8
KOSMISK ZOOM
1 Verden omkring os
Fra vi vågner om morgenen, til vi går i seng om aftenen, bliver vores sanseapparat hele tiden udsat for det ene bombardement efter det andet. En fejende flot, farverig solopgang efterfølges måske af lifl ig fuglekvidder og en dejlig duft af blomster. I morgenbadet kan vi føle de rislende dråber fra bruseren springe ned på vores krop, og efter en energigivende morgenmad er vi klar til nye spændende udfordringer på denne herlige planet. Fysikkens opgave er at beskrive den materielle verden, som vi lever i, og som vi observerer med vores sanser. Hvorfor kan vi se farver? Hvad er farver? Hvad er lys? Hvorfor ser vi solopgange mod øst og solnedgange mod vest? Hvorfor kan vi høre fuglene? Hvad er lyd? Hvorfor kan vi lugte blomsterne? Hvorfor falder dråberne fra bruseren ned på vores krop? Hvor meget energi er der i morgenmad? Hvad er forskellen på planeter, måner og stjerner? Vi mennesker er nysgerrige og kan stille mange spørgsmål om den fysiske natur. Og hver gang fysikerne har svar på et, dukker der tit flere nye spørgsmål op. Det er bl.a. sådanne spørgsmål og svar, der har medvirket til, at mennesket er gået fra hulemandsstadiet for mange tusinde år siden til det moderne menneske med al den teknologi, vi kender i dag.
KOSMISK ZOOM
9
Fysikken og enheder
Når vi skal beskrive den fysiske natur, skal vi være enige om, hvordan vi angiver forskellige størrelser. Det er ikke nok, at vi bare siger: ”Bilens længde er 5” eller ”bogen vejer 2”. Der skal altid en enhed bag ved tallet, så vi ved, om det er en lille legetøjsbil med længde 5 cm eller en personbil på 5 m. En fysisk størrelse er et tal efterfulgt af en enhed. Fx bilens længde er 5 m. Prøv om du kan klare spillet med enheder på OrbitWeb. C0101
Opgave 1 Prøv at angive (find selv en passende enhed) … • massen af en dråbe vand • længden af en myre • tykkelsen af en side i fysikbogen • Jordens omkreds • den gennemsnitlige fart for en fodgænger
Opgave 2 a) b) c) Et rektangel har længden 3 m og bredden 2 m. Beregn rektanglets omkreds og areal. Et rektangel har længden 3 m og bredden 2 cm. Beregn rektanglets omkreds og areal. En kasse har længden 4 m, bredden 3 cm og højden 2 mm. Beregn kassens rumfang.
10
KOSMISK ZOOM
Opgave 3 Prøv at angive (find selv en passende enhed) … • arealet af et frimærke • arealet af Jordens overflade • rumfanget af en ludoterning • rumfanget af et menneske • Jordens rumfang Studieaktivitet: Målinger derhjemme Prøv at udføre nedenstående målinger derhjemme. Prøv også at vurdere hvor præcist målingen kan foretages med de instrumenter du har til rådighed (denne størrelse kaldes målingens usikkerhed). Udregn til sidst forholdet mellem usikkerheden og målingen og angiv den i procent (denne størrelse kaldes den relative usikkerhed). Udfyld et skema som nedenstående: måling resultat usikkerhed relativ usikkerhed
massen af en telefonbog temperaturen uden på en isterning en times el-forbrug derhjemme rumfanget af dit værelse vandforbruget når du tager bad tiden du kan holde vejret
KOSMISK ZOOM
11
2 Rejsen til det ydre rum
Universet er fantastisk. Ikke blot er det ufatteligt stort, men der er også ufatteligt meget at forstå og undersøge. Når vi sidder i stuen og kigger ud på stjernehimlen, kan vi godt spekulere på, om det mon slutter et sted langt ude. Er der mon en eller anden slags mur ude ved grænsen, eller fortsætter det blot i det uendelige? Eller hvad hvis vi går den anden vej og kigger længere og længere ind i atomerne – zoomer ind på mindre og mindre størrelser? Kan vi fortsætte den vej i det uendelige? I dette kapitel skal vi forestille os, at vi flyver ud til enden af Universet og ser på, hvad vi møder i et stadigt voksende perspektiv. Derefter flyver vi lynhurtigt tilbage og bevæger os i stedet indad, ind i stoffet, molekylerne og atomerne. Vi foretager vores rejse i nogenlunde faste skridt, idet vi ser på objekter, som er ca. 1000 gange større eller mindre end i det forrige skridt. Af praktiske årsager bliver størrelsen af det område, vi ser på, angivet som en bestemt 10-potens i bredden, i dybden og i højden. Denne 10potens svarer til det, som på et landkort kaldes målestoksforhold.
12
KOSMISK ZOOM
På OrbitWeb er det muligt at se filmen Kosmisk Zoom. Her kan du zoome ud i Universet og ind i atomerne. Nogle af billederne stammer fra denne film. Sidst i kapitlet er der foreslået en række studieaktiviteter, som du evt. kan prøve at lave sammen med dine klassekammerater. Læs mere om 10-potenser og præfikser i Værktøjskapitlet på OrbitWeb. Prøv også spillet med præfikser på OrbitWeb. C0102
Målestoksforhold
Landkortet til højre er tegnet i målestoksforholdet 1:7.500.000. Det betyder at 1 cm på kortet svarer til 7.500.000 cm = 75 km i virkeligheden. Hvis vi nu ønsker at finde den virkelige afstand mellem to punkter på kortet, måler vi afstanden med en lineal og ganger den med målestoksforholdet. Hvis afstanden mellem to punkter fx er 3 cm, så er afstanden i virkeligheden 3·7,5·106 cm = 225 km
Opgave 4: Danmarkskort a) Kortets bredde er 4,8 cm. Hvor mange km svarer det til? Hvis afstanden mellem to byer er 450 km, hvor lang er så afstanden i cm mellem de to punkter på kortet? Hvilket målestoksforhold skulle vi bruge, hvis vi ønskede at tegne et Danmarkskort på et stykke A4-papir?
b)
KOSMISK ZOOM
13
100 – 103 Den nære omverden
Vi begynder vores rejse 1 m uden for vores vindue og zoomer ud med en faktor 1000. Vi ser altså nu på et område, som strækker sig 1000 m eller 1 km i alle retninger. Dette er den nærmeste omverden. En strækning på 1000 m er ikke ret meget på landjorden, men 1000 m opad eller nedad er noget helt andet.
103 – 106 Jorden og dens atmosfære
Ved afstanden 105 m ser vi tydeligt Jordens atmosfære. I virkeligheden er atmosfæren blot en tynd hinde af luft, som omgiver Jorden, men den er fuldstændig afgørende for vores egen og resten af livets eksistens på Jorden. Atmosfæren strækker sig ca. 200 km ud i rummet, men vi kan kun leve i den allernederste del. Jordens atmosfære består af 78% kvælstof (N2), 21% ilt (O2) og 1% andre gasarter, herunder 0,034% CO2, som planterne bl.a. lever af. Atmosfæren inddeles i flere lag (se figuren til højre):
200 km
Ionosfæren
80 km Mesosfæren 50 km
Stratosfæren 15 km 0 km Skyer Troposfæren Jordoverfladen
14
KOSMISK ZOOM
Den nederste del kaldet Troposfæren er ca. 10 km tyk, og det er den del af atmosfæren, som vi lever i. Her dannes skyerne og den regn, der er nødvendig for, at planter og dyr kan leve. Kun i de nederste ca. 6 km har luften så stor tæthed, at vi kan trække vejret. De øvre dele af atmosfæren er Stratosfæren, Mesosfæren og Ionosfæren. Her dannes der polarlys og lysende natskyer, og her brænder meteorer (stjerneskud) op i en lysende stribe. Selvom vi ikke synes, at luft vejer ret meget, så er atmosfæren alligevel så tung, at der på hver m2 af jordoverfladen ligger ca. 10 tons luft. Dette tryk kaldes også for 1 atmosfære. Læs evt. mere om tryk i Værktøjskapitlet på OrbitWeb. Størstedelen af Jordens overflade (70,8%) er dækket af vand. Den gennemsnitlige havdybde er ca. 3,8 km. Havene inddeles i tre verdenshave: Stillehavet, Atlanterhavet og Det indiske Ocean. Jordens overflade omfatter syv kontinenter, alle med tilhørende øer: Europa, Afrika, Asien, Nordamerika, Sydamerika, Australien og Antarktis. Jordens overflade er opdelt i store og små plader, såkaldt kontinentalplader. De flyder langsomt rundt på den seje kappe. Der er i alt 12 kontinentalplader. Vulkaner og jordskælv opstår, hvor pladerne støder eller gnider mod hinanden, se evt. kapitel 9.
Opgave 5: Atmosfærens masse a) Som nævnt ligger der ca. 10 ton luft på hver m2 af Jordens overflade. Beregn herudfra den samlede masse af Jordens atmosfære. På samme måde som atmosfæren presser ned på landjorden, så presser vandet ned på bunden af Marianergraven, som er 11 km dyb. Beregn massen af vand, som ligger på hver m2 af Marianergraven. På Venus består atmosfæren hovedsageligt af CO2, og trykket ved overfladen er 90 atm. Hvorfor er trykket så højt på Venus overflade?
b)
c)
KOSMISK ZOOM
15
106 – 109 Jorden og Månen
Jorden er ikke nogen stor planet (radius er ”kun” 6378 km), men den er speciel, fordi den er det eneste sted vi med sikkerhed ved, at der findes liv. Jorden består af forskellige lag næsten som et løg. Inderst i Jorden er der en fast kerne af krystallinsk jern (Fe) og nikkel (Ni). Uden på denne er der et flydende lag (den ydre kerne), som igen overlejres af den mere sejtflydende kappe. Det yderste lag (skorpen) er relativt tyndt og næsten fast. Skorpen indeholder den tynde havbund samt kontinentalpladerne. Varmen i Jordens indre kommer fra tre kilder: Dels er det rester af Jorden og Månen varmen fra Jordens dannelse, dels radioaktive stoffer i Jorden og endelig afgives der varme fra opbygningen af den krystallinske inderste kerne, som langsomt vokser, mens Jorden igennem milliarder af år afkøles. De radioaktive stoffer i Jorden er måske et vidnesbyrd om, hvordan den er dannet. Radioaktive stoffer stammer nemlig fra supernovaer. En supernova er en eksploderende kæmpestjerne, som sender chokbølger af gas, beriget med tunge radioaktive atomer, ud i Universet. For 5 milliarder år siden har en af chokbølgerne ramt den interstellare sky, som Solsystemet opstod af, og har dermed udløst Solsystemets dannelse. De radioaktive stoffer blev blandet med skyens oprindelige materiale, og derved fik også Jorden en del af stofferne. Lidt poetisk kan man sige, at ”vi lever i asken fra en supernova og varmer os ved dens gløder”.
Indre kerne Ydre kerne Kappe Skorpe
Ni/ Fe
Massefylde: >12 g/cm3 Massefylde: 10-12 g/cm3
Massefylde: 4 g/cm3 Massefylde: 3 g/cm3
16
KOSMISK ZOOM
Døgnet og året
Jorden roterer omkring sin akse en gang på 24 timer. Rotationsaksen hælder lidt i forhold til retningen til Solen, sådan at Solen ikke altid står lodret over ækvator. Det betyder bl.a., at dagens længde på vores breddegrader ændrer sig med årstiden. Jorden roterer også om Solen. Omløbstiden er et år eller 365,25 døgn. Set fra Jorden ser det ud, som om det er Solen, som en gang i løbet af et år bevæger sig omkring Jorden. Solens tilsyneladende bane på himlen kaldes ekliptika.
Nordligt forår
Nordlig vinter
Nordlig sommer Nordligt efterår
Månen
I afstanden 109 m eller 106 km ser vi Jorden og Månen under et. Månen kredser omkring jorden. Den er så stor, at man næsten kan opfatte Jorden og Månen som en dobbelt-planet (Månens diameter er 3476 km). Månen har ingen atmosfære, og der kan ikke eksistere flydende vand på dens overflade, for den er for lille til at kunne holde på en atmosfære. Dens omløbstid om Jorden er ca. en måned. Månen vender altid den samme side mod Jorden. Man siger, at den er i en bunden rotation. Til gengæld forandres dens udseende på himlen fra dag til dag, idet den gennemløber forskellige faser. Månens faser skyldes, at det 