Физика космоса
Гравитация собирает пыль в звезды, звезды синтезируют элементы, а красное смещение далеких галактик говорит нам о том, что вся Вселенная расширяется от начала 14 миллиардов лет назад. Финальная тема OxfordAQA завершает курс циклами жизни звезд, орбитами и доказательствами Большого взрыва.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, тема 3.8 (Версия 5.1). Утверждения, отмеченные (P), относятся только к Билету-2-.
Цикл жизни звезды
Звёзды образуются, когда гравитация стягивает пыль и газ (преимущественно водород и гелий) — меньшие комки становятся планетами. В длительной главной последовательности водород сливается в гелий в ядре, а гравитация уравновешивает выталкивающие силы. Чем массивнее звезда, тем горячее её ядро и тем более тяжёлые ядра она может синтезировать путём термоядерного синтеза.
Когда водород исчерпывается, судьбу определяет масса. Звезда, подобная Солнцу, раздувается до красного гиганта, сбрасывает свои слои, а обнажённое ядро остывает от белого карлика до чёрного карлика. Массивная звезда раздувается до красного сверхгиганта, синтезирует всё более тяжёлые элементы (углерод, азот, кислород), затем взрывается как сверхновая — рассеивая вещества (элементы тяжелее железа образуются непосредственно во время взрыва) — оставляя после себя нейтронную звезду или чёрную дыру. Термоядерный синтез в звёздах и сверхновых создал все природные элементы: в ранней Вселенной был только водород.
Солнечная система и орбитальное движение
Солнечная система: восемь планет, вращающихся вокруг Солнца, а также спутники, астероиды, карликовые планеты и кометы. Млечный Путь — одна из сотен миллиардов галактик, каждая из которых содержит сотни миллиардов звёзд. Искусственные спутники Земли находятся на геостационарной или низкой полярной орбите.
Гравитация обеспечивает центростремительную силу: она действует к центру, изменяя направление движения (скорость), не меняя её величины. При большем удалении гравитация слабее, поэтому орбитальная скорость ниже: чтобы оставаться на определённом радиусе, спутник должен двигаться с соответствующей скоростью — измените скорость, и изменится радиус орбиты.
Красное смещение и расширяющаяся Вселенная (P)
Движущийся источник волны изменяет наблюдаемую длину волны (эффект Доплера): удаляющиеся источники растягивают волны — большая длина волны, низкая частота. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше красное смещение — само пространство расширяется, указывая на очень маленькое начало: Большой взрыв. Космическое микроволновое фоновое излучение — излучение, заполняющее Вселенную shortly после этого начала, — является второй опорой; теория Большого взрыва в настоящее время является единственной теорией, которая объясняет его существование.
Проверьте себя
- Что стягивает пыль и газ в звёзды?
- Что происходит в ядре звезды главной последовательности?
- Перечислите три этапа эволюции звезды, подобной Солнцу, после главной последовательности.
- Какие звёзды становятся сверхновыми?
- Где образуются элементы тяжелее железа?
- Назовите два типа орбит искусственных спутников.
- Почему спутник на более высокой орбите движется медленнее?
- (P) Что происходит с длиной волны, когда её источник удаляется?
- (P) Назовите два доказательства Большого взрыва.
- (P) Что такое КМФИ?
Ответы: 1 гравитационное притяжение; 2 ядра водорода сливаются в гелий, выделяя энергию, при этом гравитация уравновешена; 3 красный гигант, белый карлик, чёрный карлик (три этапа после главной последовательности); 4 звёзды значительно более массивные, чем Солнце; 5 в взрывах сверхновых; 6 геостационарная и низкая полярная; 7 гравитация ослабевает с расстоянием, поэтому центростремительная сила — и требуемая ею скорость — меньше; 8 (P) она увеличивается (красное смещение), а наблюдаемая частота снижается; 9 (P) красное смещение галактик, растущее с расстоянием, и космическое микроволновое фоновое излучение; 10 (P) электромагнитное излучение, заполняющее Вселенную, оставшееся shortly после Большого взрыва.