Вимірювання часу. Календарі.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття сонячного та місцевого часу. Ознайомити з міркуваннями, пов’язаними зі створенням календарів, у різні часи.

Розвиваюча. Розвивати кругозір, предметну компетентність.

Виховна. Зацікавити учнів та залучити до практичної діяльності.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Астрономія: 11 кл.: підручник для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту/ В. Сиротюк, Ю. Мирошніченко.-К.: Вид-во “Генеза”, 2018 -165 с.: іл.

• Відео. Причини зміни тривалості сонячної доби (Час показу 08:14 хв)
• Відео. Час та календар (Час показу 06:02 хв)
• Онлайн. Калькулятор розрахунку дат
• Онлайн. День тижня - калькулятор

План

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота. Небесна сфера.

2.  Вимірювання часу. Календарі.

Визначення часу в астрономії. Час є філософською, фізичною та соціальною категорією, тому задача точного вимірювання часу є однією з найважливіших проблем сучасної науки. З нашого досвіду відомо, що час «тече» рівномірно, подібно до води в спокійній, тихій річці. За цим принципом були в давнину сконструйовані водяні та пісочні годинники. Пізніше був створений механічний годинник, дія якого основана на принципі періодичних коливань маятника, що довго може зберігати сталим період своїх коливань. Принцип дії найточніших сучасних електронних годинників базується на використанні коливань в електромагнітному полі кристалів або навіть окремих молекул. Хоча годинники протягом віків змінювали вигляд і збільшувалась точність їх вимірювань, деякі одиниці  для визначення часу залишилися - рік, місяць, доба, бо вони пов'язані з рухом Землі навколо Сонця та її обертанням навколо своєї осі.

Для визначення кутової швидкості обертання Землі орієнтирами можуть служити Сонце, зорі та інші небесні світила. Тому і використовують дві системи відліку часу - зоряний час і сонячний час. Зоряний час переважно використовують астрономи, а в повсякденному житті всі люди застосовують тільки сонячний час.

Проміжок часу, за який Земля робить повний оберт навколо своєї осі відносно Сонця, називають сонячною добою. Потрібно зазначити, що сонячна доба періодично змінює свою тривалість. У цього є дві причини: нахил площини екліптики до площини небесного екватора; еліптична форма орбіти Землі. Коли Земля перебуває на ділянці еліпса, розміщений ближче до Сонця, то вона рухається швидше. Через півроку Земля, перебуваючи в протилежній частині еліпса, буде переміщуватися по орбіті повільніше. Нерівномірний рух Землі по своїй орбіті спричиняє нерівномірне видиме переміщення Сонця на небесній сфері. Тобто, в різні пори року Сонце переміщується з різною швидкістю.

Середня сонячна доба поділяється на 24 години. Кожна година часу ділиться на 60 хвилин, а кожна хвилина - на 60 секунд. За традицією початок середньої сонячної доби (0 год) настає опівночі - в момент нижньої кульмінації точки, що робить один повний оберт навколо Землі за такий час, як і Сонце, але при цьому переміщується рівномірно по небесному екватору, а не по екліптиці.

Інтервал часу від моменту нижньої кульмінації  точки, що робить один повний оберт навколо Землі за такий час, як і Сонце, але при цьому переміщується рівномірно по небесному екватору, до положення центра Сонця у момент спостереження на певному географічному меридіані називають середнім сонячним часом ().

Сонячний час у певному місці, або місцевий час, можна визначити за допомогою сонячного годинника — звичайної палички, тінь від якої допоможе приблизно виміряти місцевий час. Місцевий полудень — 12 година за місцевим часом — настає о тій порі, коли триває верхня кульмінація Сонця,— тоді тінь від палички найкоротша.

У повсякденному житті користуватись місцевим часом незручно, бо в кожній точці на поверхні Землі він різний, і ми, переїжджаючи від одного місця до іншого, мусили б постійно переводити стрілки годинника на кілька хвилин. Ця проблема усувається, якщо користуватись поясним часом, який запровадили в кінці XIX ст. Землю було поділено меридіанами на 24 годинні пояси і домовились, що всі годинники в одному поясі будуть показувати однаковий час, який дорівнює місцевому часу середнього меридіана. Мандрівники переводять годинники на одну годину тільки у випадку, коли вони перетинають межу відповідного поясу.

Нульовий пояс проходить через Гринвіцький меридіан, тому годинники у Великій Британії показують місцевий час Гринвіцького меридіана — цей час називають всесвітнім часом. 

У сучасних мобільних телефонах місцевий час нульового поясу позначають GMT (з англ. Гринвіцький середній час). Західна Європа живе за часом першого поясу, який на 1 годину випереджає всесвітній. Україна розташована у другому поясі, тому час, за яким живуть її мешканці (київський час), випереджає всесвітній час на 2 години.  Якщо поїхати на захід до Польщі, то стрілки наших годинників потрібно перевести на 1 годину назад, а якщо на схід, то стрілки годинників потрібно переводити вперед.

Різниця між місцевим і київським часом визначається різницею географічних довгот Києва та місця спостереження. Наприклад, ми хочемо визначити різницю між київським і місцевим часом у Харкові. Довгота Харкова   = 36° = 2 год 24 хв, довгота Києва  =30° = 2 год 00 хв. Тобто місцевий час у Харкові на 24 хвилини попереду київського часу, тому взимку Сонце у Харкові кульмінує приблизно об 11 год 36 хв за київським часом.

На меридіані з довготою 180° проходить лінія зміни дат. Для тих, хто її перетинає, є можливість подорожувати не тільки в просторі, а й у часі. Наприклад, якщо летіти з Азії на схід, в Америку, 1 січня, то наступний день теж буде 1 січня, тобто виникає на перший погляд фантастична можливість прожити той самий день двічі. Зате коли пасажири летять у зворотному напрямку, з Америки на захід, в Азію, то протягом перельоту за кілька годин можна прожити 2 доби — після 1 січня відразу настане 3 січня.

Зоряна доба (сидерична доба) — період обертання Землі навколо власної осі в інерційній системі відліку, за яку зазвичай приймають систему відліку, пов'язану з віддаленими зорями. Зоряна доба на 3 хв 56 с коротша середньої сонячної доби. У році зоряних діб рівно на одну більше, ніж сонячних. Тривалість зоряної доби трохи змінюється внаслідок нутації й руху полюсів (тобто похитування Землі щодо її осі обертання), а також через нерівномірність обертання Землі навколо осі. Ці зміни становлять менше 0,001 с.

За початок відліку руху Землі візьмемо точку весняного рівнодення. Рухаючись разом із Землею по орбіті, ми протягом року спостерігатимемо Сонце в різних напрямках на тлі різних сузір'їв. Якщо кожного дня позначати положення центра Сонця відносно далеких зір, то можна отримати велике коло небесної сфери - екліптику. Площина екліптики збігається з площиною орбіти Землі. Площина екліптики протягом століть займає стале положення відносно зір.

Відео. Причини зміни тривалості сонячної доби (Час показу 08:14 хв)

Зміна пір року на Землі. З курсу природознавства відомо, що вісь обертання Землі нахилена до площини орбіти під кутом 66,5°, і це призводить до зміни пір року на Землі. 

Якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, то зміни пір року не відбувалося б, бо Сонце протягом року освітлювало б рівномірно Північну та Південну півкулі нашої планети. Зараз такі дні, коли Сонце однаково освітлює дві півкулі Землі, настають тільки двічі на рік — весною 20 — 21 березня і восени 22 — 23 вересня, коли на всіх материках однакова тривалість дня — 12 годин. В інші місяці тривалість дня більша або менша за 12 годин і залежить від географічної широти місця спостереження. Найдовший день у Північній півкулі настає 21—22 червня — початок астрономічного літа, а у Південній півкулі в цей день починається астрономічна зима. Через півроку 21-22 грудня, навпаки, у Північній півкулі настає астрономічна зима, а в південній - літо.

На широті 50° (Київ, Львів, Харків) тривалість найдовшого дня 22 червня — 16 год 20 хв — у два рази більша за тривалість найкоротшого дня 22 грудня — 8 год. На широті 45° різниця між найдовшим і найкоротшим днем трохи зменшується, тому в Криму найдовший день триває 15 год 30 хв, а найкоротший — 8 год 40 хв.

Найбільше сонячної енергії поверхня Землі отримує опівдні, коли настає верхня кульмінація Сонця, а найменше — вранці та ввечері. Вночі Земля тільки охолоджується, тому середня температура поверхні залежить також від тривалості дня і ночі. Наприклад, на широті 50° кількість енергії, яку отримує поверхня за літній день, досягає 25000 кДж/м2 . Цікаво, що ця енергія навіть більша, ніж на екваторі, де цілий рік тривалість дня не змінюється і дорівнює 12 годинам.

Узимку коротка тривалість дня та невелика висота Сонця над горизонтом призводять до значного зменшення сонячної енергії, що обігріває поверхню Землі. Наприклад, у грудні кількість енергії, яку отримує одиниця поверхні на наших широтах протягом дня, майже у 7 разів менша, ніж у літній день.

Сучасний нахил осі обертання до площини орбіти під кутом 66,5° є оптимальним для різноманітних кліматичних зон на поверхні Землі — від тропіків до полярного кола. Усі інші варіанти зміни кута нахилу осі обертання Землі призвели б до катастрофічних змін клімату і глобальної екологічної катастрофи. Наприклад, якби вісь обертання Землі була нахилена до площини орбіти під кутом 50°, то полярне коло проходило б через Україну, а тропіки — через Чорне море. На наших широтах влітку протягом місяця Сонце не заходило б за горизонт, а опівдні кульмінація була б поблизу зеніту. Розрахунки показують, що літня температура поверхні в Україні досягала б критичних для життя меж від +60°С до +80°С. В іншому випадку, якби вісь обертання Землі була перпендикулярною до площини орбіти, зміни пір року взагалі не було б, тому Європа могла б перетворитись на холодну напівпустелю типу тундри.

Відео. Обертання Землі навколо Сонця. Пори року (Час показу 03:02)

Календарі. Слово календар походить від лат. calendar, цим словом римляни називали перші і останні числа місяця.

Календар - це система обліку тривалих інтервалів часу, в основі якої лежать періодичні астрономічні явища: зміна дня й ночі, зміна місячних фаз, зміна пір року.

        Будь-яка календарна система спирається на три основні одиниці часу: середню сонячну добу, синодичний (або місячний) місяць і тропічний (або сонячний) рік.

Синодичний місяць - це інтервал часу між двома послідовними однаковими фазами Місяця.

Тропічний рік - інтервал часу між двома послідовними проходженнями центра Сонця через точку весняного рівнодення.

Через повільний рух точки весняного рівнодення назустріч Сонцю відносно зір Сонце буде в тій самій точці неба через інтервал часу на 20 хв 24 с більший, ніж тропічний рік. Його називають зоряним роком., і він має 365,2564 середньої сонячної доби.

Прагнення узгодити між собою добу, місяць і рік призвело до того, о в різні епохи в різних народів було створено багато різних календарів, які можна умовно розділити на 3 типи: місячні, місячно-сонячні, сонячні.

У місячному календарі рік ділиться на 12 місяців, що містять змінно 30 або 29 діб. Усього в місячному календарі 354 або 355 середніх сонячних діб, тобто він коротший від сонячного року приблизно на 10 діб. Цей календар широко використовують у мусульманських країнах. Через те, що місячний рік має менше днів, ніж тропічний, у мусульман взагалі немає фіксованого початку року, він постійно зміщується по сезонах і випадає то на весну, то на літо, то на осінь, то на зиму.

Місячно сонячні календарі найскладніші. У них сума деякої кількості місячних місяців приблизно відповідає тривалості тропічного року. В основі цих календарів лежить співвідношення: 19 сонячних років дорівнюють 235 місячним місяцям (з похибкою близько 2 год). Рік ділиться на 12 місяців, кожен з яких починається з молодика. Тривалість деяких місяців щороку змінюється, початок року завжди припадає на  осінь, але не збігається з жодною датою григоріанського календаря, яким ми користуємося.

Одним з перших сонячних календарів вважається єгипетський, створений в 4 тис. році до н.е. За цим календарем рік складався з 12 місяців по 30 днів у кожному, а наприкінці року додавалося ще 5 святкових днів.

У сучасному календарі усіх європейських країн за основу береться 1 тропічний рік — період обертання Землі навколо Сонця відносно точки весняного рівнодення, але при створенні ідеального календаря виникає ускладнення, бо тропічний рік немає цілого числа діб. Довгий час в Європі користувалися юліанським календарем, який був запроваджений ще Юлієм Цезарем у 46 році до н. е. У цьому календарі тривалість тропічного року була прийнята за 365 діб 6 год 00 хв 00 с, а для того щоб рік мав ціле число діб, було прийнято, що кожні 3 роки підряд триватимуть по 365 діб, а четвертий рік — 366 діб (високосний рік). Але  в середньому кожний календарний рік був довший за тропічний на 11 хв 14 с (365 діб 6 год 00 хв 00 с - 365 діб 5 год 48 хв 46 с). Тобто коли тропічний рік уже реально закінчувався, рік за юліанським календарем тривав ще 11 хв 14 с. Тому за чотири роки похибка накопичувалася і календар відставав уже на 44 хв 56 с, а за 400 років — майже на 3 доби.

Наприкінці 1582 року папа Григорій XIII запровадив у католицьких країнах календар, в якому виправили цю неточність. У григоріанському календарі вилучили три доби з кожних 400 років, тобто три високосні роки зробили простими.

Високосним вважається рік, якщо він кратний 4 і не кратний  100. Проте, якщо рік кратний 100 і кратний  400 - він є високосним. 

Хоча григоріанський календар нині ухвалений у світі як міжнародний стандарт, він теж не є ідеальним. Похибку на одну добу він дає приблизно через 33 століття.

Відео. Час та календар (Час показу 06:02 хв)    

Відео. Пори року. Календар (Час показу 09:13 хв)

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 06.1. У пункті, що міститься на 41° сх. довготи, поясний час становить 6 год 40 хв. Знайдіть місцевий час у пункті на 86° сх. довготи в цей момент.

4. Запитання до уроку.

Запитання 06.1. Яка доба коротша: сонячна чи зоряна? Який час плине швидше: сонячний чи зоряний? Відповідь поясніть.

Запитання 06.2. Через який час за зоряним годинником після верхньої кульмінації зорі настає її нижня кульмінація?

Запитання 06.3. Як відрізняється місцевий час у двох пунктах з однаковою довготою, але різними широтами?

Запитання 06.4. Як змінюється місцевий час у точці спостережень при зміщенні від середини годинного поясу на захід?

Запитання 06.5. За яких умов на планеті не відбуватиметься зміна дня і ночі?

Запитання 06.6. В Україні за стародавньою традицією зустрічають так званий старий Новий рік - 14 січня. Звідки походить ця традиція?

Запитання 06.7. Чи виникне в найближчі кілька сотень років потреба внести якісь корективи в григоріанський календар, за яким ми живемо нині, чи він буде точним ще кілька тисяч років наперед? Відповідь поясніть.

5. Домашнє завдання.

Підручник. §4 (ст. 19-24).

Задача 06.2. Визначити кутову відстань між двома населеними пунктами, якщо різниця місцевого часу складає 4 години?

Задача 06.3. У пункті, що міститься на 35° сх. довготи, поясний час становить 11 год 20 хв. Знайдіть місцевий час у пункті на 72° сх. довготи в цей момент. (В. 11 год 48 хв)

Тестування. Вимірювання часу. Календар.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Антикітерський механізм.