN: Sao Bắc Cực là sao Thuban của chòm sao Draco + 12000 năm tới: Sao Bắc Cực là sao Vega thuộc chòm sao Lyra Gợi ý: Sử dụng chức năng tìm kiếm của phần mềm Stellarium để thay đổi thời gian

37

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.21. Vị trí của sao Bắc cực ở 2787 TCN và 12000 sau so với thời điểm hiện tại

c. Khảo sát Đặc diểm chuyển động nhìn thấy của một số thiên thể trên nền trời sao - Quan sát chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh trên bầu trời sao. Đặc điểm quỹ đạo của chuyển động của chúng. Giúp học sinh hiểu và dùng mô hình Nhật tâm của Corpecnic và giải thích các hiện tượng gây ra bởi chuyển động của thiên thể - Ví dụ như: Chuyển động của các ngôi sao lang thang (Kim tinh, Thuỷ tinh, Hoả Tinh,…)

Hay chuyển động của Mộc tinh và các vệ tinh lớn của chúng.

38

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

d. Mô phỏng một số hiện tượng thiên văn. - Gợi ý cho học sinh tìm một số ngày diễn ra nhật thực và nguyệt thực - Thực hành quan sát hiện tượng nhật thực, nguyệt thực trên phần mềm ảo - Giải thích về hiện tượng Nhật thực, Nguyệt thực dựa trên quan sát. Ví dụng: dùng phần mềm Stellarium để mô phỏng lại một số ngày xảy Nhật thực và Nguyệt thực toàn phần.

39

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 2.22. Hiện tượng Nhật thực toàn phần dài nhất thế kỉ vào 22-07-2019

Hình 2.23. Mô phỏng hiện tượng nguyệt thực toàn phần xảy ra vào 28-07-2018 2.10. Câu hỏi và bài tập CÂU HỎI 1. Thiên cầu là gì ? Nêu các đặc điểm cơ bản của thiên cầu. 2. Phân biệt các hệ toạ độ thiên văn. 3. Nêu cách xác định vị trí của sao Bắc Cực và phương hướng ? 40

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

4. Thầy/Cô hãy trình bày về sự mọc, lặn của thiên thể do nhật động của chúng ? 5. Thầy/Cô hãy giải thích sự biến đổi bốn mùa trên Trái Đất ? 6. Thầy/Cô hãy vẽ hình và giải thích về hiện tượng trăng tròn – trăng khuyết ? 7. Thầy/Cô hãy giải thích về hiện tượng Nhật thực, nguyệt thực. Nêu rõ điều kiện để xảy ra nhật – nguyệt thực. BÀI TẬP Bài 1: Sao Thiên Tân có xích kinh  = 20h41m25.9s, xích vĩ δ = 45°16' 49". Hỏi khi điểm Xuân phân qua kinh tuyến trên thì nó ở phương nào của bầu trời đối với người quan sát tại Tp.HCM, φ = 10045’. Tính góc giờ t của sao Thiên Tân lúc đó. Vẽ hình. Bài 2: Sao Thiên Lang có xích kinh α = 6h43ph, xích vĩ δ = -16039’. Tính độ cao và độ phương của nó khi qua kinh tuyến trên đối với người quan sát tại Tp.HCM. Vẽ hình. Bài 3: Vẽ hình thiên cầu bán kính 5cm. Xác định vị trí sao Barnad có xích vĩ +04º41’36’’, xích kinh 17h57m48s khi điểm Xuân phân ở Kinh tuyến dưới, khi đó có quan sát được Barnad không. (φ = 10045’) Bài 4: Nêu cách xác định phương Bắc, vị trí của sao Bắc Cực khi quan sát tại Thành phố Hồ Chí Minh có có φ = 10045’. Bài 5: Sao Thiên Lang có xích vĩ δ = -16039’. Tính độ cao và độ phương của nó khi qua kinh tuyến trên đối với người quan sát ở Hà Nội có độ vĩ φ = 210 và ở Cần Thơ φ = 100 Bài 6: Danh sách sao được lên kế hoạch quan sát như sau: Sao

kinh Xích vĩ (Dec)

Xích (RA)

A

Mirach

1h09m44.1s

+35o37’11.9’’

B

Enif

21h44m11.2s

+9o52’30.0’’

C

Yed Prior

16h14m20.7s

- 3o41’40.6’’

D

Peacock

20h25m39.0s

- 56o44’06.7’’

E

Alderamin

21h18m34.9s

+62o35’06.4’’

Tại Thành phố Hồ Chí Minh (10°46′10″B, 106°40′55″Đ)

41

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

1. Khi sao C ở Kinh Tuyến Trên, xác định vị trí các sao còn lại trên thiên cầu. Vẽ hình thiên cầu bán kính 4 cm. 2. Trường hợp sao D ở Kinh tuyến dưới, hãy xác định vị trí của sao B trên Thiên cầu. 3. Khi mỗi một sao qua kinh tuyến trên thì sao nào có độ cao lớn nhất? Độ cao và độ phương của sao đó khi ở vị trí cao nhất? Bài 7: A và B đang quan sát tại nơi có độ kinh 106oĐ. Khi mặt trời qua kinh tuyến trên thì đồng hồ của A chỉ 12h, của B chỉ 12h2ph. Hỏi đồng hồ của ai chạy chính xác hơn. Biết thời sai lúc quan sát là 6 phút. Bài 8: Vào lúc 20h00, điểm Xuân phân ở Kinh tuyến trên. Sao Procyon có xính vĩ +05º13’29’’, xích kinh 07h39m18s lên kinh tuyến trên vào lúc mấy giờ, vẽ thiên cầu quỹ đạo và chiều chuyển động của sao từ lúc 20h00 đến khi sao Procyon lên kinh tuyến trên. Bài 9: Vào lúc 20h00 điểm Xuân phân ở kinh tuyến trên, vào lúc mấy giờ thì sao Achernar xính vĩ -57º14’12’’, xích kinh 01h37m42s ở kinh tuyến trên. Vẽ hình, tính độ cao và độ phương của sao Achernar khi ở kinh tuyến trên. Bài 10: Một thuyền trưởng đo khoảng cách đỉnh của Mặt trời đúng lúc giữa trưa ngày Đông chí (22/12) được 45o. Sau đó 1h32ph ông ta nghe đài phát thanh Hà Nội phát tín hiệu 12 giờ. Tính tọa độ nơi ông ta quan sát, lịch thiên văn cho ta biết thời sai hôm đó là trừ 9 phút. Bài 11: Quan sát tại Tp.HCM ( = 10o30,  = 106o40’12’’) Sao

Xích kinh (RA)

Xích vĩ (Dec)

A

Procyon

7h39m18s

+05013’29’’

B

Algol

3h08m10s

+40057’20’’

C

Phact

5h39m39s

-34004’27’’

D

Betelgeuse

5h55m10s

+07024’25’’

E

40 Eridani B

4h15m16s

-07039’22’’

Quan sát tại Tp.HCM ( = 10o30,  = 106o40’12’’) - Khi sao A ở Kinh tuyến trên, vẽ thiên cầu trên giấy với bán kính 4cm, xác định vị trí của sao D trên thiên cầu. Lúc đó sao này ở phương hướng nào trên thiên cầu. - Lúc 20h00, điểm Xuân phân  ở điểm Tây, vào lúc mấy giờ thì sao C ở kinh tuyến trên. Xác định độ cao và độ phương của sao C lúc nó qua Kinh tuyến trên. Vẽ hình. Câu 13: Quan sát tại Tp.Hồ Chí Minh ( = 10o30,  = 106o40’12’’) Cho danh sách sao :

42

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Tên sao

-

-

Xích kinh

Xích vĩ

A

β Centauri

14h03m49.40

-60022’22.9

B

Belatrix

05h25m7.86

+06020’58.9

C

Procyon

07h39m18.11

+05013’29.9

D

Antares

16h29m24.45

-26025’55.2

E

Van Maanen 2 00h49m09.90

+05023’18.9

Vào lúc 18h00 điểm Xuân phân ở Kinh tuyến trên. Vào lúc mấy giờ thì điểm Xuân phân qua Kinh tuyến dưới? Vẽ thiên cầu bán kính 5cm, xác định vị trí sao D lúc điểm xuân phân qua kinh tuyến dưới. Ở Tp. Hồ Chí Minh, sao C qua kinh tuyến trên vào lúc mấy giờ? Vào lúc đó ở Hà Nội, sao B đã qua kinh tuyến trên chưa? Trước hay sau lúc sao B qua kinh tuyến trên ở Tp.Hồ Chí Minh? Biết Hà Nội có tọa độ 21001, 105051’12’’

43

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

CHƯƠNG 3. HỆ MẶT TRỜI 3.1. Mô hình Nhật tâm của Copernicus và các định luật về chuyển động của thiên thể 3.1.1. Mô hình Nhật tâm của Copernicus

Từ thế kỉ thứ 3 trước Công nguyên, các nhà thiên văn cổ Hi Lạp, tiêu biểu là Aristotle (384 – 322 TCN) đã dựa vào việc quan sát vị trí và đặc điểm chuyển động của các thiên thể, các hành tinh trên bầu trời để phác thảo ra mô hình Địa tâm về Vũ trụ. Mô hình này đã được một nhà thiên văn học cổ Hi Lạp khác là Claudius Ptolemy (100 – 170) hoàn thiện trong luận thuyết “Almagest” năm 125. Một số luận điểm chính của mô hình này là: - Trái Đất nằm yên ở trung tâm vũ trụ - Giới hạn của vũ trụ là một vòm cầu trên có gắn các sao. Vòm cầu này quay đều quanh một trục xuyên qua Trái Đất. - Mặt Trăng, Mặt Trời chuyển động đều quanh Trái Đất cùng chiều với chiều quay của vòm cầu nhưng với chu kì khác nhau nên chúng dịch chuyển đối với các sao. - Các hành tinh chuyển động đều theo những vòng tròn nhỏ (nội luận); tâm của vòng tròn nhỏ này chuyển động theo các vòng tròn lớn (ngoại luận) quanh Trái Đất. Có thể tâm của vòng tròn lớn lệch khỏi Trái Đất. - Trái Đất, Mặt Trời, tâm vòng tròn nhỏ của Kim tinh, Thuỷ tinh luôn nằm trên một đường thẳng. Mô hình này đã giải thích được chuyển động nhìn thấy của các thiên thể trên bầu trời nhưng không giải thích được một số đặc điểm chuyển động của các hành tinh như quỹ đạo thắt nút của chúng. Vì phù hợp với quan điểm của Nhà thờ đương thời nên mô hình của Ptolemy tồn tại trong nhiều thế kỉ. Đến thế kỉ 16, nhà thiên văn học Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473-1543) mới dũng cảm từ bỏ mô hình đó. Năm 1543, ông đã công bố mô hình Nhật tâm trong cuốn sách “Sự quay của thiên cầu”. Trong đó, ông chỉ rõ: - Mặt Trời nằm yên ở trung tâm Vũ trụ - Các hành tinh chuyển động xung quanh Mặt Trời trên các quỹ đạo tròn và cùng chiều - Trái Đất quay xung quanh trục của nó khi chuyển động quanh Mặt Trời - Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo tròn xung quanh Trái Đất - Các hành tinh, kể thứ tự khoảng cách tăng dần từ Mặt Trời là: Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hoả tinh, Mộc tinh và Thổ tinh. - Các sao ở rất xa và cố định trên thiên cầu. Về cơ bản, mô hình Copernicus dù còn sơ khai nhưng đã mô tả Hệ Mặt Trời cách đúng đắn. Các nhà khoa học khác như Bruno, Galieo đã tiếp tục chứng minh sự đúng đắn của mô hình Nhật tâm qua các quan sát của mình và mô hình đã được hoàn thiện bởi Kepler và Newton.

44

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 3.1. Nicolaus Copernicus (1473-1543) và mô hình Nhật tâm 3.1.2. Các định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh

Dựa vào dữ liệu quan sát trong suốt gần 30 năm của nhà thiên văn học Đan Mạch Tycho Brahe về chuyển động của các hành tinh, nhà thiên văn học Đức Kepler (1571 – 1630) đã nhiều lần tính toán và phân tích thì thấy rẳng nếu xem hành tinh chuyển động tròn đều trên quỹ đạo thì sẽ không khớp số liệu. Vì vậy quỹ đạo mà mô hình của Copernicus đưa ra chưa chính xác nên ông đã bổ sung thêm ba định luật về chuyển động của các hành tinh. a. Định luật 1 – Định luật về quĩ đạo: Các hành tinh chuyển động trên quĩ đạo hình elip với Mặt Trời ở tại một tiêu điểm. Biểu thức toán học của định luật là phương trình đường elip trong hệ toạ độ cực: r=

p 1 + e cos 

Mô tả định luật trên hình 3.2, trong đó a là bán trục lớn, b là bán trục nhỏ, A và P lần lượt là điểm viễn nhật và điểm cận nhật. Tâm sai e =

a 2 − b2 , nếu e = 0 thì quỹ đạo là đường a

tròn. p = a(1 – e2) là thông số tiêu. Khoảng cách cận nhật rc = a(1 - e), còn khoảng cách cận nhật rv = a(1 + e).

45

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 3.2. Quỹ đạo elip của các hành tinh quanh Mặt Trời. b. Định luật 2 – Định luật về tốc độ diện tích Phát biểu: Đường nối giữa hành tinh với Mặt Trời quét những diện tích bề mặt bằng nhau trong khoảng thời gian bằng nhau. Biểu thức toán học của định luật 2: r 2

d = const dt

Mô tả định luật trên hình 3.3, khi chuyển động trên quỹ đạo elip quanh Mặt Trời thì các hành tinh sẽ quét các diện tích ΔS như nhau trong những khoảng thời gian Δt như nhau. Vì vậy, tốc độ chuyển động của hành tinh không là một hằng số mà nhanh khi lại gần Mặt Trời, chậm khi xa Mặt Trời.

Hình 3.3. Diện tích quét ΔS của các hành tinh trên quỹ đạo c. Định luật 3 – Định luật về chu kì Phát biểu: Bình phương chu kì chuyển động của các hành tinh tỉ lệ với lập phương bán trục lớn quỹ đạo của chúng. Biểu thức:

T12 T22 = = K = const , trong đó K là hằng số, hay hệ số tỉ lệ. a13 a23

46

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Nếu bán trục lớn tính theo đơn vị thiên văn (đvtv), còn chu kỳ tính bằng năm Trái Đất thì K = 1. Khi đó ta có: T2 = a3 Tuy Kepler đã mô tả phù hợp chuyển động của các hành tinh quanh Mặt Trời nhưng vẫn chưa giải thích được nguyên nhân chuyển động. 3.1.3. Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton

Isaac Newton (1642 – 1727) đã áp dụng phương pháp động lực học của mình để rút ra biểu thức về lực chi phối chuyển động của các thiên thể. Lực này được ông mô tả trong định luật vạn vật hấp dẫn, đây là cơ sở vật lí cho hệ Nhật tâm của Copernicus. Phát biểu: hai chất điểm có khối lượng M và m đặt cách nhau một khoảng r sẽ hút nhau bằng một lực có phương là đường nối 2 chất điểm đó, có cường độ tỷ lệ thuật với hai khối lượng M và m, tỉ lệ nghịch với bình khoảng cách r. Biểu thức: F = F ' = G

Mm r2

trong đó F và F’ là cặp lực – phản lực, G = 6,67.10-11 Nm2/kg2 là hằng số hấp dẫn vũ trụ. Trường hợp hai vật có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng thì có thể coi đó là chất điểm và áp dụng định luật, ví dụ như Trái Đất và Mặt Trời. Nếu hai vật là hai quả cầu đồng chất, thì định luật cũng có thể áp dụng với r là khoảng cách giữa tâm của hai quả cầu. Còn trong các trường hợp khác thì ta sẽ lấy tích phân dựa vào tính chồng chập của lực hấp dẫn. Từ biểu thức định luật vạn vật hấp dẫn và các định luật của động lực học, chúng ta có thể thu được ba định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh tổng quát hơn. - Định luật 1: một thiên thể m có thể chuyển động trong trường lực hấp dẫn của Mặt Trời theo quỹ đạo là một trong các đường Conic (tròn, elip, parabol, hyperbol), tuỳ thuộc vào vận tốc ban đầu của vật tại cận điểm. Trên cơ sở này chúng ta có thể xác định các vận tốc vũ trụ để phóng vệ tinh, các tàu thám hiểm lên không gian. Tốc độ vũ trụ

Mục đích GM chuyển động tròn vI = Cấp I Tròn 7,9 km/s quanh hành tinh R thoát khỏi lực hấp vII = vI 2 Cấp II Elip 11,2 km/s dẫn của hành tinh thoát khỏi lực hấp Cấp III Parabol 16,7 km/s dẫn của Mặt Trời - Định luật 2 tương đương với định luật bảo toàn moment động lượng. Công thức

Dạng quỹ đạo

Giá trị trên Trái Đất

- Định luật 3: hệ số tỷ lệ giữa bình phương chu kỳ chuyển động của một thiên thể quanh một thiên thể khác với tổng khối lượng của chúng và lập phương bán trục lớn là không đổi. T 2 ( M + m) 4 2 = = const a3 G

47

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Lực hấp dẫn là một trong bốn loại lực tương tác cơ bản trong tự nhiên. Tuy có cường độ yếu, nhưng đây là tương tác phổ biến nhất trong vũ trụ và đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển của vũ trụ. 3.2. Tổng quan về hệ Mặt Trời Hệ Mặt Trời (hay Thái Dương Hệ) là một hệ gồm một ngôi sao ở trung tâm là Mặt Trời và các thiên thể chịu ảnh hưởng bởi trường hấp dẫn của Mặt Trời. Các thiên thể này quay quanh Mặt Trời, có khối lượng tập trung chủ yếu ở tám hành tinh theo thứ tự từ trong ra ngoài: Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hoả tinh, Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. Ngoài ra còn có các vật thể nhỏ hơn thuộc hai vành đai tiểu hành tinh và vành đâi Kuiper gồm các tiểu hành tinh, các hành tinh lùn, sao chổi, bụi khí…Các bằng chứng nghiên cứu hiện nay cho thấy Hệ Mặt Trời được hình thành từ sự sụp đổ hấp dẫp của đám mây phân tử khí khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm.

Hình 3.4. Hệ Mặt Trời Tám hành tinh quay quanh Mặt Trời theo quĩ đạo hình elip ngược chiều kim đồng hồ có tâm sai nhỏ nên có thể coi như gần tròn, mặt phẳng quỹ đạo của chúng gần như trùng với nhau. Mặt khác các hành tinh còn tự quay quanh trục của mình theo cùng chiều quay quanh Mặt Trời (Tây sang Đông), trừ Kim tinh quay theo chiều ngược lại (Đông sang Tây). Các hành tinh trong Hệ Mặt Trời được phân làm 2 nhóm: nhóm Trái Đất gồm các hành tinh nhỏ, nhưng có bề mặt rắn, khối lượng riêng lớn là Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đất và Hoả tinh và nhóm hành tinh khí khổng lồ gồm Mộc, Thổ, Thiên Vương và Hải Vương tinh. Các hành tinh trừ Thuỷ tinh và Kim tinh đều có các vệ tinh quay xung quanh, hầu hết theo cùng chiều chuyển động của hành tinh quanh Mặt Trời. Mặt Trăng là vê tinh duy nhất của Trái Đất. Vành đai tiểu hành tinh nằm giữa Hoả tinh và Mộc tinh có hàng ngàn tiểu hành tinh có cấu tạo từ đá và kim loại, trong đó vật thể lớn nhất là Ceres. Bên ngoài quỹ đạo của Hải Vương 48

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

tinh là vành đai Kuper gồm các vật thể nhỏ chủ yếu cấu tạo từ bụi và băng và một số hành tinh lùn như Diêm Vương, Eris,…Ngoài ra còn có nhiều thiên thể nhỏ khác như các sao chổi, bụi liên hành tinh di chuyển tự do giữa hai vùng này. 3.3. Cấu trúc và hoạt động của Mặt Trời Mặt Trời là ngôi sao trung tâm của Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,8% khối lượng của Hệ. Khoảng cách giữa Mặt Trời và Trái Đất khoảng 149,6.106 km. 3.3.1. Cấu tạo của Mặt Trời

Theo phân loại quang phổ của ngôi sao, Mặt trời là một ngôi sao lùn có kiểu phổ G2V với nhiệt độ bề mặt khoảng 5800 K. Mặt Trời có cấu tạo gồm một số vùng chính là lõi, vùng bức xạ, vùng đối lưu, quang quyển, sắc quyển và nhật hoa.

Hinh 3.5. Cấu trúc của Mặt trời. + Lõi Mặt Trời có mật độ vật chất rất đặc trải rộng từ tâm ra một khoảng chiếm 25% bán kính của Mặt Trời, nhiệt độ của lõi rất cao khoảng hơn 15 triệu K. Lõi chính là nơi xảy ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân – nguồn năng lượng của Mặt trời. + Vùng bức xạ (radiative zone) có mật độ thấp hơn nhiều so với lõi, tuy nhiên đủ đặc để truyền các bức xạ sinh ra từ phản ứng hạt nhân trong lõi và làm mất năng lượng của chúng đáng kể khi ra ngoài. Nhiệt độ vùng bức xạ giảm nhanh từ trong ra ngoài (7.106 K còn 2.106 K). + Vùng đối lưu (convective zone) có nhiệt độ và mật độ thấp hơn nhiều so với vùng bức xạ, cho phép các bức xạ nhiệt được các dòng đối lưu đưa ra ngoài bề mặt Mặt Trời.

49

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

+ Quang cầu (quang quyển) là lớp vỏ bề mặt của Mặt Trời mà chúng ta có thể nhìn thấy trực tiếp từ Trái Đất. Đây là vùng nguội nhất trên Mặt Trời với nhiệt độ khoảng 6000 K, độ dày của quang cầu từ vài chục đến vài trăm km. + Nằm ngay phía trên quang cầu là lớp lạnh nhất của Mặt Trời dày khoảng 500 km với nhiệt độ khoảng 4000 K. Lớp ngày phía ngoài của vùng này là lớp khí quyển nóng dày khoảng 2000 km, gọi là sắc cầu. Lớp này có sự dịch chuyển không ngừng giống như sự dịch chuyển khí quyển trên Trái Đất, vì vậy nhiệt độ có nó có sự dao động lớn và đạt tới 2.104 K, nguyên nhân có thể là do sự ion hoá do nhận các bức xạ thoát ra từ bề mặt. + Phía trên sắc cầu là lớp cuối cùng của Mặt Trời, gọi là nhật hoa. Nó ngăn cách với sắc cầu bởi một lớp trung gian mởng nơi các phân tử khí bị ion hoá mạnh và nhiệt độ tăng lên rất cao, nhiệt độ của nhật hoa có thể lên đến hơn 1 triệu K. Thông thường các vành nhật hoa phát ra bức xạ ở bước sóng khả kiến khá yếu só với quang cầu nên không quan sát được từ Trái Đất, nhật hoa chỉ quan sát được khi xảy ra nhật thực toàn phần do khi đó quang cầu bị Mặt Trăng che khuất. Nhật hoa cũng là nơi sinh ra gió Mặt Trời để đưa các hạt mang điện tích vào không gian. 3.3.2. Hoạt động và cơ chế sinh ra năng lượng trên Mặt Trời

Năng lượng của Mặt Trời cũng như các ngôi sao có nguồn gốc từ phản ứng tổng hợp hạt nhân (hay còn gọi là phản ứng nhiệt hạch). Trong lõi Mặt Trời, dưới điều kiện mật độ vật chất vô cùng đậm đặc và nhiệt độ cao lên đến hàng triệu độ (khoảng 1,5.106 K), các phản ứng tổng hợp các hạt nhân hidro thành heli và các hạt nhân nặng hơn xảy ra theo hai chu trình gồm chu trình proton – proton và chu trình cacbon – nitơ (CNO). Chu trình proton – proton tạo ra khoảng 85 % năng lượng của Mặt trời. Ở chu trình này, phản ứng tổng hợp hạt nhân heli từ các hạt nhân hiđrô diễn ra qua chuỗi phản ứng: 6H1 → 2D1 + 2H1→ 2He3 ; 2He3 → He4+ 2H1 . Năng lượng giải phóng tỏng phản ứng tổng hợp trên được tính theo công thức E = Δmc2 = (4mH – mHe)c2, tương ứng với 1 g hạt nhân hydrô chuyển thành heli thì giải phóng năng lượng khoảng 1012 J. Như vậy mỗi giây Mặt Trời tiêu tốn khoảng 7.108 tấn hidro và tạo ra công suất bức xạ khoảng 3,9.1026 W. Ngoài chu trình proton – proton như trên, năng lượng Mặt Trời còn có sự đống góp của chu trình CNO theo chuỗi phản ứng. 1 12 13 1H + 6C → 7N + γ 13 13 + 7N → 6C + e + v 13 1 14 6C + 1H → 7N + γ 15 14 1 7N + 1H → 8O + γ 15 15 + 8O → 7N + e + v { 157N + 11H → 126C + 42He

Trong chu trình này, bốn hạt Hidro cũng được tổng hợp lại thành hạt Heli và hai positron (Pô–di–trôn) e+ , còn các hạt nhân Cacbon, Nito chỉ đóng vai trò như là hai chất xúc

50

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

tác. Chu trình này cũng xảy ra ở lõi Mặt Trời như chu trình proton – proton và tỏa ra khoảng 26,8 MeV. Năng lượng được tạo ra ở tâm mặt trời, sau đó bắt đầu di chuyển ra các lớp ngoài của mặt trời. Ở vùng bên trong, năng lượng thoát ra ngoài do bức xạ trong khi vùng bên ngoài, năng lượng thoát ra ngoài do đối lưu.

Hình 3.6. Phản ứng tổng hợp hạt nhân trên Mặt Trời. 3.3.3. Ảnh hưởng của hoạt động Mặt Trời đến Trái Đất

Hoạt động của Mặt Trời gây ra nhiều ảnh hưởng trên Trái Đất, khi hoạt động Mặt Trời có thể tạo ra các hiện tượng như bão Mặt Trời, gió Mặt Trời làm cho các dòng hạt mang điện, tia vũ trụ, tia X đến Trái Đất gây ra hiện tượng cực quang, làm nhiễu sự thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến; hoạt động từ trường của Mặt TRời cũng gây nên các cơn bão từ ảnh hưởng đến Trái Đất. Mặt Trời tạo ra các dòng hạt tích điện (chủ yếu là các proton và electron), những hạt này trào ra khỏi Mặt Trời với vận tốc khoảng 400km/s, phát tán vào trong nhật quyển và không gian trong Hệ Mặt Trời. Nguyên nhân gây ra gió Mặt Trời là do các chất khí trong nhật hoa rất nóng và di chuyển rất nhanh đến nỗi chúng không thể bị giữ lại bởi sức hút của Mặt Trời. Gió Mặt Trời phần lớn xuất phát từ các hố nhật hoa, tuôn chảy vào trong không gian và không bị từ trường của Mặt Trời ngăn cản. Tại bề mặt của Trái Đất, chúng ta được che chở khỏi gió Mặt Trời, bão Mặt Trời bằng bầu khí quyển và từ trường của Trái Đất. Tuy nhiên, các đường từ trường đi vào Trái Đất ở Bắc Cực và Nam Cực. Tại đây các hạt mang điện từ gió Mặt Trời,

51

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

bão Mặt Trời cùng với các phân tử khí trong khí quyển Trái Đất có thể tạo ra những bức màn ánh sáng đẹp đẽ gọi là cực quang.

Hình 3.7. Gió Mặt Trời và hiện tượng cực quang Hiện tượng cực quang có thể được giải thích như sau: khi dòng các hạt mang điện trong gió Mặt Trời đi vào bầu khí quyển. Dưới ảnh hưởng của Địa từ, chúng bị hút về hai cực Trái Đất do tác dụng của lực Lorentz. Lực này làm cho các hạt chuyển động theo quỹ đạo xoắn ốc dọc theo đường cảm ứng từ của Trái Đất. Tại hai cực các đường cảm ứng từ hội tụ lại và làm cho các hạt mang điện theo đó đi sâu vào khí quyển Trái Đất. Tại đây, chúng va chạm và kích thích các phân tử khí làm các phân tử này phát ra bức xạ điện từ dưới dạng ánh sáng nhìn thấy. 3.4. Các thiên thể trong Hệ Mặt Trời 3.4.1. Các hành tinh

Tám hành tinh, theo thứ tự từ Mặt Trời ra gồm Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hoả tinh, Mộc tinh, Thổ tnh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh vừa tự quay quanh trục của nó, vừa quay quanh Mặt Trời. Phần lớn các hành tinh đều tự quanh cùng chiều quay quanh Mặt Trời (từ Tây sang Đông) trừ trường hợp của Kim Tinh tự quay theo hướng ngược lại (từ Đông sang Tây). Quỹ đạo chuyển động của các hành tinh gần như tròn và đồng phẳng với mặt phẳng hoàng đạo của Trái Đất. Các hành tinh nhóm trong của Mặt Trời gồm Thuỷ Tinh, Kim Tinh, Trái Đất và Hoả tinh, là các hành tinh có có trọng lượng riêng lớn, kích thước tương đối bé, thành phần chính của chúng là các khoáng vật khó nóng chảy, như silicat tạo nên lớp vỏ và lớp phủ, phần lõi tạo từ các kim loại như sắt và niken. Trừ Thuỷ Tinh, các hành tinh nhóm này có bầu khí quyển đủ dày để sinh ra các hiện tượng thời tiết, có các núi lửa đang hoạt động và hố kiến tạo, thích hợp với điều kiện xuất hiện sự sống. + Thuỷ Tinh là hành tinh gần nhất và nhỏ nhất trong hệ Mặt Trời (0,055 lần khối lượng Trái Đất). Nó gần như không có khí quyển do các nguyên tử trong bầu khí quyển đã bị gió Mặt Trời thổi bay ra ngoài không gian. Vì vậy, sự chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm trên Thuỷ Tinh rất lớn (ngày khoảng 4000C, đêm xuống -1500C)

52

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

+ Kim Tinh có kích thước gần bằng Trái Đất, đặc điểm cấu tạo cũng tương tự như Trái Đất. Khí quyển của Kim Tinh dày đặc khí CO2 với mật độ gấp 90 lần mật độ khí quyển của Trái Đất, điều đó gây nên “hiện tượng hiệu ứng nhà kính” làm Kim tinh trở thành hành tinh nóng nhất trong hệ Mặt Trời (nhiệt độ bề mặt trên 4500C). Kim Tinh có trục quay thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo nên không có sự biến đổi mùa.

Hình 3.8. Các hình tinh “đá” nhóm trong gồm Thuỷ Tinh, Kim Tinh, Trái Đất và Hoả Tinh. + Trái Đất là hành tinh đá duy nhất có thuỷ quyển lỏng, với bầu khí quyển giàu oxi và là nơi duy nhất có sự sống tồn tại được biết đến trong vũ trụ. Trái Đất có vệ tinh tự nhiên duy nhất là Mặt Trăng, đây là vệ tinh tự nhiên lớn nhất trong số các vệ tinh của các hành tinh đá trong Hệ Mặt Trời. + Hoả Tinh có kích thước nhỏ hơn Trái Đất và Kim Tinh, nó có một bầu khí quyển mỏng gồm chủ yếu là CO2 với áp suất chỉ là 0,6 % so với áp suất khí quyển tại bề Mặt Trái Đất. Bề Mặt của Hoả Tinh có màu đỏ do có chứa nhiều hợp chất sắt oxi, về mặt cấu tạo thì đây là hành tinh có cấu tạo gần giống Trái Đất nhất. Ở trên Hoả Tinh cũng có sự thay đổi mùa, một ngày trên sao Hoả kéo dài 24 giờ 22 phút và một năm khoảng 687 ngày. Các hành tinh nằm ở vùng bên ngoài của Hệ Mặt Trời là các hành tinh khí khổng lồ gồm Mộc Tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. Nhóm này có đặc điểm là có kích thước lớn hơn so với các hành tinh đá, được cấu tạo chủ yếu từ các khí nhẹ như hidro, heli, các hành tinh này đều có các vành đai và nhiều vệ tinh.

53

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 3.9. Các hành tinh nhóm ngoài gồm Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh. + Mộc tinh là hành tinh lớn nhất của Hệ Mặt Trời, có khối lượng gấp 318 lần khối lượng Trái Đất, bốn vệ tinh lớn nhất của Mộc tinh là Ganymede, Callisto, Io và Europa. + Thổ tinh được đặc trưng bởi hệ thống vành đai có kích thước rất lớn, được cấu tạo từ bụi và băng, hai vệ tinh Titan và Enceladus của Thổ tinh có dấu hiệu của các hoạt động địa chất, đặc biệt ở Titan tồn tại một bầu khí quyển giàu khí mêtan và nitơ. + Thiên Vương tinh có trục quay bị lệch hơn 900 so với mặt phẳng hoàng đạo, hành tinh cũng tồn tại một hệ thống vạch xung quanh nhưng mờ hơn so với Thổ tinh. + Hải Vương tinh là hành tinh xa nhất trong hệ Mặt Trời, bề mặt được cấu tạo từ băng và khí, Triton là vệ tinh lớn nhất của Hải Vương tinh và còn có hoạt động địa chất với các mạch phun nitơ lỏng. Một số thông số về các tính chất của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời được tổng hợp ở phụ lục. 3.4.2. Tiểu hành tinh

Tiểu hành tinh là những vật thể có kích thước nhỏ có thành phần chuỷ yếu là đá silicat khó nóng chảy và các khoáng vật kim loại, chúng có kích thước từ vài trăm mét đến vài trăm km với vô số hình dạng. Các tiểu hành tinh phân bố tập trung thành một vành đai ngăn cách giữa các hành tinh đá phía trong và các hành tinh khí phía ngoài. Vành đai tiểu hành tinh nằm giữa quỹ đạo Hoả tinh và Mộc tinh, khoảng cách từ 2,3 – 3,3 đvtv tính từ Mặt Trời. Tiểu hành tinh lớn nhất trong vành đai là Ceres, nó có khối lượng đủ lớn để có dạng hình cầu và nằm cách Mặt Trời khoảng 2,77 đvtv. Ceres được phân loại là hành tinh lùn từ năm 2006 cùng với Diêm Vương tinh. 3.4.3. Sao chổi và sao băng

Sao chổi: là các vật thể có kích thước nhỏ vài km, có nhân được cấu tạo từ khí đóng băng và các hạt bụi. Chúng có độ lệch tâm quỹ đạo khá lớn, đa phần có điểm cậ nhật nằm bên 54

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

trong quỹ đạo của các hành tinh đá và điểm viễn nhật nằm bên ngoài Diêm Vương tinh. Khi ở xa Mặt Trời thì sao chổi như vệt sáng mờ hình bầu dục, khi đến gần Mặt Trời thì phần khí và bụi bay hơi từ nhân tạo thành đuôi sao chổi dưới tác dụng của gió Mặt Trời. Phần đuôi sao chổi có thể dài tới hàng chục triệu km. Sao chổi được phân loại theo chu kì, gồm các sao chổi có chu kì ngắn (dưới 30 năm), sao chổi có chu kì trung bình (từ 30 năm đến hàng trăm năm) như sao chổi Halley, sao chổi Ikeya Seki,…và các sao chổi có chu kì dài hàng ngàn năm. Ngoài ra người ta còn phân biệt sao chổi dựa trên hình dạng đuôi như sao chổi Helley có một đuôi, sa chổi West (1976) có hai đuôi dài hơn 100 triệu km. Sao chổi Halley có chu kì 76 năm và đã được quan sát vào các năm 1531, 1607, 1682, 1759, 1910 và 1986. Vậy lần quan sát sao chổi này kế tiếp sẽ vào năm 2062. Vào tháng 7/1994, các nhà khoa học đã phát hiện được sự va chạm của sao chổi Shoemaker – Levy vào bề mặt Sao Mộc.

(a)

(b)

Hình 3.10. Sao chổi Halley (a) và sao chổi West (b). Nguồn: NASA and ESO Sao băng, còn gọi là sao sa hay sao đổi ngôi thực chất là các mảnh vỡ của thiên thạch bị bốc cháy khi rơi vào bầu khí quyển của Trái Đất. Trong nhiều trường hợp các mảnh vỡ đó rơi xuống Trái Đất và không bị đót cháy hoàn toàn. Mỗi năm có vài trăm thiên thạch bay ngang qua Trái Đất và chúng ta thường quan sát được một số trận mưa sao băng trong năm như Quadrantids (đầu tháng 1), Eta Aquariids (đầu tháng 5),… 3.5. Câu hỏi và bài tập CÂU HỎI Câu 1: Trình bày mô hình Nhật tâm của Corpecnius và nêu ý nghĩa của mô hình này? Câu 2: Trình bày các định luật của Kepler? Ý nghĩa của các định luật Câu 3: Trình bày về định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Ý nghĩa của định luật trong nghiên cứu thiên văn. Câu 4: Trình bày tổng quan về Hệ Mặt Trời.

55

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Câu 5: Có bao nhiêu hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Đặc điểm của mỗi nhóm hành tinh. BÀI TẬP Bài 1: a) Kể tên theo thứ tự các hành tinh trong Hệ Mặt trời, khoảng cách gần đúng của mỗi hành tinh trong Hệ Mặt trời đến Trái đất. b) Từ khoảng cách gần đúng của Thủy tinh và Kim tinh suy ra số ngày trong 1 năm (tính bằng ngày Trái đất) của Thủy tinh và Kim tinh. b) Từ khoảng cách gần đúng , tính biên độ dao động góc của Thủy tinh và Kim tinh khi quan sát từ Trái đất. Bài 2: -Kể tên theo thứ tự các hành tinh trong Hệ Mặt trời, khoảng cách gần đúng của mỗi hành tinh trong Hệ Mặt trời đến Mặt trời. - Từ khoảng cách gần đúng và định luật Kepler suy ra một năm của Sao Mộc có bao nhiêu ngày Trái đất? Bài 3: a) Kể tên theo thứ tự các hành tinh trong Hệ Mặt trời, tìm khoảng cách gần đúng của Kim tinh, Hỏa tinh và Mộc tinh đến Mặt trời. b) Từ khoảng cách gần đúng đó, nếu như cho rằng quỹ đạo của hành tinh đều là tròn, hãy tính khoảng cách gần nhất và xa nhất từ Trái đất đến các hành tinh này. c) Từ khoảng cách gần đúng của Thổ tinh, suy ra một năm của Thổ tinh có nhiêu ngày Trái đất. Bài 4: - Kể tên theo thứ tự các hành tinh của Hệ Mặt trời, tính khoảng cách gần đúng của bốn hành tinh gần nhất trong Hệ Mặt trời đến Trái đất . - Từ khoảng cách gần đúng của Kim tinh tính suy ra một năm của Kim tinh có bao nhiêu ngày Trái đất. Tính biên độ dao động góc của Kim tinh khi quan sát từ Trái đất. Bài 5: (2.2/GTBTTV/11) Hai vật có khối lượng tương ứng là m1 và m2. Biết m1 có quỹ đạo là một elip có tâm sai e = 0,5. Biểu diễn quỹ đạo chuyển động m1 và m2 lên hình vẽ (biết m2 = 2m1). Với trường hợp m2 >> m1, hãy vẽ quỹ đạo của m2. Bài 6: (2.4/GTBTTV/11): Sao chổi Halley có chu kỳ 76 năm, quỹ đạo rất dẹt với tâm sai e = 0.967. a) Xác định bán kính trục lớn quỹ đạo b) Xác định khối lượng Mặt trời c) Tính khoảng cách cận nhật và viễn nhật d) So sánh động năng ở cận điểm và viễn điểm.

56

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Bài 7: (2.12/GTBTTV/14) Tính gần đúng khối lượng của Mộc tinh biết nó chuyển động quanh Mặt trời theo quỹ đạo với bán trục lớn aJ = 5,2 đvtv và với chu kì TJ = 11,9 năm. Biết vệ tinh của Ganymede của Mộc tinh chuyển động quanh Mộc tinh với bán trục lớn aG = 7,14.10-3 đvtv và với chu kì TG = 1,9.10-2 năm. Khối lượng Mặt trời là M = 1,99.1030 kg. Bài 8: Năm 1986 người ta quan sát được một sao chổi bay qua gần Trái đất có khoảng cách đến Mặt trời thay đổi từ 0,586 AU đến 35,1 AU. Biết bán kính trục lớn quỹ đạo của sao chổi là 17,8 AU. a) Tìm tâm sai của quỹ đạo. b) Lần kế tiếp trên Trái đất có thể nhìn thấy sao chổi này vào năm nào? Tên của sao chổi? Thế kỉ 22 còn tháy sao chổi nữa không? Vào năm nào? b) Biết G = 6,67.10-11 m3/kg.s2, 1 AU = 1,496.108 km. Xác định khối lượng của Mặt trời. Bài 9: Độ trưng hay là công suất bức xạ toàn phần của ngôi sao được xác định bằng công thức 𝐿 = 4𝜋𝑅2 , với R là bán kính ngôi sao và là công suất bức xạ tại nhiệt độ bề mặt T. Tại một vị trí cách tâm Mặt trời một đơn vị thiên văn có mật độ thông lượng bức xạ là 𝑓 = 1367 𝑊/𝑚2 . a) Tìm độ trưng của Mặt trời. b) Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời nếu bán kính góc của nó là 16’. Bài 10: Từ mặt đất, người ta đo được hằng số Mặt trời (đã hiệu chỉnh phần mát mát do khí 2

quyển hấp thụ) là aMT = 1,95 calo/cm .phút. Hãy tính a) Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời và mật độ bức xạ toàn phần, nếu khi cách ta 1 đvtv, Mặt trời có bán kính góc 16’ b) Nhiệt độ hiệu dụng của quang cầu Mặt trời c) max nếu quang cầu bức xạ như một vật đen tuyệt đối? So sánh với kết quả quan trắc được *MT = 4378 Angstrom. Kết luận? d) Tốc độ mất khối lượng của Mặt trời do bức xạ?

57

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

CHƯƠNG IV. THIÊN HÀ – VŨ TRỤ 4.1. Thiên Hà Thiên Hà là một tập hợp gồm các ngôi sao cùng các hành tinh, tiểu hành tinh,…cùng các đám mây bụi và khí liên kết với nhau bổi lực hấp dẫn. Kích thước và khối lượng của thiên hà khá đa dạng, từ các thiên hà lùn có đường kính vài năm ánh sáng đến các thiên hà lớn có đường kính vài trăm ánh sáng. Ở trung tâm các thiên hà là một lỗ đen có khối lượng rất lớn, đóng vai trò là trung tâm của lực hấp dẫn, các sao cùng khí và bụi đều chuyển động xung quanh hố đen này. 4.1.1. Nguồn gốc và tiến hoá

Các thiên hà đầu tiên đã hình thành trong giai đoạn sơ khai của vũ trụ sau vụ nổ Big Bang. Các ngôi sao, khí, bụi và vật chất tối được kết dính với nhau bởi lực hấp dẫn tạo thành các thiên hà. Các thiên hà bắt đầu từ những đám mây nhỏ gồm các ngôi sao và bụi xoáy trong không gian. Khi các đám mây khác đến gần, lực hấp dẫn sẽ đẩy các vật thể này đan xen vào nhau, các vụ va chạm sau đó cuốn vật chất về phía ngoài các thiên hà và tạo thành các nhánh xoắn ốc rộng lớn chứa đầy các cụm sao. Sau va chạm, các ngôi sao và các vật chất chuyển sang quỹ đạo quay quanh một lõi thiên hà mới. Trong vòng một tỷ năm sau khi các thiên hà đầu tiên hình thành, các cụm sao cầu, lỗ đen khối lượng siêu lớn ở trung tâm và vùng phình thiên hà chứa các sao loại II nghèo kim loại xuất hiện. Sự tạo thành lỗ đen siêu lớn dường như đóng vai trò quan trọng trong hoạt động điều hòa sự tăng trưởng của thiên hà bằng cách giới hạn tổng lượng vật chất tích tụ vào thiên hà. Trong kỷ nguyên sớm này, các thiên hà trải qua hoạt động bùng nổ sao mạnh mẽ nhất trong lịch sử tiến hóa của nó. Trong hai tỷ năm tiếp theo, lượng vật chất tích tụ dần phân bố ổn định theo đĩa phẳng của thiên hà. Thiên hà sẽ tiếp tục hấp thụ lượng vật chất rơi vào nó từ những đám mây khí có vận tốc cao và từ các thiên hà lùn trong suốt thời gian tồn tại của nó. Lượng vật chất này chủ yếu là hydro và heli. Chu trình sao sinh ra và chết đi làm tăng chậm dần sự có mặt của các nguyên tố nặng hơn, cuối cùng những nguyên tố mới này tham gia vào quá trình hình thành lên các hệ hành tinh. Sự tiến hóa thiên hà có ảnh hưởng quan trọng bởi quá trình tương tác và va chạm giữa các thiên hà. Hoạt động sáp nhập thiên hà là khá thường xuyên trong suốt giai đoạn sớm của vũ trụ và đa phần các thiên hà có hình thái dị thường. Do khoảng cách giữa các ngôi sao là lớn cho lên các hệ sao trong những thiên hà va chạm sẽ không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên, sức hút hấp dẫn tước đi khí và bụi liên sao trong các cánh tay xoắn ốc tạo nên một chuỗi dài các ngôi sao gọi là đuôi thủy triều. Các thiên hà ngày nay vẫn tiếp tục tương tác với nhau, chúng có thể va chạm và cuối cùng hợp nhất thành các thiên hà mới.

58

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 4.1. "The Mice", một cặp thiên hà va chạm. Nguồn: Kính thiên văn Hubble, NASA, Holland Ford (JHU), Nhóm Khoa học ACS và ESA. 4.1.2. Phân loại

Thiên hà được phân loại thành ba nhóm chính là thiên hà xoắn, thiên hà elip và thiên hà không định hình. Thiên hà xoắn: tập hợp của sao, khí và bụi dưới dạng một đĩa xoắn lớn quay xung quanh một tâm chung. Các sao trong thiên hà này nằm rải rác trên các cánh tay xoắn. Thiên hà xoắn kí hiệu là S và được chia thành ba cấp là a, b và c dựa trên độ khép kín của các cánh tay, trong đó Sa là thiên hà xoắn với các cánh tay còn quấn chặt vào vùng trung tâm, chưa phân hoá thật rõ, Sc là các cánh tay mở rộng nhất, xoè rộng ra không gian. Mặt khác một lượng lớn thiên hà xoắn được biết tới có vùng phồng ở trung tâm có dạng thanh chứ không phải dạng cầu, chúng được thêm chữ B vào trong kí hiệu bên cạnh kí hiệu của thiên hà xoắn, đó là các thiện hà SB và cũng gồm 3 loại là Sba, SBb, SBc. Một số thiên hà có dạng xoắn ốc như dải Ngân Hà (SBc), thiên hà Tiên Nữ, NGC 5457,…

Hình 4.2. Thiên hà xoắn ốc Tiên Nữ (M31) và thiên hà M74. Nguồn: NASA. 59

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Thiên hà elip: chiếm 15% số thiên hà đã được quan sát, kí hiệu là E và phân thành 8 cấp từ E0 đến E7 thể hiện độ thuôn dài của elip. Phần lớn các thiên hà elip gồm các sao có khối lượng thấp, đã già và ít hoạt động hình thành sao mới. Các thiên hà elip điển hình như M32, M49, M87 (NGC 4486),…

Hinh 4.3. Thiên hà elip M87 (NGC 4486). Nguồn: NASA Thiên hà vô định hình: không có hình dạng xác định, không có đặc điểm chung nào. Chúng có quá khứ là thiên hà xoắn hay elip, bị biến dạng do va chạm hay do sự mất cân bằng của lực hấp dẫn. Điển hình như hai thiên hà vệ tinh của dải Ngân Hà là đám Mây Magellan lớn (LMC) và Mây Magellan Nhỏ (SMC).

Hình 4.4. Mây Magellan lớn (LMC) – thiên hà vô định hình vệ tinh của dải Ngân Hà. Nguồn : NASA. 60

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Ngoài các phân chia theo hình dạng nêu trên, các thiên hà có khối lượng nhỏ, gồm chỉ khoảng vài tỷ sao hoặc ít hơn còn được gọi là thiên hà lùn. Đấm mây Magellan lớn, thiên hà vô định hình gần chúng ta chứa khoảng 30 tỷ sao đôi khi cũng được coi là một thiên hà lùn. 4.1.3. Đặc tính vật lý của các thiên hà

Sự quay: khi quan trắc các thiên hà người ta thấy quang phổ của chúng có độ lệch do hiệu ứng Doppler. Điều này do các mép của thiên hà lúc tiến gần, lúc luòi xa nêu quan trắc tâm thiên hà theo phương thẳng góc với trục quay. Hiện tượng này chứng tỏ thiên hà tự quay quanh trục của nó. Khối lượng: dựa trên sự quay của thiên hà, người ta có thể tính toán được khối lượng của chúng bằng sự liên hệ giữa lực hướng tâm và lực hấp dẫn.

M=Rv2/G Với: ‒ M: khối lượng thiên hà tập trung ở tâm. ‒ v: Vận tốc quay của ngôi sao quanh tâm thiên hà. ‒ G: Hằng số hấp dẫn. ‒ R: là khoảng cách từ tâm thiên hà đến ngôi sao. Thực nghiệm cho thấy đa phần các thiên hà có khối lượng khoảng 1011 khối lượng Mặt trời. Khoảng cách: người ta thường sử dụng phương pháp sao biến quang đối với các thiên hà có loại sao biển quang Thiên Vương (Cepheid) để tính khoảng cách theo công thức M = m + 5 – 5logd. Hiện tượng lệch đỏ của các thiên hà: trong vài chục năm gần đây các bức ảnh chụp quang phổ của trên 70 thiên hà đều cho thấy quang phổ lệch về phsia đỏ, chứng tỏ các thiên hà đang chạy xa chúng ta. Định luật Hubble: năm 1929, Edwin Hubble đã thiết lập mối liên hệ giữa vận tốc rời xa của thiên hà với khoảng cách của chúng. Định luật Hubble có dạng: v = H.d trong đó v là vận tốc của thiên thể theo phương nhìn được xác định từ độ lệch đỏ do hiệu ứng Dopler quang học, d là khoảng cách đến thiên hà, H là hằng số Hubble, hằng số này có giá trị được đo từ 50 - 100 km/s.Mps. Định luật Hubble giúp ta giải thích các thiên hà lùi xa nhau, vũ trụ đang giãn nở và phù hợp với thuyết Big Bag. 4.2. Dải Ngân Hà Thiên hà của chúng ta có tên là Dải Ngân Hà, trong tiếng Anh gọi là Milky Way nghĩa là “dòng sữa”, vì khi nhìn lên bầu trời thì dải Ngân hà như một dải màu trắng sữa do sự tập hợp của vô số ngôi sao không phân biệt được bằng mắt thường. Dải Ngân Hà là một thiên hà dạng xoắn ốc có đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng, nặng khoảng 210 tỉ lần khối lượng Mặt Trời. hệ Mặt Trời nằm ở cánh tay xoắn ở gần rìa dải Ngân Hà, cách tâm khoảng 2/3 bán kính. Dải Ngân hà có khoảng 200 đến 400 tỷ ngôi sao.

61

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 4.5. Cấu trúc Dải Ngân Hà. Nguồn: https://science.howstuffworks.com Nếu nhìn từ bên ngoài vào theo hướng mặt cắt nganh thì Ngân Hà gồm các thành phần sau: + Đĩa thiên hà: có thành phần chủ yếu là các sao trẻ, sao già và một lượng lớn khí gas và bụi. Các ngôi sao trong đĩa di chuyển quanh tâm của đĩa theo quỹ đạo gần tròn. Đĩa gồm 3 phần: phần đầu là nhân thiên hà có dạng thanh là trung tâm của đĩa với bán kính khoảng 1 kps, ở trung có một nguồn phát hồng ngoại và vô tuyến mạnh tên là Sagittarius A* có mật độ rất lớn, thứ hai là phần phình xung quanh tâm, gồm những phần tiệm cận trên và dưới của mặt phẳng đĩa, thứ ba là phần cánh tay xoắn ốc, những cánh tay đều có khởi điểm gần trung tâm của Ngân hà và toả ra xung quanh theo đường xoắn. Thiên hà có ba cánh tay lớn là Nhân Mã, Tráng Sĩ, Cung Thủ. + Các quần tinh cầu được phân bố ải rác trên và dưới mặt phẳng đĩa. Chúng di chuyển quanh tâm của Ngân Hà theo quỹ đạo hình elip, với phương hướng được phân bố ngẫu nhiên. Tập trung ở các đám sao cầu này là những sao già hơn rất nhiều so với ở đĩa thiên hà, ở đây hầu như không có phần khí và bụi. + Quần halo: đây là một vùng rất lớn, mờ, bao quanh toàn bộ Ngân Hà, được cấu tạo từ khí gas nóng và có thể là vật chất tối. Dải Ngân Hà hình thành từ quá trình sát nhập các thiên hà nhỏ hơn và bồi tụ khí trực tiếp từ quầng thiên hà, đặc biệt từ các thiên hà vệ tinh là Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ. Trong tương lai Dải Ngân Hà và thiên hà lân cận Tiên Nữ (Andromeda) sẽ va chạm và sát nhập để tạo thành một siêu thiên hà.

62

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

4.3. Quasar Quasar là nguồn bức xạ vô tuyến được phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1960. Đặc điểm của vậ thể là nguồn phát ra bức xạ điện từ ở cường độ rất cao và có độ lệch đổ trong quang phổ rất lớn chứng tỏ chúng ở rất xa và đang dịc chuyển nhanh. Ngày nay, nguồn gốc của Quasar đã được xác nhận là các thiên hà ở rất xa, trên 3 tỷ năm ánh sáng, các thiên hà này ra đời trong các giai đoạn sớm của vũ trụ, phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ mạnh khác thường do sự bồi tụ mạnh mẽ của vật chất vào siêu lỗ đen ở trung tâm.

Hình 4.6: Quasar phát sáng PG 0052+251 được xác định nằm tại trung tâm của một thiên hà xoắn ốc, cách Trái Đất khoảng 1,4 tỉ năm ánh sáng. Nguồn ảnh: ESA. 4.4. Vũ trụ học Vũ trụ học (cosmology) là ngành khoa học nghiên cứu tổng thể về sự hình thành, tiến hoá và tương lai cũa vũ trụ. Trong vật lý, đó là sự nghiên cứu về nguồn gốc vũ trụ, các cấu trúc của vũ trụ, các định luật chi phối sự phát triển của vũ trụ được xây dựng trên cơ sở các định luật vạt lý, các số liệu quan sát thiên văn và các mô hình thể hiện tính chất chung của vũ trụ đã quan sát được (tính đồng nhất, đẳng hướng, giãn nở). Lịch sử nghiên cứu vũ trụ đã bắt đầu từ các câu chuyện thần thoại, tín ngưỡng của con người từ xa xưa. Đến thời Hy Lạp cổ đại, các nhà triết học như Demorite, Aristote và Ptoleme đã đưa ra mô hình Địa tâm và vào thế kỉ XVI thì mô hình Nhật tâm của Copernius ra đời đánh dấu nhận thức mới về vũ trụ của con người. Sau đó mô hình Nhật tâm tiếp tục được hoàn thiện bởi Newton thông quan định luật vạn vật hấp dẫn và các định luật cơ học. Đến đầu thế kỉ XX, các nghiên cứu về vũ trụ chỉ giới hạn ở phạm vi Hệ Mặt Trời và dẩi Ngân Hà. Với sự ra đời của học thuyết tương đối tổng quá (1923) của Einstein thì ngành vũ trụ học hiện đại đã ra đời và nghiên cứu tính chất của vũ trụ một cách tổng quát. Đặc biệt sự

63

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

hoàn thiện của học thuyết Vụ nổ Lớn (Big Bang) đóng một vai trong quan trọng đối với sự phát triển của vũ trụ học hiện đại. 4.4.1. Nguồn gốc của vũ trụ

Vũ trụ được xem hình thành từ một Vụ nổ Lớn cách đây khoảng 13,7 tỉ năm. Một phần tỉ giây sau vụ nổ lớn, các hạt vật chất đầu tiên được hình thành, đó là là các quark, phản quark và các electron đầu tiên. Sau đó vũ trụ nguội dần, các hạt khác như neutron, proton,…được hình thành và kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử, phân tử. Sau đó các đám mây phân tử khí đậm đặc sụp đổi dưới tác dụng của lực hấp dẫn để tạo thành các thiên hà, sao, hành tinh. Kể tử đó đến nay, vũ trụ vẫn đang tiếp tục giãn nở với tốc độ chậm. Chúng ta có thể mô tả sự phát triển của vũ trụ qua mô hình vật chất từ vi mô đến vĩ mô như sau : Quark và các hạt sơ cấp  Nguyên tử  Phân tử  Hành tinh, Sao,… Thiên hà  Quần thiên hà  Vũ trụ. Toàn bộ vũ trụ đều chịu sự chi phối của bốn lực tương tác điển hình là tương tác hấp dẫn, tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu. Trong đó tương tác hấp dẫn đóng vai tròn chính trong việc định hình cấu trúc vũ trụ như ngày nay chúng ta biết. 4.4.2. Các mô hình vũ trụ Trên cơ sở thuyết tương đối rộng của Einstein, có hai mô hình chính để mô tả Vũ trụ là mô hình trạng thái dừng và mô hình vũ trụ nóng – Vụ nổ lớn (Big Bag). Cả hai mô hình này đều thừa nhận Vũ trụ đang giãn nở chống lại sự hút hấp dẫn. Mô hình trạng thái dừng cho rằng Vũ trụ không thay đổi theo thời gian vì vật chất có thể được tạo ra một cách tự phát sao cho tỉ lệ tạo ra cân bằng với sự giảm của mật độ do giãn nở. Mật độ của Vũ trụ không thay đổi theo thời gian. Theo lí thuyết này, vũ trụ là vĩnh cửu, không có khởi đầu và không có sự kết thúc. Mô hình Vụ nổ Lớn cho rằng vụ trụ khởi đầu bằng một vụ nỏ cách đây khoảng 15 tỷ năm. Khi Vũ trụ được tạo thành, vật chất được tập trung trong một trạn thái có nhiệt độ và mật độ vô hạn. Sau vụ nổ, vũ trụ giãn nở và nguội dần, cho phép hình thành cấu trúc vũ trụ như ta đã biết ngày nay. Một số bằng chứng quan sát thực nghiệm về bức xạ phông vi sóng vũ trụ (CMB), sự hình thành các nguyên tố cơ bản, sự phân bố và tiến hoá của các thiên hà, sự giãn nở của không gian,… đã ủng hộ mạnh mẽ mô hình Vụ nổ lớn. Mô hình này ngày nay được chấp nhận rộng rãi để giải thích về sự hình thành và tiến hoá của vũ trụ. Dưới đây là các mốc thời gian và sự kiện về lịch sử hình thành vũ trụ theo lý thuyết Big Bag. - Từ 𝑡 = 0 đến 𝑡 = 10−43 𝑠: Kỷ nguyên Planck. Đây là giai đoạn đầu tiên của vũ trụ theo mô tả của thuyết Big Bang, khi tuổi của vũ trụ là dưới 10−43 𝑠 (thời gian Planck). Ở giai đoạn đầu tiên này, các xác suất lượng tử là không thể dự đoán và do đó vật lý không thể mô tả điều gì cụ thể về giai đoạn này của vũ trụ. - Từ 10−43 𝑠 đến 10−36 𝑠: Kỷ nguyên thống nhất lớn – ngay sau kỷ nguyên Planck.

64

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Giai đoạn này được gọi tên như vậy bởi đây là lúc ba tương tác cơ bản của thuyết thống nhất lớn là tương tác điện từ, tương tác mạnh và tương tác yếu vẫn còn thống nhất, chưa tách khỏi nhau. - Từ 10−36 𝑠 đến 10−32 𝑠: Kỷ nguyên điện yếu và thời kỳ lạm phát. Trong giai đoạn rất ngắn này, tương tác mạnh đã tách ra nhưng tương tác yếu và tương tác điện từ vẫn chưa tách khỏi nhau, được gọi là tương tác điện yếu. Cũng trong giai đoạn này, vũ trụ có sự giãn nở lạm phát, trong đó tốc độ giãn nở của vũ trụ mới hình thành khi đó được đẩy lên cực đại, nhanh hợn rất nhiều tốc độ giãn nở ngày nay mà chúng ta có thể quan sát. Đây là thời điểm các hạt tạo thành vật chất, quark và lepton hình thành cùng với các phản hạt của chúng, nhiều cặp phản hạt gặp nhau tự hủy giải phóng năng lượng dưới dạng photon, quá trình lạm phát không gian làm các hạt phóng đi mọi hướng mà không bị kéo lại với nhau bởi lực hấp dẫn. - Từ 10−12 𝑠, bắt đầu kỷ nguyên quark. Đây là khi tương tác điện yếu đã tách ra thành tương tác điện từ và tương tác yếu. Vũ trụ được lấp đầy bởi các quark, lepton cùng các phản hạt của chúng. Ở giai đoạn này, vũ trụ còn đủ nóng để các quark có vận tốc đủ cao khiến khi va chạm chúng không thể kết hợp với nhau thành các meson hay baryn. Kỷ nguyên quark kết thúc vào thời điểm tuổi của vũ trụ là 10−6 𝑠, lúc này vũ trụ đã đủ nguội và tương tác mạnh có thể liên kết các quark với nhau. Vũ trụ được tràn ngập bởi các hadron mới tạo thành và bước vào kỷ nguyên hadron. - Từ 10−6 𝑠 đến 1s: kỷ nguyên hadron. Đây là giai đoạn nhiệt độ đã giảm đủ để các quark kết hợp với nhau. Các quark cùng photon mang năng lượng tập hợp lại với nhau tạo thành các hadron và phản hadron. Khi toàn bộ các quark đã mất trạng thái tự do và lượng photon đã đủ cân bằng để không gây ra những phản ứng kết hợp thêm nữa, thời kì hadron kết thúc. - Từ 1s đến 10s: kỷ nguyên lepton. Các hadron và phản hadron hủy nhau gần hết ngay sau khi kết thúc thời kỳ hadron. Tiếp đến các lepton và phản hạt của chúng cũng hủy nhau cho tới khi vũ trụ đủ nguội để các cặp hạt này không còn được tiếp tục tạo ra nữa và chỉ còn lại một lượng nhỏ là các lepton còn lại. Vũ trụ rất đậm đặc và photon chưa thể di chuyển tự do trong vũ trụ - Từ t=10s: Kỷ nguyên photon. Các photon tràn ngập vũ trụ nhưng chúng chưa thể di chuyển hoàn toàn tự do mà liên tục tương tác với các lepton và hadron tràn ngập trong vũ trụ. Qúa trình tương tác này kéo dài trong khoảng 380.000 năm, trải dài qua các giai đoạn tổng hợp hạt nhân ở thời điểm 3 phút sau Big Bang và giai đoạn thống trị của vật chất, kết thúc vào thời điểm bắt đầu của sự tái tổ hợp. - Khoảng 380.000 năm sau Big Bang: giai đoạn tái tổ hợp. Đây là giai đoạn trong vũ trụ sớm bắt đầu vào khoảng 377.000 (hoặc 380.000) năm sau Big Bang. Trong giai đoạn tái tổ hợp, mật độ và nhiệt độ của vũ trụ đã giảm đủ để các proton bắt giữ được electron tạo thành các nguyên tử hydro trung hòa, giải phóng các photon

65

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

có thể bắt đầu di chuyển tự do trong vũ trụ và tạo nên nền vi bi vũ trụ như được quan sát ngày nay. - Từ 380.000 đến 150 triệu năm sau Big Bang: thời kỳ tối. Giai đoạn khá dài này bắt đầu ngay cuối tái tổ hợp (vốn diễn ra khá nhanh). Trong giai đoạn này, các photon đã được giải phóng trong giai đoạn tái tổ hợp nhưng chúng còn ít và tất cả đều bị tương tác với các hạt tràn ngập vũ trụ khi đó, do đó vũ trụ không được “chiếu sáng”. Khoảng 100 triệu năm sau Big Bang, các sao và thiên hà đầu tiên hình thành và bức xạ chúng phát ra đưa vũ trụ vào giai đoạn tái ion hóa, các photon được giải phóng di chuyển tự do trong vũ trụ và đó là thời điểm thời kỳ tối kết thúc. - Khoảng 150 triệu năm sau Big Bang: các sao đầu tiên hình thành do liên kết hấp dẫn. - Khoảng 1 tỷ năm sau Big Bang: Các thiên hà đầu tiên hình thành. - Khoảng 13,8 tỷ năm sau Big Bang: hiện tại.

Hình 4.7. Lược đồ các giai đoạn của Vụ nổ Lớn (Big Bang). Số phận của vũ trụ trong tương lai phụ thuộc vào các giá trị cạnh tranh nhau của tốc độ giãn nở và của sự hút do hấp dẫn. Nếu chúng ta sống trong một Vũ trụ mở, lúc này mật độ trung bình của vật chất thấp, lực hấp dẫn yếu thì Vũ trụ giãn nở mãi mãi. Các thiên hà sẽ dần dần tan rã, các nôi sao cuối cùng sẽ tắt và toàn bộ Vũ trụ sẽ làm một không gian cực kì lạnh, tối đen và trống rỗng toả ra vô hạn, Trái lại nếu Vũ trụ đóng, mật độ trung bình của vật chất cao thì Vũ trụ sẽ tái suy sụp để cuối cùng chập lại thành một điểm kì dị giống như lúc bắt đầu Vụ nổ Lớn. Trong giai đoạn suy sụp, các thiên hà và các sao sẽ ngày càng gàn lại nhau và thường xuyên va chạm với nhau. Cuối cùng, vũ trụ sẽ là một không gian vô cùng nóng và nhỏ bé. Pha cuối cùng của Vũ trụ đóng thường được gọi là Vụ áp lớn, khi này vũ trụ có thể bật trở 66

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

lại và tiến triển từ kì dị thành một chu trình lặp lại. Trong trường hợp Vũ trụ đóng hay mở thì quá trình cũng chỉ xảy ra trong hàng chục tỉ năm tới. 4.5. Vật chất tối và năng lượng tối 4.5.1. Vật chất tối Khi quan sát các thiên hà độc lập chuyển động một cách ngẫu nhiên với tốc độ lớn thì chúng không bị phân tán. Điều đó chứng tỏ phải tồn tại một khối lượng hấp dẫn đủ lớn để duy trì cấu trúc của các thiên hà, dạng vật chất này khác với các dạng vật chất đã được nghiên cứu trước đây và chúng được gọi là vật chất tối. Vật chất tối được các mô hình tính toán chiếm đến 70% vật chất trong vũ trụ (vật chất tối + vật chất thường). Các nhà khoa học đã khám phá ra một số hiện tượng chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối như tốc độ quay của các thiên hà và tốc độ quỹ đạo của những thiên hà trong cụm; thấu kính hấp dẫn các thiên thể phía sau bởi những cụm thiên hà. Các khám phá cỷa Jan Oort (1932) về chuyển động của các sao trong Ngân hà và trong thiên hà lân cận cũng như của Fritz Zwicky (1933) về chuyển động của các thiên hà trong đám thiên hà chứng tỏ rằng khối lượng vật chất không quan sát được gấp 400 lần với khối lượng được nhìn thấy, điều đó chứng tỏ có sự tồn tại của vật chất tối. Trong một khám phá khác của Vera Rubin (1970) về đường đặc trưng của vận tốc quay thiên hà theo khoảng cách xa dần từ tâm cho thấy mật độ sao từ tâm ra, tức vật chất thực giảm thì vận tốc sẽ giảm nhưng ngược lại các số liệu cho thấy vận tốc lại tăng, chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối. Tuy nhiên, cũng có nhưng vùng không cho thấy sự tồn tại của vật chất tối như đám sao cầu, hoặc các thiên hà có tỉ lệ vật chất tối rất nhỏ so với vật chất thường như các thiên hà lùn. Đối với dải Ngân Hà thì vật chất tối gấp 10 lần vật chất thường. Một bằng chứng thực nghiệm khác chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối là vận tốc phân tán của đám thiên hà. Vận tốc hướng tâm của thiên hà trong đám được xác định bằng độ lệch đỏ z, còn khối lượng của đám thiên hà được xác định bằng tỉ số khối lượng đối với độ trưng của tia X. Ở một số thiên hà elip, chẳng hạn như đám thiên hà Abell 2029, vận tốc phân tán của các thiên hà không khớp với sự phân tán vận tốc dự đoán từ phân bố khối lượng quan sát được, điều đó chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối trong đám thiên hà. Một bằng chứng nữa cũng chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối là hiện tượng thấu kính hấp dẫn của các thiên hà, trường hợp khi quan sát thiên hà nền phía sau một đám thiên hà thì hình ảnh của nó sẽ bị nhân lên và biến dạng, đó là do bức xạ của nó bị khúc xạ, tạo hiệu ứng thấu kính khi đi nganh qua đám thiên hà, bằng cách so sánh kết quả tính toán khối lượng của đám thiên hà được suy ra từ việc phân tích hình ảnh thiên hà nền và phương pháp đo tỉ số đặc trưng của tia X với khối lượng thì thấy có sự phân bố vật chất tối trong đám thiên hà.

67

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hình 4.7. Hiện tượng thấu kính hấp dẫn của đám thiên hà Abell 1689 cho thấy sự hiện diện của vật chất tối. Nguồn: Kính viễn vọng Hubble. Thành phần của vật chất tối đến nay chưa hiểu được, các nghiên cứu hiện nay cho rằng nó có thể bao gồm các hạt sơ cấp mới chưa được biết như WIMP, axion và neutrino,… Năm 2016 các thí nghiệm vật lý nhằm tìm kiếm, chứng minh sự có mặt của vật chất tối đã thất bại trong việc phát hiện chúng. Nguyên nhân là do vật chất tối không thể nhìn thấy và chỉ có thể phát hiện khi các thiêt bị tiếp xúc với trọng lực rất nhỏ của nó. Theo kết quả tính toán dựa và các số liệu phân tích hình ảnh biến dạng do thấu kính hấu dẫn, kết hợp với lý thuyết theo phương trình Friedman thì phần lớn vật chất tối lạnh. Ba mô hình về vật chất tối dựa vào quãng đường chạy tự do của các hạt vật chất tối di chuyển trong vũ trụ là vật chất tối lạnh, ấm và nóng. 4.5.2. Năng lượng tối

Bên cạnh vật chất tối, năng lượng tối cũng chiếm một phần lớn vũ trụ và có xu hướng làm tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Theo mô hình tiêu chuẩn của Vũ trụ học, tỷ lệ tương đối của vật chất – năng lượng thì vũ trụ có 26.8% vật chất tối, 63.8% năng lượng tối và vật chất chất thường chỉ chiếm 4.9%. Tỷ trọng của năng lượng tối rất thấp khoảng 6,91.10-27 kg/m3, thấp hơn cả tỉ trọng của vật chất thường và vật chất tối trong các thiên hà. Bản chất của năng lượng tối đến nay vẫn còn là sự suy đoán, sự tồn tại của loại năng lượng này nhằm giải thích về sự liên hệ giữa khoảng cách và độ lệch đỏ của các thiên hà; một loại năng lượng để bổ sung vào mô hình vũ trụ phẳng có thể nhìn thấy được và hệ quả tính toán từ các mô hình sóng

68

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

cỡ lớn của tỷ trọng vật chất trong vũ trụ. Năng lượng tối cần một áp suất âm đủ mạnh để giải thích cho hiện tượng tăng tốc độ giản nở của vũ trụ. Các bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của năng lượng tối là qua việc quan sát các siêu tân tinh loại Ia, đât là thang đo khoảng cách xuyên suốt vũ trụ vì ánh sáng phát ra từ các siêu tân tinh này mạnh và ổn định. Các quan sát về độ lệch đỏ và cấp sao cho thấy vũ trụ giãn nở có gia tốc, và được tạo thành từ 71.3% năng lượng tối và 27.4% tổng hợp của vật chất tối và vật chất baryon. Một bằng chứng khác cũng quan trọng là sự quan sát phông vi sóng Vũ trụ. Tính toán về bất đẳng hướng phông vi sóng Vũ trụ chỉ ra để Vũ trụ phẳng, tỷ trọng vật chất/năng lượng của Vũ trụ phải gần bằng tỷ trọng mật độ tới hạn. Tổng vật chất trong Vũ trụ đã tính được qua quang phổ trong phông vi sóng chỉ chiếm 30% mật độ giới hạn, vì vậy phải có một dạng năng lượng khác chiếm 70%. Các thí nghiệm của tàu vũ trụ Planck năm 2013 trên phông vi sóng đã cho thấy cấu trúc Vũ trụ gồm 68.3% năng lượng tối, 26.8% vật chất tối và 4.9% vật chất thường. 4.6. Câu hỏi và bài tập CÂU HỎI Câu 1: Cấu tạo và đặc điểm của Dải Ngân Hà. Câu 2: Các loại thiên hà chính và đặc điểm của từng loại, cho ví dụ. Câu 3: Nêu định luật Hubble và các xác định khoảng cách của các Thiên hà. Câu 4: Trình bày các giai đoạn chính của sự hình thành vũ trụ theo thuyết Vụ nổ Lớn. Câu 5: Các bằng chứng thực nghiệm về Vụ nổ Lớn. Câu 6: Nêu đặc điểm và các bằng chứng chứng tỏ sự tồn tại của vật chất tối. BÀI TẬP Bài 1: Theo phép đo độ dịch chuyển Doppler của ánh sáng do một quasar ở xa Trái Đất phát ra thì quasar đó đang lùi xa với vận tốc 2.108 m/s. Hỏi quasar đó cách Trái Đất bao xa. Bài 2: a) Biết bức xạ nền vi phóng trong Vũ trụ có cường độ đạt cực đại ở bước sóng 1,1 mm. Tính nhiệt độ trung bình tương ứng với bức xạ nền. b) Khoảng 100.000 năm sau Vụ nổ Lớn (Big Bang), vũ trụ trở nên trong suốt với các bức xạ điện từ. Nhiệt độ vũ trụ lúc đỡ khoảng 105 K. Tìm bước sóng với bức xạ nền có cường độ mạnh nhất vào thời điểm đó. Bài 3: Thiên hà H khi quan sát vùng sóng vô tuyến radio thu được tín hiệu 26 cm. - Xác định vận tốc rời xa của H. Biết bức xạ vô tuyến của Hidro thu được trên Trái đất là 21 cm - Tính khoảng cách của H đến Trái đất. Hằng số Hubble H0 = 70 (km/s)/Mpc - Phổ liên tục của 1 sao trong H có λmax = 600nm, xác định nhiệt độ và công suất bức xạ của sao này nếu xem ngôi sao như là một vật đen. Bài 4: Mặt trời cách tâm thiên hà của chúng ta (The Milky Way Galaxy) khoảng 25.000 nas, 69

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

chuyển động tròn quanh tâm TH một vòng mất 170 triệu năm. Trái đất cách Mặt trời 8 phút ánh sáng. Từ các số liệu trên, hãy tìm khối lượng hấp dẫn gần đúng của thiên hà (tính theo đơn vị khối lượng MT). Cho rằng trọng lực trên Mặt trời (MT) có thể tính gần đúng bằng việc thừa nhận toàn bộ khối lượng của Thiên hà tập trung ở tâm của nó.

70

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

PHỤ LỤC Phụ lục 1. Các hằng số vật lý, đơn vị thường dùng trong thiên văn Bảng 1a. Các hằng số vật lý cơ bản Đại lượng vật lý Hằng số hấp dẫn Tốc độ ánh sáng trong chân không Hằng số Boltzmann Hằng số Planck Hằng số Stefan - Boltzmann Hằng số Wien Hằng số khí lí tưởng Hằng số Avogadro Hằng số Ridberg Hằng số điện Hằng số (từ) thẩm Bán kính Bohr Điện tích nguyên tố Khối lượng electron Khối lượng proton Khối lượng neutron

Ký hiệu G c k h σ b R NA R εo μo rB e me mp mn

Giá trị 6,6726 x 10-11 2,9979 x 108 1,3807 x 10-23 6,6261 x 10-34 5,7605 x 10-8 2,8978 x 10-3 8,31 6,02.1023 1,1.107 8,85.10-12 1,26.10-6 5,29.10-11 1,6.10-19 9,1.10-31 1,67.10-27 1,68.10-27

Đơn vị (SI) m3/s2kg m/s J/K J.s W/m2.K4 m.K J/mol.K mol-4 m4 F/m H/m m C kg kg kg

Bảng 1b. Các đơn vị thường dùng trong thiên văn Đơn vị đo đơn vị thiên văn năm ánh sáng parsec thị sai Mặt trời khối lượng Mặt trời bán kính Mặt trời độ trưng của Mặt trời khối lượng Trái đất bán kính Trái đất gia tốc trọng trọng trên Trái Đất

Ký hiệu đvtv nas pc π M R L ME RE g

71

Giá trị 1 đvtv ≈ 1,496.1011 m 1 nas ≈ 9,46.1015 m ≈ 6,324.104 ddvtv 1 pc ≈ 3,086.1016 m ≈ 2,062.105 đvtv 8,794 góc giây 1,989.1030 kg 6,96.105 km 3,827.1026 W 5,97.1024 kg 6358.14 km 9,8 m/s2

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Phụ lục 2. Thông số của các hành tinh trong hệ Mặt trời (Nguồn: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/) Tính chất vật lý

Thuỷ tinh

Kim tinh

Trái Đất

Hoả tinh

Mộc tinh

Thổ tinh

Thiên Vương tinh

Hải Vương tinh

Khối lượng 0,0553 0,816 1,0 0,107 317,9 95,1 14,5 17,1 (ME) Đường kính 4879 12104 12756 6792 142984 120536 51118 49528 xích đạo (km) Mật độ (kg/m3) 5429 5243 5514 3934 1326 687 1270 1638 Gia tốc rơi tự do trên bề mặt 3,7 8,9 9,8 3,7 23,1 9,0 8,7 11,0 (2) Khoảng cách trung bình đến 57,9 108,2 149,6 228,0 778,5 1432,0 2867,0 4515,0 Mặt trời (x106 km) Chu kì quỹ đạo 88,0 224,7 365,2 687,0 4331 10747 30589 59800 (ngày) Chu kì tự quay 1407,6 -5833,51 23,9 24,6 9,9 10,7 -17,21 16,1 (giờ) Tốc độ quỹ 47,4 35,0 29,8 24,1 13,1 9,7 6,8 5,4 đạo (km/s) Độ nghiêng trục so với quỹ 0,034 177,4 23,4 25,2 3,1 26,7 97,8 28,3 đạo (độ) Tâm sai quỹ 0,206 0,007 0,017 0,094 0,049 0,052 0,047 0,01 đạo Vận tốc thoát 4,3 10,4 11,2 5,0 59,5 35,5 21,3 23,5 (km/s) Nhiệt độ trung 167 464 15 -65 -110 -140 -195 -200 bình (0C) Các vệ tinh đã 0 0 1 2 79 82 27 14 biết Hệ thống vành Không Không Không Không Có Có Có Có đai hành tinh Từ quyển của Có Không Có Không Có Có Có Có hành tinh (1) Dấu “ – “ cho biết Kim tinh và Thiên Vương tinh quay ngược với chuyển động quỹ đạo của chúng. (2) Gia tốc trọng trường được đo ở xích đạo của hành tinh.

72

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Phụ lục 3. Thông số một số vệ tinh của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời Nguồn: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/galileanfact_table.html

Vệ tinh

Khoảng cách đến hành tinh (103 km)

Vệ tinh của Trái Đất Mặt Trăng 384 Vệ tinh của Hoả tinh Phobos 9,377 Deimos 23,436 Vệ tinh của Mộc tinh Io 422 Europa 671 Ganymede 1070 Callisto 1883 Vệ tinh của Thổ tinh Titan 1222

Chu kỳ quay quanh hành tinh (ngày)

Khối lượng (1021 kg)

27,3

73,5

3475

3340

1,6

-20

0,3189 1,262

1,07.10-5 2,24.10-6

27×22×18 15×12×10

1900 1750

0,0057 0,0039

-40 -40

1,8 3,6 7,2 16,7

89,3 48,0 148,2 107,6

3643 3122 5262 4821

3530 3010 1940 1830

1,80 1,31 1,43 1,24

15,9

134,6

5150

1881

1,35

73

Đường kính trung Mật độ bình (kg/m3) (km)

Gia tốc trọng trường (m/s2)

Nhiệt độ trung bình (0C)

-155 -170 -160 -155 -180

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Phụ lục 3. Thông tin 25 ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm Nguồn: http://simbad.cds.unistra.fr/simbad/ STT

Ký hiệu

Tên Latinh

Tên tiếng Việt

1

 CMA

Sirius

2 3 4

-0,74

-5,71

95 ± 5

0,01

4,38

1,338 ± 0,002

Chức nữ Ngũ xa Sâm tú 7 Nam hạ

K1.5III K0III B8 Ia F5V

-0,05 0,08 0,13 0,34

-0,3 0,296 -7,84 2,66

11,26 ± 0,02 13,159 ± 0,015 264 3,51 ± 0,02

Sâm tú 4 Thuỷ uỷ Bắc hà

M2Iab B6V B1III/B 1V A7V

0,42 0,4-0,46 0,61

-6,05 -1,46 -4,53

197 ± 45 43 ± 1 120 ± 7

12

Canopus  Car Arcturus  Boo  Cen A Rigil Kentaurus Vega  Lyr Capella  Aur  Ori A Rigel Procyon  Cmi A Betelgeuse  Ori Achenar  Eri Hadar  Cen AB Altair  Aql

Thiên A1V Lang Lão Nhân F0II Đại giác Nam môn G2V

0,76

2,22

5,13 ± 0,01

13 14 15

 Tau A Aldebaran Spica  Vir  Sco A Antares

0,75-0,95 0,97 1,09

-0,641 -3,55 -5,28

20,0 ± 0,3 77 ± 4 190

16 17 18 19

 Ps A  Gem  Cyg  Cru

1,16 1,14 1,25 1,25

1,72 1,08 -8,38 -3,92

7,7 ± 0,03 10,36 ± 0,03 802 ± 66 85 ± 7

20 21

 Leo A Regulus  Cru A Acrux

1,4 0,76

-0,57 -3,77

24,3 ± 0,2 99 ± 5

22

ε CMAA λ Sco γ Ori  Tam

Adhara

K5 III B1V M1.5Iab /B2.5V A3V K0 III A2 Ia B0.5 III/B2V B8 IVn B0,5V + B1V B2 II

1,50

-4,8

132 ± 10

Shaula Bellatrix Elnath

B2IV B2III B7III

1,62 1,64 1,65

-3,70 -2,78 -1,42

180 77 ± 3 41,1 ± 1

5 6 7 8 9 10 11

23 24 25

Formallhaut Pollux Deneb Mimosa

Ngưu lang Tắt tú 5 Phi thuý

Bắc lạc Thiên tân

Nữ chúa

Kiểu phổ

74

Cấp sao biểu kiển -1,46

Cấp sao Khoảng cách tuyệt (pc) đối 1,42 2,64 ± 0,01

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Phụ lục 4. Kiểu phổ của các ngôi sao Việc phân tích quang phổ của các ngôi sao giúp xác định các đặc tính của sao như nhiệt độ, màu sắc tương ứng và thành phần hoá học của vật chất cấu tạo sao. Từ đặc tính của quang phổ thì các sao thông thường ở dãy chính (main squence) thường được phân loại theo trật tự từ nóng nhất đến lạnh nhất thành các kiểu phổ: O – B – A – F – G – K – M. Với các sao cùng thuộc một kiểu phổ chúng lại được sắp xếp thành 10 phân lớp nhỏ hơn được đánh số từ 0 đến 9. Ví dụ như sao M0 là sao “nóng nhất” của kiểu phổ M và “M9” là sao “lạnh nhất” của kiểu phổ này. Mặt Trời của chúng ta là một ngôi sao có kiểu phổ G2. Bên cạnh 7 kiểu phổ chính thì còn có một số kiểu phổ phụ được đề xuất để phân loại các vật thể có đặc trưng riêng. Các sao Wolf-Rayet có đặc trưng bởi các vạch phát xạ của He+, He và N thì được xếp vào kiểu phổ W; còn để phân loại các sao lùn nâu có nhiệt độ bề mặt thấp thì người ta đặt ra thêm các kiểu phổ L, Y và T. Bảng PL4 dưới đây trình bày đặc tính của sao theo các kiểu phổ. Bảng PL4. Các đặc tính cơ bản của sao theo quang phổ Khối lượng (M☉)

Bán kính (R☉)

Độ sáng (L☉)

Vạch phổ đặc trưng

Loại

Nhiệt độ

Màu sắc

W

≥ 35000 K

Lam

10 - 200 M☉

0.7 – 25 R☉

≥ 150000 L☉

O

≥ 30000 K

Lam

≥ 16 M☉

≥ 6,6 R☉

≥ 30000 L☉

B

10000– 30000 K

Trắng lam

2,1–16 M☉

1,8–6,6 R☉

A

7500– 10000 K

Trắng

1,4–2,1 M☉

1,4–1,8 R☉

5–25 L☉

Vạch H

F

6000–7500 K

Trắng vàng

1,04–1,4 M☉ 1,15–1,4 R☉

1,5–5 L☉

Vạch Ca+, Mg+ và H yếu

G

5200–6000 K

Vàng

0,8–1,04 M☉ 0,96–1,15 R☉

0,6–1,5 L☉

Vạch Ca+, Fe, Ti

K

3700–5200 K

Da cam

0,45–0,8 M☉ 0,7–0,96 R☉

0,08–0,6 L☉ Vạch Fe, Ti

75

Vạch phát xạ He+, He và N Vạch hấp thụ He+, He, H và ion C, Si, N, O

25–30000 L☉ Vạch He

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

M

L

(*)

2400 3700 K 1300 – 2400 K

Đỏ

Đỏ

≤ 0,45 M☉

≤ 0,7 R☉

≤ 0,08 L☉

Dải hấp thụ của phân tử TiO

0,065 – 0,09 5.10-5 – 3.10-4 dải hydride của FeH, CaH và 0,08 – 0,1 R☉ M☉ L☉ vạch Na, K,..

(*) https://verse-and-dimensions.fandom.com/wiki/Class_L_star Phụ lục 5. Sự tiến hoá của các ngôi sao. Sơ đồ tiến hoá của ngôi sao. Trong thiên văn học, giản đồ Hertzsprung-Russell (giản đồ H-R) thường được sử dụng để phân loại sao và biểu diễn sự tiến hoá của các ngôi sao. Giản đồ này biểu diễn mối quan hệ giữa quang phổ (chỉ số màu B – V hay nhiệt độ) và độ trưng (hay cấp sao tuyệt đối) của ngôi sao. Trên giản đồ, đa số các ngôi sao trong đó có Mặt trời nằm tập trung theo một dải trung tâm, theo một đường chéo từ trái ở các kiểu phổ nóng và sáng đến phía dưới bên phải ở các kiểu phổ lạnh, đường này được gọi là dãy chính (main sequence). Phía dưới dãy chính là nhóm các sao lùn trắng, các sao này là các sao đã chết nên có độ trưng rất thấp nhưng nhiệt độ cao. Phía trên dãy chính là nhóm sao kềnh đổ và sao siêu kềnh, đây là các sao có kích thước lớn với độ trưng cao.

Hình PL5.1. Giản đồ H-R theo nhiệt độ và độ trưng. Sử dụng giản đồ H-R chúng ta có thể mô tả vòng đời của một ngôi sao từ lúc hình thành đến khi kết thúc, đồng thời có thể xác định các đặc trưng cơ bản như khối lượng, bán kính, nhiệt độ của ngôi sao khi biết vị trí của nó trên giản đồ. Chẳng hạn dựa trên vị trí của Mặt trời trên giản đồ H-R thì chúng ta có thể thấy Mặt trời là một ngôi sao có kiểu phổ G và nằm trên

76

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

dãy chính (V); theo sơ đồ thì Mặt trời sẽ tiến hoá thành một ngôi sao kềnh đỏ khi đã đốt cháy hết hidro trong lõi và sau cùng có kết thúc là một sao lùn trắng. Tất cả ngôi sao đều có nguồn gốc hình thành từ sự sụp đổ hấp dẫn của các đám mây phân tử khí và bụi khống lồ, sau đó tuỳ theo khối lượng của lõi tiền sao mà chúng có thể tiến hoá thành các loại sao khác nhau. Vào cuối vòng đời, các ngôi sao có thể kết thúc theo ba kịch bản tuỳ thuộc vào khối lượng lõi còn lại của chúng, nếu khối lượng dưới 1,4 M☉ (khối lượng này còn gọi là giới hạn Chandrasekhar) thì chúng sẽ trở thành các sao lùn trắng. Với khối lượng từ 1,4 – 3,2 M☉ thì chúng trở thành các sao neutron, trên 3,2 M☉ thì chúng có thể trở thành các lỗ đen.

Hình PL5.2. Vòng đời tiến hoá của các ngôi sao.

77

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Phụ lục 7. Bảng tra một số thuật ngữ chuyên ngành Thiên văn học Việt – Anh Tiếng Việt Thiên văn học Thiên văn vật lý Vũ trụ học Thiên cầu Chân trời thiên cầu Xích đạo trời Thiên cầu Nhật động Tuế sai Chương động Hoàng đạo Hệ toạ độ chân trời Hệ toạ độ xích đạo Độ phương Độ cao Xích kinh Xích vĩ Điểm Xuân phân Ngày sao Ngày Mặt Trời Góc giờ Nhật thực Nhật thực toàn phần Nhật thực một phần Nhật thực vành khuyên Nguyệt thực bán kính trục lớn quỹ đạo Độ lệch tâm Điểm cận nhật Điểm viễn nhật Gia tốc hấp dẫn ở bề mặt Chu kì quỹ đạo Hệ Mặt Trời

Tiếng Anh Astronomy Astrophysics Cosmology Celestial sphere Celestial horizon Celestial equator Celestial pole Diurnal motion Precssion Nutation Ecliptic horizontal coordinate system equatorial coordinate system Azimuth Altitude Right ascension Declination vernal equinox Sidereal day Solar day Hour angle Solar eclipse Total Solar Eclipse Partial Solar Eclipse annular solar eclipse Lunar eclipse Semi-major axis Eccentricity Apehlion Perihelion Surface gravity Orbital period Solar system

78

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

Hành tinh Chòm sao Vành đai tiểu hành tinh Thuỷ tinh Kim tinh Trái Đất Hoả tinh Mộc tinh Thổ tinh Thiên Vương tinh Hải Vương tinh Diêm Vương tinh Chòm sao Thiên Hậu Chòm sao Gấu lớn Chòm sao Gấu nhỏ Chòm sao Song tử Sao Bắc cực Kiểu phổ Thị sai nhật tâm khoảng cách đơn vị thiên văn cấp sao biểu kiến cấp sao tuyệt đối quang phổ nhìn thấy giao thoa kế infrared wavelength kính thiên văn phép trắc quang phổ phân tích quang phổ Sao lùn trắng Sao lùn đỏ Sao lùn nâu Sao biến quang Vụ nổ siêu tân tinh Lỗ đen Vũ trụ Thiên hà Vật chất tối Bức xạ phông vũ trụ

Planet constellations Asteroid belt Mercury Venus Earth Mars Jupiter Saturn Uranus Neptune Pluto Cassiopea Ursa Minor Ursa Major Gemini Polaris Spectral type heliocentric parallax distance astromomical unit apparent magnitude absolute magnitude visible spectrum interferometer bước sóng hồng ngoại astronomical telescope Photometry Spectroscopy White dwarf Red dwarf Brown dwarf Variable star Supernovae Black hole Universe Galaxy Dark matter The cosmic background radiation

79

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

TÀI LIỆU THAM KHẢO A. Tiếng Việt Tài liệu chính 1. Trần Quốc Hà, Giáo trình Thiên văn học đại cương, NXV ĐHQG TP. HCM, 2004. 2. Nguyễn Đình Noãn, Giáo trình vật lý thiên văn, NXB Giáo dục, 2008 3. Phạm Viết Trinh, Bài tập thiên văn, NXB Giáo dục, 2009 4. Bài giảng Thiên văn học đại cương, Nguyễn Thành Đạt, Khoa Vật lý, 2021. 5. Thái Khắc Định, Nguyễn Văn Hoa, Vật lí nguyên tử và hạt nhân. Tài liệu tham khảo 6. David Halliday, Cơ sở vật lý – tập VI: Quang học và vật lý lượng tử (bản dịch), NXB GD, 1998 7. Võ Thành Lâm, Giáo Trình Thiên văn học đại cương, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2017. 8. Võ Thành Lâm, tài liệu bồi dưỡng KHTN – học phần Thiên văn học Đại cương, Đại học Sài Gòn, 2020 9. Stephen Hawking, Lược sử thời gian, Cao Chi, Phạm Văn Thiều dịch, NXB Trẻ, 2000. 10. Donat G. Wentzel, Thiên văn vật lý, NXB Giáo dục, 2003 11. Nguyễn Quang Riệu, Lang thang trên dải ngân hà, NXB VHTT, 1997

12. Lương Duyên Bình. (2009). Vật lý đại cương. Tập 3 – Phần 1. Quang học và Vật lí nguyên tử & Hạt nhân. NXB Giáo dục. 13. Lương Duyên Bình. (2007). Bài tập Vật lý đại cương. Tập 3. NXB Giáo dục.

B. Tiếng Anh 14. Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2003), Fundamentals of Physics (6th ed), John Wiley & Sons. 15. Fundamental Astronomy 6th ed. 2017 Edition, by Hannu Karttunen (Editor), Pekka Kröger (Editor), Heikki Oja (Editor), Markku Poutanen (Editor), Karl Johan Donner (Editor)

C. Tài liệu trực tuyến 16. https://vi.wikipedia.org/wiki/ 17. http://www.nasa.gov 18. http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/ 19. https://www.cfa.harvard.edu/ 80

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM – CHUYÊN ĐỀ TRÁI ĐẤT VÀ BẦU TRỜI – ThS. NGUYỄN THÀNH ĐẠT Tài liệu bồi dưỡng môn Khoa học Tự nhiên chogiáo viên THCS – năm 2022

20. https://stellarium.org/vi/ 21. https://www.solarsystemscope.com/

81