Презентация по астрофизике Астрономическая навигация в эпоху Великих географических открытий

Научные задачи Первой кругосветной экспедиции Джеймса Кука Секция: «Астрономическая навигация в Эпоху Великих Географических открытий» Введение Постепенно стали создаваться простейшие астрономические инструменты и разрабатываться математические методы обработки наблюдений. В рамках одной работы невозможно рассказать обо всех удивительных открытиях этого периода, поэтому я была вынуждена ограничиться лишь малой частью и поставить перед собой две цели: познакомиться самой и рассказать другим о научных задачах первой кругосветной экспедиции Джеймса Кука;- обосновать утверждение многих ученых, в том числе даже историков, о том, что астрономия уже в Эпоху Великих географических открытий была не только предметом отдельного изучения, но и «орудием труда» людей целой эпохи; изучение астрономии стало даже государственной задачей многих стран Европы. Астрономия - одна из древнейших естественных наук. С развитием человеческого общества перед ней ставились все новые и новые задачи. Уже в Средние Века важнейшей научной задачей стало ориентирование на суше и на море. 1.1. Что послужило развитию астрономической навигации? Большинство выдающихся географических открытий были сделаны на рубеже XV-XVII столетий, - когда были открыты новые континенты, - и именно поэтому этот период был назван Эпохой Великих географических открытий. Этот период характеризуется быстрым развитием производства товаров в Европе. Открываются новые верфи, тысячи людей заняты в области судостроения: строятся новые, достаточно надежные для океанического плавания парусные суда — каравеллы. Совершенствуются морские карты; отмечу, что уточнение карт побережий даже Европы входило в стратегические задачи каждого европейского Государства. Благодаря развитию астрономии все более утверждается идея о шарообразной форме Земли, а вместе с ней и идея о возможности существования западного морского пути в Индию через Атлантический океан. А там — несметные богатства, а значит – сила, власть, нерушимость Государства. Эпоха Великих географических открытий дала новый толчок развитию астрономической навигации. Для успешных плаваний в море были необходимы не только карты и лоции, но приборы, позволяющие вычислять время и координаты месторасположения корабля в открытом море, а для планирования путешествий – компас и измерители скорости. Джеймс Кук – знаменитый английский мореплаватель (1728 – 1779) 1.2. Член Королевского общества и капитан Королевских военно-морских сил Соединенного Королевства Великобритании Джеймс Кук Великий английский мореплаватель Джеймс Кук золотыми буквами вписал своё имя в историю не только своей страны, но и истории всего человечества. Благодаря исследованиям экспедиций Джеймса Кука на карте мира практически не осталось тёмных пятен, а многочисленные открытия первопроходца, сделанные ещё в восемнадцатом веке, стали бесценными и для современной науки. Ведь Джеймс Кук, открывая новые земли, скрупулёзно описывал всё увиденное в своих дневниках, внося огромный вклад в развитие ботаники, этнографии, зоологии и, главное, - астрономии. В XV-XVII столетиях звание капитана, пожалованное любому военному офицеру, очень обязывало ко многому, как и сегодня. Необходим опыт и знания во многих областях: в астрономии, математики, географии, нужно знать много языков, выполнять работу картографа, знать военное дело и многое другое. Официальной целью экспедиции было наблюдение за уникальным астрономическим событием, зрелищем, воистину достойным небесных светил: 3 июня 1769 года ожидалось прохождение Венеры по диску Солнца. Прохождение Венеры по диску Солнца — разновидность астрономического прохождения, когда планета Венера находится точно между Солнцем и Землёй, закрывая собой крошечную часть солнечного диска. При этом планета выглядит с Земли как маленькое чёрное пятнышко, перемещающееся по диску Солнцу. Формула для расчета: L = D/(2· sin(α/2)), D - расстояние между точками наблюдения, база, α - угол смещения в радианах. 1.3. Научные задачи Первой кругосветной экспедиции Поскольку наблюдения проводились на Земле, то ученые имели дело с малыми углами, тогда формула значительно упрощается: L = D/α. Следует отметить, что измерения расстояния от Земли до Солнца были, в частности, нужны для определения истинного размера Солнца. Ученых того времени потрясали колоссальные реальные размеры Солнца в сравнении с видимым размером. Пример прохожденияВенеры по диску Солнца, 8 июня 2004 год а – изображение картины Самуэля Аткинса ««Индевор» возле берегов Новой Голландии», 1794 год; б - фотография реконструкции «Индевора». Вместе с Куком и экипажем плоскодонного «Индевора» в плавание отправились одиннадцать учёных под руководством молодого натуралиста Джозефа Банкса. Впервые на просторы Тихого океана вышло судно с таким количеством научных исследователей, но, несмотря на это, остров Таити, с которого предполагалось вести наблюдения, не был конечным пунктом путешествия, в итоге ставшего кругосветным. Адмиралтейство в строжайшей секретности поручило Джеймсу Куку отыскать таинственный Южный материк, а в случае неудачи команде надлежало исследовать Новую Зеландию, восточные берега которой были обнаружены в 1642 году голландцем Абелем Тасманом. Само собой разумеющейся дополнительной задачей экспедиции было - открытие новых земель и провозглашение их владениями Британской Короны. а б Схематическая карта плаваний Джеймса Кука во время трех кругос-ветных путешествий: пер-вой кругосветной экспе-диции (1768—1771гг.), второй (1772—1775гг.) и третьей (1776—1779гг.). Меньше чем через год после начала путешествия «Индевор» бросил якорь у берегов Таити. Поскольку заявленная цель экспедиции – наблюдение за прохождением Венеры по диску Солнца, на борту судна был телескоп (Кстати, изобретение телескопа в 1609 году итальянским физиком Галилео Галилеем, было самым важным событием в истории астрономии). Три года «Индевор» успешно бороздил Мировой океан, применяя, теперь кажущиеся простейшими, навигационные приёмы и приборы.Одним из важнейших результатов первого путешествия великого мореплавателя стало то, что в итоге исследований Кук нанёс на карту около четырёх тысяч километров восточного побережья Австралии, а также почти весь открытый им Большой Барьерный Риф. Север Юг а - как можно определить направление на север, находясь в северном полушарии, по созвездию Малой Медведицы; б - как определить направление на юг, находясь в Южном полушарии по Южному Кресту. а б Простейшие методы астрономической навигации широко применяются людьми на Земле для ориентирования на неизвестной местности, поскольку для их использования не требуется каких-либо приспособлений. Например, для того, чтобы наблюдателю, находящемуся в Северном Полушарии Земли, определить направление на географический север достаточно найти на небосклоне полярную звезду, а по положению Солнца в полдень всегда можно приближённо определить направление на географический юг. Наблюдателю, находящемуся в Южном полушарии, необходимо найти созвездие Южный крест. Оно состоит из четырех ярких звезд, взаимно расположенных в виде креста. Для более точного определения Юга пользуются прямой, проложенной через две звезды, расположенные слева от Южного Креста. Пересечение этой прямой и прямой, отложенной от Южного Креста и будет направлением на Юг . а - карта звёздного неба с ориентирующими звёздами, б - Созвездие Пегаса с ориентирующими звёздами, расположенное в разных сторонах небосвода. а б Когда первые мореплаватели отваживались отправиться в дальнее путешествие по морю и, когда берег уже терялся из вида, то небесные светила (днем - Солнце, а ночью – звезды и Луна), подобно компасу, помогали путешественникам узнавать курс. Великий мореплаватель XV в. Христофор Колумб считал способ ориентировки по звездам самым верным и надежным. Называл счастливцами тех, кто этим способом владел. По наклону к горизонту линии ориентирующих звёзд имеется возможность найти точки горизонта. Если, например, речь идёт о созвездии Пегаса, то в восточной стороне небосвода квадрат Пегаса наклонён влево, а в западной – вправо. а – внешний вид квадранта XIV-XV веков, который использовался для определе-ния широты места наблюде-ния в открытом море; б – рисунок секстанта Тихо Браге; в – квадрант Дэвиса. а б в В XIV-XV в. использовался простейший вид квадранта. Позднее, английским пиратом Джо-ном Дэвисом был изобретен более совершен-ный и удобный квадрант, который так и называет-ся - квадрант Дэвиса. Для полноты картины стоит упомянуть еще морской секстант, который применяется в мореплавании до сих пор. Это инструмент, сохранивший всего одну функцию астролябии - способность измерять вертикальные углы. а – внешний вид морс-кой астролябии, являв-шейся обязательной принадлежностью воинского снаряжение морского офицера конца XVII века, б - как ориентироваться на море с помощью астролябии. а б Из всех первых астрономических инструментов наибольший интерес на меня именно произвела астролябия. Ведь появилась она задолго до наступления современного летоисчисления. Слово «астролябия» можно перевести с древнегреческого как «ловушка для звезд». Это сложный механизм, с помощью которого в Средневековье определяли положение светил, точное время и множество других астрономических, математических и географических параметров. В одной из древних книг, посвященных этому инструменту, насчитывалась тысяча задач, решаемых с помощью астролябий. В средневековье Это были настоящие произведения искусства: инкрустированные дорогими камнями, золотом и серебром, с тончайшей гравировкой и искусно вырезанными фигурами и орнаментами. Узнав для себя много нового об астролябии, я решила сделать свою собственную астролябию и испытать ее в действии… …И вот макет астролябии для определения широты места наблюдения, изготовленный мною, готов! Линии луча зрения на Полярную звезду с различных точек Земли, строго говоря, расположены под некоторым углом друг к другу. Однако угол этот пренебрежимо мал: он равен в радианах расстоянию между двумя «точками зрения», деленному на расстояние до звезды. Числитель в этой дроби не превосходит диаметра Земли, а знаменатель измеряется многими световыми годами. Поэтому на рисунке эти две линии на Полярную звезду показаны параллельными и направленными вверх по рисунку. а - макет астролябии для определения широты места наблюдения, б – траектория луча зрения на Полярную звезду с различных точек с Земли. а б Уяснив для себя, что высота Полярной звезды, - географический «Север», - в разных широтах Северного полушария отличается; и как раз по высоте над горизонтом этой звезды с наступлением уже астрономических сумерек, - Полярная звезда относится к ярким звездам Северного полушария Земли, - можно определить широту места наблюдения. Я взяла макет астролябии для определения широты места наблюдения, пригласила друзей и продемонстрировала собравшимся, как определить широту места наблюдения, в данном случае – нашей Школы . а - подготовка макета астролябии к определению широты места наблюдения;б – наблюдения с определением широты расположения моей Школы в Северном Полушарии Земли. Значение широты для г. Тулуна в среднем около ~ 53о. У нас получилось близкое значение! И пусть не очень точно, но для макета вполне нормальное значение широты! Главное – прин-цип работы макета всем собравшимся был понятен. а б Список использованных источников: 1. Большая Советская энциклопедия: [В 30 т.]/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Издание 3-е. — М.: Сов. энцикл., 1969-1978.2. Маклин А. Капитан Кук. - М.: Центрполиграф, 2001. 3. Левитан Е. Звезда в ночи над морем. // Наука и жизнь.- 2000.-№5. 4. Данлоп С. Азбука звездного неба. - М.: Изд-во Мир,1990 г.5. Архив выставки «Великие Открытия», Музей Мирового Океана, г. Калининград: [Электронный документ]. – Режим доступа: http://world-ocean.ru/ru/. 9. Цейтлин З.А. Галилей и его современники. - М.: Изд-во АН СССР, 1985, -304с.