Текст книги "Краткий справочник необходимых знаний"

Андрей Чернявский, Дмитрий Ковальчук
Краткий справочник необходимых знаний

Пространство, вещество, время

Основные единицы СИ

Таблица

Дополнительные единицы СИ

Таблица

Определения важнейших единиц СИ

Ампер (А) – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу, равную 2-10^-7 Н на каждый метр длины.

Беккерель (Бк) – активность нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит один акт распада.

Ватт (Вт) – мощность, при которой работа 1 Дж совершается за время 1 с.

Вебер (Вб) – магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем при индукции 1 Тл через нормальное сечение площадью 1 м².

Вольт (В) – электрическое напряжение, вызывающее в электрической цепи постоянный ток силой 1 А, при затрачиваемой мощности 1 Вт.

Генри (Гн) – индуктивность электрического контура, возбуждающего магнитный поток 1 Вб при силе постоянного тока в нем 1 А.

Герц (Гц) – частота периодического процесса, при которой за время 1 с происходит один цикл периодического процесса.

Грэй (Гр) – доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Джоуль (Дж) равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы 1 Н на расстоянии 1 м в направлении действия силы.

Кандела (Кд) – сила света источника, испускающего в заданном направлении монохроматическое излучение частотой 540-10¹² Гц при мощности 1/683 Вт, приходящейся на телесный угол 1 ср.

Кельвин (К) – единица термодинамической температуры – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Килограмм (кг) – масса международного прототипа, хранящегося в Международном бюро мер и весов.

Кулон (Кл) – количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при токе 1 А за время 1 с.

Люкс (лк) – освещенность поверхности площадью 1 м² при световом потоке падающего на него излучения, равном 1 лм.

Люмен (лм) – световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.

Метр (м) – расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Моль (моль) – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Ньютон (Н) – сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с² в направлении действия силы.

Ом (Ом) – единица измерения электрического сопротивления, равная электрическому сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе тока 1 ампер.

Паскаль (Па) – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м² и нормальной к ней.

Радиан (рад) – центральный угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу.

Секунда (с) – время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Сименс (См) – электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Стерадиан (ср) – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий из поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, длина которой равна радиусу сферы.

Тесла (Тл) – индукция однородного магнитного поля, в котором на отрезок прямого проводника длиной 1 м с током силой 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Фарад (Ф) – емкость конденсатора, между обкладками которого при заряде 1 Кл возникает электрическое напряжение 1 В.

Производные единицы СИ

Таблица

Внесистемные единицы, применяемые наравне с единицами СИ

Таблица

Единицы измерения, применявшиеся в российской империи

Таблица

Некоторые неметрические единицы, применяемые в англоязычных странах

Таблица

Соотношение температурных шкал

Таблица

Сравнение температурных шкал

Таблица

Множители и приставки для образования десятичных, кратных и дольных единиц

Таблица

Числа в двоичной системе счисления

Таблица

Числа в десятичной системе счисления

Таблица

Время

Виды времени

Эфемеридное – является независимой переменной в уравнениях движения небесных тел.

Звездное – применяется в астрономии, за основу принята продолжительность суток, равная периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно системы неподвижных звезд.

Солнечное – определяется по изменению часового угла Солнца. Различают истинное солнечное время и среднее солнечное время в зависимости от того, по какому Солнцу (истинному или среднему) осуществляют отсчет времени.

Всемирное – среднее солнечное время начального меридиана. За начальный меридиан условно принимается меридиан обсерватории в Гринвиче (Великобритания).

Местное – определяется для данного места на Земле, зависит от географической долготы места и одинаково для всех точек на одном меридиане.

Поясное – среднее солнечное время, определяемое для 24 основных географических меридианов, отстоящих на 15° по долготе. Поверхность Земли разделена на 24 часовых пояса, в пределах каждого из которых поясное время совпадает со временем проходящего через них основного меридиана.

Декретное – исчисляется следующим образом: поясное время плюс один час (постоянно в течение года) с дополнительным переводом часовой стрелки на один час вперед в летнее время. Перевод осуществляется в ночь с последней субботы на воскресенье в марте и соответственно в октябре. Декретное время вводится для экономии топливно-энергетических ресурсов.

Единицы измерения времени

Год – промежуток времени, приблизительно равный периоду обращения Земли вокруг Солнца. Различают год:

звездный (сидерический) – соответствующий одному видимому обороту Солнца по небесной сфере относительно неподвижных звезд, равный 365,2564 средних солнечных суток;

тропический – между двумя последовательными прохождениями центра истинного Солнца через точку (среднюю) весеннего равноденствия, равный 365,2422 средних солнечных суток;

аномалистический – между двумя последовательными прохождениями центра Солнца через перигей его видимой геоцентрической орбиты, равный 365,2596 средних солнечных суток;

драконический – между двумя последовательными прохождениями Солнца через один и тот же (восходящий или нисходящий) узел орбиты Луны на эклиптике, равный 346,62 средних солнечных суток;

лунный – (12 синодических месяцев), равный 354,3671 средних солнечных суток;

календарный юлианский (старый стиль) – равный 365,2500 средних солнечных суток;

календарный григорианский (новый стиль) – равный 365,2425 средних солнечных суток.

Месяц – промежуток времени, близкий к периоду обращения Луны вокруг Земли. Различают месяц:

синодический – период смены лунных фаз, равный 29,5306 средних солнечных суток;

звездный (сидерический) – время полного оборота Луны вокруг Земли относительно звезд, равное 27,3217 средних солнечных суток;

драконический – между двумя последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел орбиты, равный 27,2122 средних солнечных суток;

календарный – от фаз Луны не зависит, длится от 28 до 31 суток.

Сутки:

эфемеридные, равные 24 ч. = 1440 мин. = 86400 с.;

солнечные – период вращения Земли относительно Солнца или промежуток времени между двумя последовательными нижними кульминациями Солнца. Продолжительность истинных солнечных суток в течение года меняется от 24 ч. 03 мин. 36 с до 24 ч. 04 мин. 27 с. звездного времени;

средние солнечные – средняя продолжительность солнечных суток за год, равная 24 ч. 03 мин. 56,5554 с. звездного времени;

звездные (сидерические) – период вращения Земли вокруг оси относительно звезд или промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями точки весеннего равноденствия, равный 23 ч. 56 мин. 040905 с. среднего солнечного времени.

Час = 1/24 сут. = 60 мин. = 3600 с.

Минута = 60 с = 1/60 ч = 1/1440 суток.

Секунда:

атомная (эталонная) – равная 9192631770 периодам излучения, отвечающего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

эфемеридная – равная 1/31556925,9747 тропического года.

Календари мира

Таблица

Республиканский календарь Французской революции

Республиканский (революционный) календарь введен декретом от 5 октября 1793 года, отменившим христианское летосчисление. Первый день новой эры – день провозглашения Республики (по григорианскому календарю – 22 сентября 1792 года). Год делился на 12 месяцев по 30 суток каждый; после 360 суток вводились 5 (в високосном году 6) дополнительных суток. Республиканский календарь действовал до 1 января 1806 года.

Осень:

Вандемьер (виноградный) – с 22/23 сентября по 21/22 октября.

Брюмер (туманный) – с 22/23 октября по 20/21 ноября.

Фример (морозный) – с 21/23 ноября по 20/22 декабря.

Зима:

Нивоз (снежный) – с 21/23 декабря по 19/21 января.

Плювиоз (дождливый) – с 20/21 января по 18/19 февраля.

Вантоз (ветреный) – с 19/20 февраля по 20/21 марта.

Весна:

Жерминаль (прорастающий) – с 21/22 марта по 19/20 апреля.

Флореаль (цветущий) – с 20/21 апреля по 19/20 мая.

Прериаль (луговой) – с 20/21 мая по 18/19 июня.

Лето:

Мессидор (жатвенный) – с 19/20 июня по 18/19 июля.

Термидор (жаркий) – с 19/20 июля по 17/18 августа.

Фрюктидор (плодовый) – с 18/19 августа по 16/17 сентября.

Различие между старым (юлианским) и новым (григорианским) календарями

Таблица

Некоторые статистические данные

Продолжительность, с

Таблица

Длина, м

Таблица

Скорость, м/с

Таблица

Ускорение, м/с²

Таблица

Масса, кг

Таблица

Энергия, ДЖ

Таблица

Температура (°С)

Таблица

Вселенная

Расширение Вселенной началось с сингулярного состояния (когда любые две точки в наблюдаемой ныне Вселенной были сколь угодно близки друг к другу, а плотность вещества бесконечна) так называемым Большим взрывом.

Астрономические постоянные и единицы

Система постоянных IERS 1992[1]1
  International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), Международная служба вращения Земли (МСВЗ) – базирующаяся в Париже международная служба оценки параметров вращения и координат Земли.


[Закрыть]

Таблица

Плотность космических объектов

Таблица

Галактики

Галактики – это гигантские (до сотни млрд звезд) звездные системы. К ним относится, в частности, наша Галактика – Млечный Путь. Ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака (на расстоянии 52 килопарсека) и Туманность Андромеды (на расстоянии 670 килопарсек). Галактики подразделяются на эллиптические, спиральные и неправильные.

Классификация галактик по типам и светимости

Таблица

Скопления и сверхскопления галактик. Местная группа. Галактика Млечный путь

Галактика Млечный Путь входит в семью соседних галактик, известных как Местная группа, и образует вместе с ними скопление галактик. Наша Галактика является одной из самых крупных в Местной группе. Галактика Андромеды, входящая в Местную группу, является самым удаленным объектом, видимым невооруженным глазом. 25 галактик Местной группы разбросаны на протяжении 3 миллионов световых лет. Скопление галактик удерживается вместе силами гравитации. Более крупными скоплениями галактик являются Скопление Девы (несколько тысяч объектов) и Скопление в созвездии Волосы Вероники (около 1000 ярких эллиптических галактик и несколько тысяч более мелких объектов). Наша Галактика с соседями по Местной группе медленно движется в направлении к Скоплению Девы.

Скопления галактик, в свою очередь, группируются в семьи. Местное скопление скоплений, известное как Местное сверхскопление, – это образование, в которое входит и Местная группа и Скопление Девы. Центр масс расположен в Скоплении Девы. Другое сверхскопление находится в созвездии Геркулеса. До него 700 миллионов световых лет. Сверхскопления отделены друг от друга гигантскими пустыми пространствами и образуют во Вселенной губчатую структуру.

Характеристика галактик, входящих в Местную группу

Галактика Млечный Путь

Млечный Путь – это наша Галактика, состоящая из 100 миллиардов звезд. В нашей Галактике есть 4 спиральных рукава, звезды, газ и пыль. В пределах 1000 световых лет от центра Галактики звезды расположены очень плотно. В самом центре Галактики находится загадочный источник колоссальной энергии. Возможно, в центре Галактики находится черная дыра. Галактика вращается. Внутренние ее части вращаются быстрее, чем внешние. Диск Галактики окружен облаком-гало – из невидимого вещества.

9/10 Галактики Млечный Путь невидимы. Наши соседние две галактики – Большое и Малое Магеллановы Облака – притягиваются невидимым гало и поглощаются Галактикой Млечный Путь.

Характеристика галактики Млечный Путь

* Более далекие звезды плоской составляющей имеют более длительные периоды обращения; находящиеся ближе к центру звезды – меньшие периоды. Центральная часть Галактики вращается подобно твердому телу.

Подсистемы Галактики

ζ – среднее значение удаления объектов подсистемы от галактической плоскости, кпс; Т – возраст входящих в подсистему звезд, лет; М – масса подсистемы (в % от общей массы Галактики); N – предполагаемое общее число объектов.

Ядро Галактики – форма эллиптическая, размеры 4,8 × 3,1 кпс; число звезд ≥3·E10⁷.

Центральное ядро Галактики – форма эллиптическая, размеры ~ 15 × 30 пс; число звезд ~ 3·E10⁶.

Ядрышко Галактики – диаметр ~ 1 пс; в центре его компактный объект (черная дыра массой 108—09 масс Солнца).

Звездные скопления (сравнительно тесные группы звезд):

рассеянные – диаметр от 1,5 до 15 пс; возраст от нескольких миллионов до нескольких миллиардов лет; число звезд от нескольких десятков до нескольких тысяч; принадлежат к подсистеме галактической плоскости;

шаровые – диаметр от 15 до 200 пс; возраст 8—10 млрд лет; число звезд 10⁵—10⁷; принадлежат к промежуточной и крайней сферическим подсистемам.

Общее число звезд в Галактике 1,2-10¹¹.

Звезды

Звезды – светящиеся газовые (плазменные) шары, подобные Солнцу. В них заключена большая часть вещества видимой Вселенной. Они образуются из газово-пылевой среды в результате гравитационной конденсации. Термоядерные реакции синтеза элементов, проходящие при высоких плотностях и температурах (-10—12 млн К) в недрах звезды, являются основным источником энергии большинства звезд. Граница между массами звезд и планет равна 0,02 массы Солнца, т. е. ниже этой границы термоядерной реакции не происходит. В зависимости от массы звезды в конце эволюции звезда становится белым карликом, нейтронной звездой либо черной дырой. Светимость звезды зависит от ее массы и выражается с помощью видимых звездных величин ш. Разница между блеском двух небесных тел в звездных величинах вычисляется по формуле Погсона: m₁ – m₂ = -2,5 log (Е₁ /Е₂), где: m₁, m₂ – звездные величины, Е₁, Е₂ – светимости.

Классы светимости звезд

Рис. 1. Звездное небо Северного полушария

ЛЕБЕДЬ – созвездие

Арктур – звезда

Рис. 2. Звездное небо Южного полушария

ГОЛУБЬ – созвездие

Канопус – звезда

Самые яркие звезды неба

Таблица

Жизненный цикл звезд

Обычная звезда выделяет энергию за счет превращения водорода в гелий в ядерной печи, находящейся в ее сердцевине. После того как звезда израсходует водород в центре, он начинает перегорать в оболочке звезды, которая увеличивается в размере, разбухает. Размер звезды возрастает, температура ее падает. Этот процесс порождает красных гигантов и сверхгигантов. Продолжительность жизни каждой звезды определяется ее массой. Массивные звезды заканчивают свой жизненный цикл взрывом. Звезды, подобные Солнцу, сжимаются, превращаясь в плотные белые карлики. В процессе превращения из красного гиганта в белого карлика звезда может сбросить свои наружные слои, как легкую газовую оболочку, обнажив ядро.

Звездные скопления

Почти все звезды рождаются группами и существуют в звездных скоплениях. Есть два типа звездных скоплений: открытые и шаровые.

Самым известным открытым звездным скоплением является Плеяды в созвездии Тельца. Число звезд в нем от 300 до 500, и находятся они в пространстве с поперечником в 30 световых лет. Возраст открытых скоплений не превышает 50 млн лет. Скопления непрочны. Их может разорвать тяготение другого более крупного объекта. Пока обнаружено 1200 открытых звездных скоплений.

В противоположность открытым, шаровые скопления представляют собой сферы, плотно заполненные звездами. В пространстве с поперечником от 20 до 400 световых лет находится от сотен тысяч до миллионов звезд. В центре скопления звезды притягиваются, образуя двойные звезды. Вокруг нашей Галактики обнаружено 200 шаровых звездных скоплений. Возраст этих скоплений от 10 до 15 млрд лет.

Двойные звезды

Примерно половина всех звезд нашей Галактики принадлежит к двойным системам, в которых звезды вращаются по эллиптическим орбитам вокруг центра гравитации этих звезд. Если звезды тесно расположены, то они растягиваются и обмениваются звездным материалом.

Вспышки новых

Одним из результатов переноса массы в двойных звездах является образование звездной пары – белого и красного карликов. Красный карлик разогревается под действием излучения от белого карлика, материя с него стекает на белый карлик, который не может больше принимать вещество и взрывается. Это явление и наблюдается в виде вспышек новых.

Нейтронные звезды и сверхновые

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, продолжает сжиматься так, что электроны атомов вдавливаются внутрь атомных ядер, и протоны превращаются в нейтроны. Диаметр нейтронной звезды не более 15 км, а кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн. Звезда совершает несколько оборотов в секунду и обладает гигантским магнитным полем. В том случае, когда масса нейтронной звезды достигает рубежа 1,4 массы Солнца, происходит гигантский ядерный взрыв, называемый вспышкой сверхновой.

Пульсары

В мощном магнитном поле нейтронной звезды движущиеся по спирали электроны генерируют радиоволны, которые излучаются узким пучком.

Звезда вращается, и радиолуч периодически пересекает линию нашего наблюдения. Период самых медленных пульсаров около 4 секунд.

Рентгеновские двойные звезды

В Галактике найдено около 100 мощных источников рентгеновского излучения. По мнению астрономов, причиной может служить материя, падающая на поверхность нейтронной звезды с более массивного напарника в двойной звезде.

Черные дыры

Масса нейтронной звезды не может превышать трехкратной массы Солнца. При сжатии более массивной звезды может образоваться черная дыра, поле тяготения в которой настолько сильно, что не выпускает из себя даже свет. Предполагается, что вещество в черной дыре коллапсирует, т. е. сжимается в бесконечно малую точку.

25 ближайших звезд

m_V – визуальная звездная величина; r – расстояние до звезды, пк; L – светимость (мощность излучения) звезды, выражена в единицах светимости Солнца (3,86–10²⁶ Вт).

Размеры некоторых наиболее ярких близких звезд

Таблица

Солнце

Солнце – это обычная звезда, возраст которой около 5 млрд лет. В солнечном ядре происходит превращение водорода в гелий с выделением огромного количества энергии. На всех уровнях внутри Солнца давление горячего газа, выталкивающее вещество наружу, уравновешивается огромной силой тяготения, действующей в направлении центра.

Солнце – это огромный газовый шар, диаметр которого в 109 раз превосходит диаметр Земли. Желтый свет Солнца приходит к нам из слоя солнечной атмосферы (фотосферы) толщиной около 500 км. Благодаря конвекции в солнечной атмосфере, тепловая энергия из нижних слоев переносится в фотосферу, придавая ей пенистое строение.

Различные части Солнца вращаются с разными скоростями от 25 дней на один оборот для экватора до 35 дней на один оборот в полярных областях.

Солнечные вспышки взметают электрически заряженные частицы в космос, вызывая полярные сияния в земной атмосфере, магнитные бури, нарушения систем электроснабжения.

Гигантские пятна на Солнце, обнаруженные более 2000 лет назад китайскими астрономами, – это те области, где мощные магнитные силы пробиваются изнутри Солнца сквозь поверхностные слои. Температура солнечных пятен ~ 4500 °C, что ниже средней температуры поверхности, которая составляет -5500 °C. Количество солнечных пятен достигает своего максимума каждые 11 лет. Это период солнечной активности.

Солнечная корона (слабый белый ореол, наблюдаемый во время солнечных затмений) излучает мало света, зато от нее идет мощное рентгеновское излучение. Температура короны вблизи поверхности Солнца около 2 млн градусов. Наружные слои короны выдуваются в Солнечную систему и достигают Земли через 10 дней. Под воздействием этого солнечного ветра газовые хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Магнитная оболочка Земли отклоняет солнечный ветер.

Сейчас Солнце находится в середине своей эволюции. В течение следующих 5 млрд лет температура и объем Солнца будут возрастать по мере выгорания водорода. В конце своей эволюции Солнце остынет, превратившись в шар ядерных отходов – так называемый белый карлик.