Текст книги "Космос у тебя дома"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 11 страниц)

Чем недовольны астрономы

Чем же они недовольны? Сейчас созданы замечательные обсерватории с мощными телескопами и другими совершенными приборами. С их помощью изучают не только планеты Солнечной системы и звезды нашей Галактики, но и проникают в тайны других галактик. Оборудованием обсерваторий астрономы вполне довольны, недовольны же они… земной атмосферой! Это звучит, конечно, странно – жизнь на Земле существует только благодаря атмосфере и солнечным лучам. Как же можно быть недовольным тем, без чего невозможна жизнь?

Земная атмосфера так преломляет световые лучи, идущие от планет, звезд, других галактик, что их изображение получается с некоторым искажением. Кроме этого, атмосфера влияет и на прием радиосигналов, приходящих из отдаленных глубин Вселенной. Атмосфера содержит в себе и влагу и частички пыли, не говоря уже о том, что тучи и облака в самый нужный для наблюдений момент могут закрыть небо.

Мечта всех астрономов – скорее вырваться в космос за пределы земной атмосферы и там без всяких помех производить свои наблюдения. Но пока астрономы остаются на Земле. И только космонавтам, когда они находятся на орбитальной станции, удается наблюдать далекие миры без атмосферных помех. Поэтому летчики-космонавты, когда они отправляются в космическую командировку, получают много различных поручений от астрономов. Наши орбитальные станции оснащены совершенными приборами. Правда, размеры телескопов пока несколько ограничены. Из космических командировок космонавты привозят фотоснимки, записанные приборами на пленках и бумажных лентах графики, результаты самых разнообразных наблюдений и исследований. На Земле ученые весь этот материал изучают и готовят задания для следующих летчиков-космонавтов, которые полетят на орбитальную станцию.

Конечно, для наших астрономических наблюдений атмосферные помехи не будут иметь большого значения. И мы удовлетворимся инструментами и теми условиями, которые у нас имеются.

Цветовые сообщения из далеких миров

Кроме оптических телескопов, которые дают возможность увидеть далекие миры или сфотографировать определенные участки неба для их детального изучения, существуют специальные приборы, которые улавливают радиосигналы, возникающие в результате сложных физических процессов, происходящих в отдаленных районах нашей Галактики. Имеются приборы для изучения космических лучей. С помощью специального телескопа изучаются рентгеновские излучения Солнца и звезд.

Но есть и еще один очень интересный способ изучения далеких миров, который дает возможность узнать, из каких элементов состоит далекая звезда, а также в каком направлении и с какой скоростью она движется.

Этот способ – спектральный анализ. Ученые с помощью приборов спектроскопов получают из космоса своеобразные, как бы шифрованные донесения. Расшифровывая цветовой язык этих сообщений, ученые многое узнают о нашей Вселенной.

Чтобы понять, как расшифровываются цветовые сообщения из далеких миров, мы с вами сначала проделаем несколько опытов.

Солнечный зайчик и его превращение

Начнем с солнечного луча.

Трехгранная стеклянная призма у вас дома вряд ли есть, но зеркало из толстого стекла может быть. У зеркал из толстого стекла края всегда скошенные. Наведите с помощью маленького зеркальца на зеркало со скошенными краями солнечный зайчик. Падая на зеркало под небольшим углом, он отразится от амальгамы и выйдет наружу через скошенный край зеркала. И тогда на стене или на подставленном листе бумаги вы увидите цветовую полоску – радугу.

Бывает и так, что радуга возникает в комнате случайно. В ясный день против зеркала на потолке или стене вдруг появляется красивая цветная полоска.

Каждый цвет спектра незаметно переходит в другой. Исаак Ньютон выделил семь цветов спектра:

Красный.

Оранжевый.

Желтый.

Зеленый.

Голубой.

Синий.

Фиолетовый.

С отдельными цветами спектра можно проделать любопытные опыты. Например, «смешать» два основных цвета спектра, взятых через один и получить третий основной цвет спектра, стоящий между ними.

Так, красный и желтый превращаются в оранжевый; оранжевый и зеленый, смешиваясь, дают желтый; желтый и голубой дают зеленый; зеленый и синий – голубой…

В лаборатории смешивать цвета удобно с помощью проекционных фонарей и наборов цветных стекол – светофильтров. У нас с вами ничего этого нет. Поэтому мы будем смешивать не различные цвета спектра, а различные цвета красок. Для этого воспользуемся хорошими акварельными красками и простым самодельным волчком.

Вырежьте из белой плотной (рисовальной) бумаги несколько кружков диаметром 4,5–5 сантиметров и один такой же кружок из не очень толстого картона. Бумажные кружки разделите на восемь одинаковых секторов. Проводите карандашом линии слегка, чтобы меньше загрязнялся цвет, который мы хотим получить. Закрасьте сектора поочередно теми цветами, которые вы предполагаете сложить. Например, один сектор красный, другой– желтый, снова красный, затем желтый и так далее. Краску нужно наносить не густо, а так, как принято в акварельной живописи, чтобы и цвет был достаточно насыщенный, и бумага просвечивала. Краска должна лежать ровно, без подтеков. Перед нанесением краски смочите сектор, который вы собираетесь закрашивать, чистой водой, удалите кистью лишнюю воду и по ровновлажной поверхности нанесите разведенную заранее краску. Когда краска высохнет, разровняйте кружок, наложите его на картонный кружок и проткните их заостренной спичкой. Запустите полученный волчок на гладкой поверхности, и вы увидите тот цвет, который появился от сложения красного и желтого цветов – оранжевый.

Для неоднократного проведения этого опыта советуем наклеить на картон белую бумагу и вырезать столько кружков, сколько пар цветов вы собираетесь смешивать.

Со смешением цветов можно проделать и такие опыты. В спектре существуют так называемые дополнительные цвета. Они при оптическом смешении дают белый цвет. Вот эти цвета: красный и голубовато-зеленый, оранжевый и голубой, желтовато-зеленый и фиолетовый. Если с помощью волчка сложить три цвета: красный, зеленый и синий, тоже получится белый цвет.

Красный, зеленый и синий цвета применяются как основные цвета в цветной фотографии, цветном кино и телевидении.

Конечно, на ваших волчках чисто-белого цвета добиться будет трудно, даже самая хорошая акварельная краска содержит некоторые посторонние примеси. Чем нежнее, прозрачнее вы нанесете на сектора краску, тем лучший результат получится.

Мы неправильно употребляем слово «цвет» к белому и черному. Белого цвета нет. Это оптическая сумма всех цветов. Также не существует черного цвета. Черное – это полное отсутствие любого цвета и света вообще. Но так уж принято наряду со всеми цветами спектра говорить «черный цвет», «белый цвет».

Художники широко использовали смешение различных цветов. Существовало течение – пуантелизм. Художник наносил на холст чистую краску маленькими мазками, чередуя мазки разных цветов так, чтобы они на некотором расстоянии от зрителя давали впечатление нового цвета.

Неизбежный разговор о волнах

Почему стеклянная призма разлагает белый свет на цветные лучи? Почему простой солнечный зайчик превращается вдруг в цветную полоску?

Свет, обыкновенный белый свет, который нам щедро, правда, с опозданием на восемь минут, присылает Солнце, сложен по своему составу. Ученые доказали, что свет распространяется волнами, что природа света – волновая, что это очень короткие электромагнитные волны, подобные тем, на которых мы с вами слушаем радиопередачи и смотрим телевизионные программы. Только если длина радиоволн измеряется метрами и сантиметрами, то длина световых волн измеряется миллионными долями миллиметра.

Луч белого света состоит из нескольких цветных лучей, но мы их в отдельности не различаем. Когда белый луч проходит через стеклянную трехгранную призму, она сортирует цветные лучи, расставляет их по своим местам, получается цветная полоса спектра.

Самые длинные волны (в пределах видимого спектра) – это волны красного цвета. Они отклоняются призмой меньше всего. Самые же короткие волны – фиолетового цвета. Они отклоняются больше всех других волн. Волны остальных лучей спектра располагаются между красным и фиолетовым.

О чем может рассказать спектр

Солнечные лучи превращаются стеклянной призмой в радужную полоску. Ученые построили прибор – спектроскоп, который дает возможность получать не узенькую полоску спектра, а очень широкую, на которой более плавно один цвет переходит в другой. На этом приборе имеется специальная шкала, по которой видно, что каждый цвет находится строго на своем месте. Опыты показали, что раскаленные твердые тела дают сплошной спектр, а раскаленные газы сплошного спектра не дают, а дают только несколько цветных полосок, настолько узких, что их можно считать линиями.

Например, раскаленные пары металла натрия дают только две близко расположенные друг от друга желтые линии.

Если рассматривать полоску сплошного спектра через сравнительно холодные, то есть не светящиеся пары натрия, то на том месте шкалы спектроскопа, где наблюдались желтые линии от раскаленного натрия, теперь будут две близко расположенные друг к другу черные линии. Пары натрия пропустили через себя все остальные цвета спектра и задержали только те цвета, которые они излучают, когда находятся в раскаленном состоянии.

В сплошном спектре Солнца и в сплошных спектрах звезд есть множество черных линий. Дело в том, что лучи Солнца (или далекой звезды) исходят из раскаленной среды в виде сплошного спектра. А атмосфера Солнца и атмосфера рассматриваемой звезды хотя и состоят из раскаленных газов, но их температура значительно ниже температуры раскаленного источника лучей, поэтому каждый газ по-своему задерживает свою долю спектра.

В спектроскопе на сплошном поле спектра видно много черных линий. Расшифровываются они так: каждая группа линий принадлежит определенному газу. Группируя линии, можно точно сказать, какие газы есть на Солнце, какие газы есть на той или другой звезде.

Интересно, что и на Солнце и на звездах ученые обнаружили только те элементы, которые есть у нас на Земле.

Известен случай, когда с помощью спектроскопа на Солнце был обнаружен неизвестный на Земле газ. Его назвали в честь Солнца гелием. А спустя 26 лет этот самый газ был обнаружен и на Земле. Это второй после водорода легкий газ. Он сейчас широко применяется в промышленности и в научных лабораториях.

Сделайте акварельными красками полосу сплошного спектра точно такого же размера, как в учебнике физики для десятого класса, и обведите ее рамкой.

Затем на листе белого целлофана начертите тушью такую же рамку, приложите целлофан к спектру натрия, и там, где вы увидите желтую полоску (упрощенно изображают одну полоску, на самом деле это две тонкие желтые линии), проведите тушью на целлофане черную полоску такого же размера. Когда тушь высохнет, наложите целлофан на нарисованный вами сплошной спектр. Вы получите спектр поглощения натрия. Казалось бы, зачем все это проделывать, когда на цветной таблице все изображено. Но дело в том, что листочек целлофана в ваших руках заменяет те пары натрия, через которые вы рассматриваете сплошной спектр. Уберите «пары натрия», спектр будет без «поправки». Наложите целлофан, на спектре появилась черная полоска – «автограф» натрия.

В учебнике физики вы можете увидеть солнечный спектр с хорошо видными в спектроскопе черными полосками. Это менее раскаленные газы солнечной атмосферы поглотили каждый свою долю сплошного спектра. Но когда происходит полное солнечное затмение, когда Луна оказывает огромную услугу астрономам, закрывая весь солнечный диск, незакрытой остается светящаяся раскаленная солнечная атмосфера. И вот теперь-то в спектроскоп виден спектр этой самой атмосферы. И там на шкале спектроскопа, где наблюдались черные линии, появились цветные линии тех газов, которые содержатся в раскаленной атмосфере Солнца. Теперь они излучают свой спектр сами, говорят о себе своим цветным языком. Верхние слои солнечной атмосферы, хотя и раскалены и светятся довольно ярко, считаются самой холодной областью Солнца. Температура солнечных недр достигает 20 миллионов градусов, а условно принятая за «поверхность» Солнца фотосфера имеет только 6 тысяч градусов. У раскаленной атмосферы Солнца температура еще ниже.

Когда бывают солнечные затмения, вы можете их наблюдать, вооружившись хорошо закопченным стеклом. А еще лучше, если вы заблаговременно приготовите для наблюдения солнечного затмения фотопластинку, которую нужно выставить на свет, а потом проявить и закрепить. Получится стеклянная пластинка с ровной черной поверхностью, очень удобная для наблюдений. До затмения Солнце через такую пластинку просматривается как неяркий светлый кружок.

«Радуга» в космосе

«Красота необычайная!» Это слова первооткрывателя космоса Юрия Гагарина. В своем дневнике он написал: «Когда я смотрел на горизонт, то хорошо видел резкий, контрастный переход от светлой поверхности Земли к совсем черному небу. Наша планета была как бы окружена ореолом голубоватого цвета. Потом эта полоса постепенно темнеет, становится фиолетовой, а затем черной. Этот переход очень красив, его трудно передать словами. Даже в нашем могучем русском языке, пожалуй, не найти таких сравнений, чтобы описать эту картину».

И дальше Гагарин пишет:

«Земля, при переходе космического корабля с теневой стороны Земли на дневную, выглядела так. Сначала идет яркая оранжевая полоса. Потом она очень плавно, незаметно переходит все в тот же знакомый уже нам голубоватый цвет, а затем снова в темно-фиолетовые и почти черные тона. Картина по своей цветовой гамме прямо неописуема. Она надолго остается в памяти».

Второй в мире полет в космическое пространство совершил советский летчик-космонавт Герман Степанович Титов. Он сделал несколько цветных снимков Земли из космического пространства. На одном из снимков, сделанном в момент выхода космического корабля из тени Земли, виден вокруг дугообразного земного горизонта радужный ореол, о котором писал Гагарин.

Земная атмосфера играет роль гигантской призмы, разлагающей солнечный свет на его составные цвета.

Конечно, никакая фотография не в силах передать богатство красок, которое удается наблюдать в натуре.

Проделав опыт, который мы сейчас опишем, вы тоже сможете увидеть красоту природных цветов. Это доставит и вам и тем, кому вы этот опыт продемонстрируете, огромное удовольствие.

Правда, яркие цвета спектра вы получите не в результате преломления света в призме, а вследствие явления дифракции.

Но в данном случае это простой и всем доступный способ получения в домашних условиях отличного спектра, даже лучшего, чем с помощью толстого зеркала.

Возьмите граммофонную, желательно долгоиграющую, пластинку (на долгоиграющей пластинке звуковые дорожки расположены более тесно), подойдите с ней к окну (опыт этот делают днем) и, держа ее горизонтально, прижав ближайший край к переносице, чуть ниже глаз, посмотрите на ближнюю к вам сторону пластинки, на ее звуковые дорожки. При этом дальний край должен находиться в поле вашего зрения немного ниже верхней рамы окна. Между верхней перекладиной рамы и пластинкой должно быть видно небо. Если вытянуть руку, то пространство, в которое виден кусочек неба, должно укладываться в толщину одного-двух пальцев.

Немного наклоняя дальний край пластинки вверх и вниз, вы на дорожках ближней к глазам стороны увидите яркую цветную полосу. Можно так отрегулировать наклон пластинки, что эта полоса станет предельно яркой.

Космическая загадка ученым

Изучая спектры далеких звезд, астрономы вдруг встретились с непонятным явлением: в спектрах некоторых звезд черные линии, характерные для определенных химических элементов, почему-то оказались не на тех местах, где им полагается быть. Сдвиг, правда, небольшой, но он все-таки есть! У разных звезд этот сдвиг разный и главным образом в сторону красной части спектра. Это была загадка. Но ученые быстро ее разгадали. И сразу же использовали это явление. Маленькое изменение в спектре дало ученым такие сведения о далеких звездах, каких никаким другим способом получить не удавалось. Это явление было названо «красным смещением», потому что спектральные линии звезд были сдвинуты к красной части спектра.

Чтобы лучше понять загадку «красного смещения», вернемся к волнам.

Разговор о звуковых волнах

Известно, что звуковые волны продольные. А как они выглядят? Ведь продольную волну в природе не увидишь. Со световыми волнами лучше. Они поперечные. И хотя волны на воде довольно грубая модель, все же они дают некоторое представление о природе световых волн.

Чтобы хоть немного представить продольные волны, посмотрите, как сжимаются и растягиваются меха баяна или аккордеона. Вот также и продольные волны распространяются в упругой среде, то сжимая ее, то растягивая.

Звуковая волна бежит в воздухе со скоростью 340 метров в секунду (при средней температуре и средней влажности). Вы можете легко подсчитать по вспышке молнии и раскату грома, на каком расстоянии от вас сверкнула молния. Подсчитав, сколько секунд прошло от вспышки молнии до начала раската грома, умножьте это число на три. Полученный результат и есть примерное расстояние в сотнях метров до места вспышки молнии.

Воздух обладает хорошей упругостью, ему мы обязаны возможностью разговаривать друг с другом и слушать музыку, но все-таки он далеко не идеальный проводник звука… Лучше всего проводят звук твердые тела, затем жидкости, потом газы.

Чтобы убедиться, что воздух не является идеальным проводником звука, проделайте такой старинный опыт.

Возьмите металлическую столовую ложку и подвесьте ее на двух бечевках длиною по тридцать сантиметров. Ударяйте висящую на бечевках ложку о край стола, и вы услышите слабенький звон. Если же вы прижмете пальцами концы двух бечевок к ушам, немного наклонитесь вперед, чтобы дать ложке возможность свободно качаться, и теперь будете ударять ее о стол, вы услышите громкий, красивый звон. Колебания передались в ваши уши через волокна бечевок, на которых висит ложка. Этот громкий звук не сравнить со слабеньким звоном.

Как передаются упругие колебания в твердых телах, можно проследить и на таком опыте. Возьмите шашки (если их нет, одинаковые монеты), положите в один ряд, плотно прижав их друг к другу. Прижмите пальцем к столу крайнюю шашку и резко, но не сильно стукните по ней линейкой скользящим ударом. В прижатой к столу шашке упругое колебание пройдет по ее диаметру, передастся соседней шашке, от нее другой и так далее, пока не дойдет до последней. Последняя шашка отскочит– ей некому передать полученный толчок.

Размышления над расческой

Длина волны у поперечных волн измеряется от гребня до гребня или от впадины до соседней впадины. Длина волны у продольных колебаний измеряется от самой сжатой части до соседней такой же сжатой части или от самой «раздвинутой» части до такого же соседнего участка.

Возьмите карманную расческу. У одной половины расчески зубья расположены более часто, чем у другой.

Условимся, что зубья расчески изображают схематический рисунок продольных волн. Толщина зуба и промежуток до следующего зуба – это длина одной «волны». Подсчитайте, сколько таких «волн» приходится на один сантиметр. В одной половине расчески на один сантиметр приходится 4 зуба и 4 промежутка, то есть 4 «волны». На другой половине на один сантиметр приходится 7 зубьев и 7 промежутков, то есть 7 «волн». На вопрос, где частота зубьев больше, вы, не задумываясь, ответите, что там, где на один сантиметр приходится 7 зубьев. Вы, вероятно, обратили внимание и на следующее: чем меньше частота зубьев, чем меньше зубьев приходится на один сантиметр, тем и зубья толще и промежутки между ними шире. На другой половине расчески, где частота зубьев большая, там и зубья тоньше и промежутки уже. Это значит, что длины «волн» на первой половине расчески больше, чем на второй, и зависят они от частоты зубьев.

В звуковых колебаниях и в колебаниях электромагнитных о частоте судят по количеству колебаний в одну секунду. Если скорость распространения колебаний постоянная, то чем больше совершается полных колебаний в одну секунду, тем короче волны. И наоборот, чем меньше колебаний в одну секунду, тем волны длиннее.

Прислушайтесь к свистку локомотива

Когда говорят о звуке, принято говорить не о длине звуковых волн, а о частоте. Чем больше частота, число колебаний в секунду, тем выше звук. При колебаниях с низкими частотами звук ниже.

Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда?

Если вы стоите далеко в стороне от железной дороги и слышите свисток локомотива проходящего поезда, то никакого изменения звука вы не обнаружите. Но если вы едете в поезде и слышите свисток встречного локомотива, то обратите внимание, как меняется его тон. Свисток слышится недолго, может быть 2–3 секунды, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Получается завывание, похожее на звук «ИУАААА», причем А звучит ниже, чем И.

Звук свистка сам по себе не меняется, но слышите вы его по-разному, когда приближаетесь к нему и когда удаляетесь от него.

Попытаемся понять, почему это так происходит.

Вы едете в поезде со скоростью 60 километров в час.

Навстречу по соседнему пути мчится поезд с такою же скоростью, проезжая мимо вас, его локомотив свистит. Для простоты предположим, что свистящий локомотив стоит на месте, а ваш поезд приближается к нему со скоростью 120 километров в час. Для наших рассуждений это одно и то же. Звуковые волны от свистка локомотива движутся во все стороны. Они идут и к вам, конечно, с одинаковой скоростью, а вы мчитесь им навстречу. Если бы вы стояли на месте, к вам дошло бы за секунду, предположим, 1000 волн, но поскольку вы сами быстро движетесь им навстречу, то за одну секунду вы «ловите» уже не 1000, а гораздо большее количество волн, ну, предположим, 1200. Чтобы им «поместиться» в одной секунде, волны стали короче, а частота колебаний, следовательно, увеличилась. Теперь за секунду совершается не 1000, а 1200 колебаний. А звук с увеличением частоты всегда становится выше, поэтому звук свистка для вас становится более высокого тона, чем на самом деле у источника звука.

Когда же вы, проехав мимо свистящего локомотива, будете быстро удаляться от него, то за одну секунду вы теперь получите меньшее количество звуковых волн. Значит, частота звука уменьшилась и тон звука понизился.

Помните, что все это происходит только в движении, когда вы с большой скоростью либо едете навстречу звуку, либо убегаете от него.

Изменение частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, названо «эффектом Доплера», по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 году.