科学有意思:航天大冒险(课本里学不到的科学知识)

千里之行，始于足下。在向外太空出发之前，你首先得了解天文学。天文学是科学的一个分支，它研究恒星、行星及太空中的其他物体。天文学领域的专家被称为天文学家。*早的天文学家观察太空时，只能凭借肉眼。他们跟踪月球的运动轨迹，研究恒星的位置，但他们并不满足于此。 1609年，意大利天文学家伽利略（1564—1642）首次使用望远镜来研究太空。望远镜是一种管状仪器，它利用透镜原理，使遥远的物体看起来更近更大。伽利略和其他天文学家终于弄清了关于地球的很多知识。他们认为地球位于太阳系中。太阳系是指由一颗恒星以及一群围绕它运转的行星和其他物体组成的天体系统。位于太阳系中心的恒星是太阳。有八大行星绕太阳运行，它们依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。有些行星，如地球，有一个或几个围绕其运行的卫星。地球的卫星就是月球。但天文学家觉得仅仅从地球上去观察和研究恒星、行星和卫星还不够，他们想实地去探访那些以前只能通过望远镜才能看到的地方。这本书将带你踏上想象中的太空之旅。但在开始旅程之前，请试着完成本章的实验来充实自己的天文学知识。 在**个24小时里，反射光在墙上的移动轨迹成直线。反射光移动是因为地球在自转，地球绕地轴每24小时自转一圈。这条轴其实只是一条穿过地球南北极的假想线，北极是地球*北端的点，而南极就是地球*南端的点。随着地球的转动，太阳与镜面形成的角度也在变化，引起反射光的移动。 在两个星期里，每天于同一时间在反射光的中心贴上胶带，你会发现反射光的位置每天都在改变。根据不同的季节，新的反射光比原先的位置要么高，要么低。秋季高，春季低。反射光的位置每天会变化，是因为地球不仅绕地轴自转，而且也在绕太阳公转。也就是说，地球在围绕太阳的一个椭圆形轨道上运行。地球一年绕太阳公转一次，公转的同时也在自转。地球以逆时针方向绕太阳运行时，姿势微微倾斜。地球自转轴的倾斜角度为23.5°。这意味着在绕太阳旋转一周的过程中，有一半的时间里，北半球朝向太阳倾斜，而在另一半时间里则背离太阳。 这种倾斜导致了季节变换。如果你住在北半球，当它背离太阳倾斜时，北半球就处于冬季；当它朝向太阳倾斜时，北半球就处于夏季。如果北半球既没有朝向太阳倾斜也没有背离太阳倾斜时，那它就处于春季或秋季。 宇宙航天趣闻 1961年5月25日，美国总统约翰??肯尼迪（1917—1963）确立了美国太空计划的目标：将一位宇航员送上月球并安全返回地球。美国太空计划的监管机构，即美国国家航空航天局（NASA） 于1969年通过“ 阿波罗计划” 成功实现了这个目标，尼尔??阿姆斯特朗（1930—2012）成为首个踏上月球的人。“阿波罗计划”使用“土星5 号”火箭推动搭载3名宇航员的阿波罗宇宙飞船。NASA 先后进行了15次载人的阿波罗宇宙飞船航行。其中11次为探月项目，包括6次登月行动。 在这个实验中，台灯代表太阳，篮球代表月亮，而你则代表地球。当地球处于月亮与太阳之间（你背对台灯）时，月亮完全被照亮，我们能看到一轮圆月。此时的月亮被称为满月。当月亮在地球侧面（你侧对台灯）时，从地球上只能看到月亮被照亮面积的一半。此时的月亮被称为半月。当月亮处于地球与太阳之间（你面对台灯）时，从地球上看不见月亮被照亮的区域，此时的月亮就是新月。 我们的月亮是一个由岩石组成的旋转球体，那里没有空气，也没有水。它是地球的天然卫星（绕行星轨道运行的物体）。月亮大约每28天绕地球运行一圈。但是，在这段时间里，它也正好绕着轴心自转一圈。这意味着月亮始终以相同的一面对着地球，我们从未看到过它的背面。 太阳是一个巨大的旋转的炽热气球，主要成分为氢气。太阳核心的核聚变使氢气变成氦气，同时释放巨大的能量，通过光和热向各个方向发散。你的掌心是个不错的热能检测器。通过用手掌比较太阳的热与100瓦灯泡所产生的热，你就能相对准确地计算出太阳的能量。太阳的总能量输出，也叫太阳光度，约为3.9×1026瓦。要产生3.9×1026瓦的能量，太阳每秒要消耗3亿吨氢气。这听起来虽然是个庞大的数值，不过太阳有足够的氢气，至少可以维持50亿年。 你知道太阳的分层结构吗？它为什么是个大火球呢？太阳大约形成于50亿年前，现在正处于旺盛的中年时期，是一颗比较稳定的恒星。太阳从中心到边缘依次分为4个层次—— 核反应层、辐射层、对流层和太阳大气。 太阳表面的温度在5500℃左右。而炼钢炉里面的温度一般也只有1700℃，比起太阳表面的温度要低得多。太阳表面的所有物质都是电离的等离子体。太阳中心的温度据推算为1500万℃以上。所以说太阳是个又大又热的火球。 在18世纪末，约翰?? 波得推导了一个简单的数学公式来计算每个行星与太阳的距离，这就是波得定律。波得定律不仅给出了当时太阳系已知行星与太阳之间的距离，而且预测了以后发现的太阳系其他行星的位置。波得定律被提出来时，人们观测到的*远的行星是土星。 波得利用波得定律预测了太阳系的下一颗行星及其位置。1781 年，英国天文学家威廉姆?? 赫胥尔（1738—1822）在波得预测的位置果然发现了一颗行星。这颗行星按波得的建议被命名为天王星。 波得定律的作用不限于此，它预测在火星与木星之间还有一颗行星。1801年，天文学家把望远镜对准波得预测的“丢失的”行星应在的位置，结果发现了后来被称为谷神星的小行星。小行星是指围绕太阳运行的相对较小、由岩石组成的行星。后来，他们发现在这个位置上，有大约50万颗直径为1～1000 千米的小行星，它们运行在火星与木星之间被称为小行星带的轨道上。其中已经被编号的小行星有12万颗。 尽管波得定律帮助天文学家发现了太阳系的新行星及小行星带，但大多数科学家却认为波得定律并不是自然定律，仅仅只是个巧合而已。你在这个实验中也可能会发现，波得定律在离太阳越近的位置越准确，而多数行星正好位于这里。 你知道太阳有多大吗？它离地球有多远呢？ 从地球上看，太阳就像一个大盘子。事实上，太阳非常大，直径达140万千米左右，是地球直径的109倍； 按表面积计算，它大约是地球的12000倍。如果把地球装进太阳里，要130万个地球才能把太阳装满。 可是太阳离地球很远，平均距离约为1.5亿千米，它发出的光到达地球得花上8分18秒，因此巨大的太阳在地球上看起来就只有盘子般大小。 宇宙航天趣闻 迄今为止，火星是除了地球以外人类了解*多的行星。火星对于人类有一种特殊的吸引力，因为它是太阳系中与地球*相似的天体之一。火星赤道平面与公转轨道平面的交角与地球的黄赤交角非常接近，这使它也有类似地球的四季交替，同时，火星的自转周期为24小时37分，这使火星上的一天几乎和地球上的一天一样长。 NASA的火星探测计划长期致力于对火星这颗红色行星进行无人探测，“火星探路者”是这一系列无人探测计划的组成部分之一。“火星探路者”于1997 年7月4日在火星表面着陆，它携带的“索杰纳号”火星车，是人类送往火星的**部火星车。这部火星车重约10千克，体积与微波炉差不多，造价为2500万美元。它具有人工智能，用太阳能作动力，行驶速度慢如蜗牛，约为1.25厘米/ 秒。它可以拍照并分析岩石和土壤的成分，科学家希望这些信息能为我们揭示火星气候变化的历史。 你画出来的圆形如同鸡蛋，即椭圆形。太阳系的行星就是沿着这样的椭圆形轨道绕太阳旋转的。 1621 年，德国天文学家约翰内斯??开普勒发现行星并非沿完美的圆形轨道绕太阳运行，而且它们的运行速度也不是匀速的。他发现行星绕太阳公转的轨道是椭圆形的，运行速度也在不断变化，离太阳近时速度快，离太阳远时速度慢。开普勒用确切的定律解释了行星绕太阳运行的方式。然而，又过了66 年，才有人能够解释为什么行星运行的速度会发生变化。1687 年，英国科学家艾萨克?? 牛顿发表了著名的万有引力理论。他说行星被一种力控制在它们各自的轨道上，这个力就是引力，即两个物体因为其质量而产生的相互吸引力。 太阳与行星的引力使得行星绕太阳旋转。不过，引力作用随距离增大而减弱，这就是为什么行星离太阳越远，运行速度越慢的原因。