Ruch obrotowy Ziemi

Cele:
Uczeń:
- wyjaśnia różnicę między ruchem obiegowym i ruchem obrotowym Ziemi;
- rozumie różnicę między dobą słoneczną i gwiazdową;
- potrafi wyjaśnić, w jaki sposób udowodniono ruch obrotowy Ziemi;
- wymienia następstwa ruchu obrotowego Ziemi;
- wyjaśnia pojęcie miesiąca synodycznego i wie, dlaczego w różnych okresach czasu zmienia się widoczny z Ziemi obszar tarczy Księżyca.

Treści przedstawiane na lekcji:
Ruch obrotowy to obrót Ziemi wokół własnej osi odbywający się w rytmie dobowym z zachodu na wschód.
Każde miejsce na Ziemi, poza biegunami, zakreśla okrąg wokół osi obrotu.
Dzięki ruchowi obrotowemu Ziemi, wszędzie na Ziemi występuje dzień i noc (w skrajnych przypadkach poza kołami podbiegunowymi : dzień polarny i noc polarna).
Ziemia w każdej chwili zmienia swoje położenie w stosunku do Słońca, czego wynikiem jest ciągle zmieniająca się wysokość Słońca nad horyzontem.
W następstwie ruchu obrotowego, nad każdym miejscem na Ziemi (z wykluczeniem miejsc, gdzie w danym momencie jest noc polarna) Słońce góruje w jednakowych odstępach czasu, tzn. jest najwyżej nad horyzontem. Czas pomiędzy dwoma kolejnymi górowaniami Słońca nad danym południkiem nazywa się dobą słoneczną. Doba słoneczna trwa 24 godziny. Pełny obrót Ziemi względem odległych gwiazd nazywa się dobą gwiazdową i jest nieco krótszy (23 godziny, 56 minut i 4,1 sekundy). Różnica jest następstwem wpływu ruchu obiegowego Ziemi na położenie względem Słońca.
Dowody na ruch obrotowy:
- wahadło Foucaulta - płaszczyzna wahań wahadła pozostaje w niezmiennym położeniu w stosunku do przestrzeni kosmicznej, a zatem wykonuje ruch obrotowy względem Ziemi w odwrotnym kierunku niż sama Ziemia;
- wschodnie odchylenie drogi ciał swobodnie spadających - tor swobodnie spadającego ciężarka z wysokiej wieży ulega odchyleniu w kierunku wschodnim. Wynika to z faktu, że szczyt wieży porusza się w ciągu doby po drodze dłuższej od drogi jej podstawy, a więc szybciej. W przypadku wieży o wysokości 100 m, odchylenie takie wynosiłoby mniej więcej 30 mm.
- stwierdzenie siły odśrodkowej - jego efektem jest spłaszczenie bryły Ziemi, dzięki czemu ma ona kształt zbliżony do elipsoidy. Wynika to ze zmniejszania się siły ciężkości w kierunku równika wskutek działania przeciwstawnej, coraz większej odśrodkowej siły bezwładności.
- stwierdzenie siły Coriolisa - wskutek działania siły Coriolisa, wszystkie swobodnie poruszające się przedmioty na półkuli północnej zbaczają w prawo, a na półkuli południowej w lewo od nadanego im kierunku. Przykładowo prawe brzegi rzeki podmywane są szybciej, prawe tory kolejowe na jednokierunkowej trasie, niszczą się szybciej na półkuli północnej, kierunki wiatrów stałych na kuli ziemskiej, także ulegają zmianie (pasaty), fale pływów na oceanach świata także zmieniają kierunek. Woda wpływająca do otworu w zlewie także podlega tym zasadom, dlatego na półkuli północnej zawsze ruch cząsteczek w wirze jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara.

Następstwa ruchu obrotowego:
- zmiana dnia i nocy odbywająca się w rytmie dobowym;
- spłaszczenie Ziemi przy biegunach;
- pozorna wędrówka Słońca i gwiazd po niebie;
- zmiana czasu na Ziemi;
- istnienie prądów morskich.
Nie tylko Ziemia wykonuje ruch obrotowy i obiegowy. Podobnie dzieje się w przypadku innych planet Układu Słonecznego i naszego naturalnego satelity - Księżyca.
Na Ziemi czas trwania tych ruchów jest zdecydowanie różny, natomiast na Księżycu czas obiegu wokół Ziemi pokrywa się z czasem obrotu wokół własnej osi. Księżyc jest więc zwrócony do Ziemi zawsze tą samą stroną, ale w ciągu 29 dni, 12 godzin i 44 minut (miesiąc synodyczny) zmienia się jego położenie względem Słońca i dlatego z Ziemi nie zawsze jest widziana całą jego tarcza, tylko ta część, która jest doświetlona przez Słońce. W zależności od obszaru widocznej tarczy, wyróżnia się fazy Księżyca: nów, I kwadrę, pełnię i III kwadrę.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Wyjaśnij dlaczego ciała swobodnie spadające w dół odchylają się na wschód.
2. Dlaczego Ziemia jest spłaszczona?
3. Dlaczego siła odśrodkowa słabnie w kierunku biegunów?
4. Wymień następstwa ruchu obrotowego Ziemi?

Na lepszą ocenę:
1. Dlaczego widomego ruchu sklepienia niebieskiego nie można uznać za dowód na ruch obrotowy Ziemi?
2. Dlaczego w ciągu miesiąca synodycznego widać z Ziemi różną wielkość oświetlonej przez Słońce powierzchni tarczy Księżyca?
3. W którym kierunku nastąpi odchylenie ciał poruszających się swobodnie na półkuli północnej i południowej?

Zapis lekcji:
1. Doba słoneczna, a doba gwiazdowa.
2. Dowody na ruch obrotowy Ziemi.
3. Następstwa ruchu obrotowego Ziemi.
4. Fazy Księżyca.