نظام الارض والشمس
الدرس الأول
نظام الأرض والشمس
غروب الشمس في مدينة جدة
أنظر وأتساءل
تبعد الشمس نحو ١٥٠ مليون كيلومتر عن الأرض. كيف يرصد العلماء أجرامًا بعيدة جدًّا؟ وما الأدوات التي يستعملونها للحصول على معلومات من الفضاء؟
أستكشف
كيف تتعرّف الكواكب؟
أكون فرضية
هل توفّر الأدوات التي يستعملها العلماء لدراسة النجوم والكواكب في المعلومات التي يحصلون عليها؟ أكتب إجابتي في صورة فرضية كالآتي:
"إذا غيّرت الأدوات التي أستعملها في تفحص جسم ما فإن ..."
أحتاج إلى:
- صندوق كرتون
- ورق تغليف
- شريط لاصق شفاف
- شفافية بلاستيكية ملونة
أختبر فرضيتي
- أعمل نموذجًا. أغلف الصندوق بورق تغليف، ثم أفتح الصندوق في الطرف الآخر من الغرفة. يمثّل هذا الصندوق كوكبًا مجهولًا.
- ألاحظ. أضع طرف الغرفة المقابل من الصندوق. أنظر إلى الصندوق من خلال الشفافية الملونة. أرسم ما أرى بالتفصيل.
- ألاحظ. أنظر إلى الصندوق من دون استخدام الشفافية. أرسم ما أرى بالتفصيل. أصف الاختلافات بين ما أراه من دون استخدام الشفافية، وما رأيته باستعمال الشفافية من قبل.
- ألاحظ. أقترب من الصندوق لرؤيته عن قرب، وأدوّن ما لاحظته.
أستخلص النتائج
- أستنتج. كيف اختلفت مشاهدتي للصندوق من خلال الشفافية البلاستيكية الملونة عن مشاهدتي له من دونها؟ وما المعلومات الجديدة التي حصلت عليها من مشاهدتي له عن قرب؟ أوضّح.
- أستنتج. ما الفرق بين رؤية الكوكب بمنظار فلكي على الأرض، وآخر في الفضاء؟ كيف سيساعد هذا الاختلاف في المعلومات الجديدة التي يمكن الحصول عليها من رحلات استكشاف الفضاء؟
أستكشف أكثر
ما المعلومات التي يمكن الحصول عليها إذا هبطت سفارة فضائية على سطح كوكب؟ كيف يمكنني تمثيل عملية الهبوط باستعمال نموذجي الخاص؟ أكون فرضية، وأصمم تجربة لاختبارها.
أقرأ وأتعلم
السؤال الأساسي
ما الذي ينتج عن دوران الأرض حول محورها وحول الشمس؟
المفردات
علم الفلك
الكون
المنظار الفلكي
دورة الأرض اليومية
منطقة التوقيت المعياري
خط التاريخ الدولي
دورة الأرض السنوية
مهارة القراءة
الاستنتاج
الأدلة من النص | استنتاجات
ما علم الفلك؟
أنظر إلى السماء، وأتساءل عن الأجرام الموجودة في الفضاء البعيد، كيف يمكن دراستها وتعرّفها؟ وما العلم الذي يختص بالبحث فيها؟
يختص علم الفلك بدراسة الأجرام السماوية في الكون. والكون هو جميع الأجرام والكواكب والنجوم والمجرات في الفضاء الشاسع. ويسمى الشخص الذي يدرس الكون ويحاول تفسير ما يلاحظه، الفلكي. يستطيع الفلكي رصد مواقع الشمس والقمر وبعض النجوم والكواكب بالعين، ولكنه يحتاج إلى استعمال المناظير الفلكية لرؤية الأجرام السماوية بصورة أفضل. والمنظار الفلكي جهاز يجمع الضوء، ويكبّر الصور لتبدو الأجرام البعيدة أقرب وأكبر وأكثر لمعانًا، ويمكن الفلكيين من رؤية تفاصيل أكثر للكواكب والنجوم.
يعتمد مبدأ عمل معظم المناظير الفلكية على جمع الضوء المرئي لتكبير الصور، والضوء المرئي هو الضوء الذي يمكن أن ندركه بالعين.
صورة للمختبار الفلكي الموجودة في القبة الفلكية، كلية العلوم بجامعة الملك سعود بالرياض.
يستخدم في المنظار الفلكي مجموعة من المرايا والعدسات لتجميع الضوء.
هناك نوعان من المناظير الفلكية التي تستعمل الضوء المرئي، هما: المنظار الفلكي الكاسر الذي تستعمل فيه العدسات لتجميع الضوء القادم من الجرم البعيد وتكبير صورته. وفي هذا النوع من المناظير الفلكية ينكسر الضوء، ويتم تركيزه من خلال عدسة شيئية أولًا، ثم تقوم العدسات العينية بتكبير الصورة.
أما في المنظار الفلكي العاكس فتستعمل مرآتان أو أكثر لتجميع الضوء القادم من الجرم البعيد، حيث ينعكس الضوء عن سطوح المرايا قبل وصوله إلى العدسات العينية. وتزيد قدرة المنظار الفلكي على تجميع كمية أكبر من الضوء باستعمال عدسات أو مرايا أكبر. ومعظم المناظير الفلكية الكبيرة مناظير عاكسة؛ لأن بناء مرايا كبيرة أسهل كثيرًا من بناء عدسات كبيرة.
بعض أنواع المناظير الفلكية لا تعتمد على الضوء المرئي، بل تعتمد على التقاط موجات الطيف غير المرئي الصادر عن الجسم المرصود. والطيف غير المرئي هو أي تردد في الطيف الكهرومغناطيسي لا يستطيع الإنسان رؤيته. وهذه الأنواع الخاصة من المناظير الفلكية تستطيع التقاط موجات غير مرئية مثل موجات الراديو، والرادار، والموجات تحت الحمراء، وكذلك الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية. تستطيع هذه المناظير جمع معلومات لا يمكن ملاحظتها باستعمال الضوء المرئي، فتستطيع المناظير الفلكية التي تستعمل الأشعة تحت الحمراء مثلًا جمع بيانات عن الحرارة التي يشعها كوكب أو نجم ما.
أختبر نفسي
أستنتج. ما أنواع المناظير الفلكية التي يمكن أن توجد في المراصد الفلكية؟
التفكير الناقد. لماذا يستعمل عالم الفلك المناظير الفلكية التي تستعمل الأشعة تحت الحمراء لدراسة الأجرام السماوية؟
نوعان من المناظير الفلكية
يمثل الشكل كوكب المريخ كما يجري رصده باستعمال نوعين من المناظير الفلكية.
المنظار الفلكي الكاسر
صورة المريخ
المريخ
العدسة العينية
العدسة الشيئية
المنظار الفلكي العاكس
صورة المريخ
المريخ
العدسة العينية
المرآة العاكسة
المرآة الثانوية
أقرأ الشكل
ما الفرق بين مساري الضوء في المنظارين؟
إرشاد: أتبع اتجاه الأسهم بالرسم.
كيف نثبت أن الأرض تدور؟
أتأمل الشكل المغزلي للجسم في الصورة المجاورة، كيف يدور؟ إنه يدور حول نفسه. تشبه حركة الأرض حركة جسم مغزلي يدور حول نفسه، فهي تدور حول خط وهمي يسمى محور الأرض، يمتد من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي مارًّا بمركز الأرض. تدور الأرض حول محورها دورة كاملة تسمى دورة الأرض اليومية، تستغرق حوالي ٢٤ ساعة، وفي كل دورة تصل إلى جميع مناطق الأرض كميات محددة من ضوء الشمس، ويتعاقب الليل والنهار لفترات تختلف بحسب أوقات السنة.
تشبه دورة الأرض اليومية حركة جسم مغزلي.
ظن الناس في وقت ما أن الشمس تدور حول الأرض كل يوم؛ وسبب ذلك أننا ننظر إلى الشمس ونحن نقف على الأرض التي تدور حول محورها، فتبدو الشمس كأنها تتحرك؛ ويظهر لنا الأمر أن الشمس تبزغ من الشرق، وتتحرك في السماء نحو الغرب، وتصل إلى أعلى نقطة لها في السماء في منتصف النهار، وهذا يمثل الحركة الظاهرية للشمس، التي تنتج عن دوران الأرض حول محورها. يمكن تتبع هذه الحركة بمتابعة تغير ظلال الأجسام في أوقات مختلفة من النهار.
ويستخدم العلماء حاليًّا الأقمار الاصطناعية لملاحظة دوران الأرض من الفضاء.
تستغرق الأرض في دورانها حول محورها ٢٤ ساعة أو يومًا واحدًا.
مناطق التوقيت المعياري
عندما تكون الشمس في أعلى نقطة لها فوق مدينتي يكون هذا وقت الظهيرة، ويكون موعد أذان الظهر. ولكن هذا لا يكون في كافة أرجاء الأرض في الوقت نفسه، حيث تدور الأرض حول محورها في اتجاه الشرق بمعدل ٣٦٠ درجة كل ٢٤ ساعة تقريبًا، أو ما يقارب ١٥ درجة في الساعة.
ولهذا السبب تقسم الأرض إلى ٢٤ منطقة تسمى مناطق التوقيت المعياري. ومنطقة التوقيت المعياري منطقة عرضها نحو ١٥ درجة بين خطوط الطول على الأرض، ويتساوى الوقت في كل منطقة. هناك فرق مقداره ساعة واحدة بين كل منطقتي توقيت متجاورتين. فلو عبرت منطقة توقيت معين في اتجاه الشرق فعلي أن أقدم الوقت على ساعتي ساعة واحدة، أما إن عبرت المنطقة غربًا فعلي تأخير الوقت ساعة واحدة، وهكذا.
أقرأ الخريطة
إذا كانت الساعة السابعة مساءً في الرياض، فما الوقت في مراكش؟
إرشاد: أحسب عدد مناطق التوقيت المعيارية بين المدينتين، وأحدد اتجاهها.
إدارة الوقت ساعة لكل منطقة توقيت معيارية؛ كلما اتجهت نحو الشرق، وقبل ساعة إذا اتجهت نحو الغرب.
ولنفترض أني سأسافر عبر ٢٤ منطقة توقيت معياري في اتجاه الشرق فإني سأعود إلى منطقة التوقيت المعياري التي بدأت منها، إلا أن التاريخ في ساعتي سيظهر تقدم يوم واحد. لماذا؟ إن سبب الخطأ في التاريخ أني لم أقم بتعديل الوقت في ساعتي في كل مرة أقطع فيها خط عرض في اتجاه الشرق.
ولمساعدة الناس على تحديد الوقت والتاريخ في منطقة مختلفة من العالم أسمى خط التاريخ الدولي وهو خط الطول ١٨٠، ويمكن للمرء الانتقال إلى البقعة غرب هذا الخط متأخرًا يومًا واحدًا عن المناطق التي تقع شرقه. إلا أن بعض الدول التي تمتد مساحتها على أكثر من منطقة توقيت تلجأ إلى توحيد التوقيت في جميع أرجاء الدولة.
أختبر نفسي
أستنتج. إذا كان الوقت في مدينة الرياض - الواقعة على خط الطول ٤٥ شرقًا - الثامنة صباحًا، فما الوقت في مدينة لوس أنجلوس في الولايات المتحدة الأمريكية، الواقعة على خط الطول ١٢٠ غربًا؟
التفكير الناقد. ماذا يحدث إذا سافرت إلى الغرب من خط التوقيت الدولي؟
ما فصول السنة؟
تتعاقب الفصول الأربعة دوريًّا خلال السنة. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال ارتفاع معدل درجات الحرارة وانخفاضه، وأطوال النباتات وذهابها. وقد ظنّ بعض الناس أن تغير الفصول يحدث لأن كوكب الأرض والشمس، وأن الأرض تكون في أقرب نقطة لها من الشمس في فصل الصيف! وليس هذا أمرًا صحيحًا؛ حيث تكون الأرض أقرب ما يمكن إلى الشمس في شهر يناير، أي خلال فصل الشتاء في النصف الشمالي للكرة الأرضية.
أما السبب في حدوث الفصول فهو ميلان محور دوران الأرض؛ إذ يميل محور دوران الأرض بمقدار ٢٣,٥ درجة تقريبًا، وهو ثابت الاتجاه دائمًا في الفضاء. ونتيجة الطرف الشمالي لمحور الأرض في اتجاه النجم القطبي، الذي يسمى أيضًا نجم الشمال؛ لأنه يرى فوق محور دوران الأرض في اتجاه الشمال. ولكن كيف يتغير هذا الميل الفصول؟ تستغرق الأرض نحو ٣٦٥,٢٥ يومًا في دورانها حول الشمس، والدورة الكاملة للأرض حول الشمس تسمى دورة الأرض السنوية. وكما يبين المخطط في هذه الصفحة، يحل فصل الصيف في نصف الكرة الشمالي بسبب ميله في اتجاه الشمس، وتصنع أشعة الشمس مع سطح الأرض فوق هذا الجزء من الكرة الأرضية زوايا أكبر؛ أي تكون شدة الأشعة أكبر على هذه المناطق من الكرة الأرضية، ويكون نصيب وحدة المساحة من الطاقة كبيرًا.
وبعد ستة أشهر يحدث مثل ذلك في النصف الجنوبي للأرض؛ إذ يميل في اتجاه الشمس، وتصنع أشعة الشمس مع سطح الأرض عند النصف الجنوبي زوايا أصغر، وتتوزع الأشعة على مساحة أكبر، وتقل كمية الطاقة التي تصل إلى وحدة المساحات، فيحل فصل الشتاء في النصف الشمالي، بينما يحل فصل الصيف في النصف الجنوبي.
وبين فصلي الصيف والشتاء تصنع أشعة الشمس مع سطح الأرض زوايا أكبر من الزوايا التي تصنعها في فصل الشتاء وأصغر من الزوايا التي تصنعها في فصل الصيف، فيحل فصل الربيع والخريف في الجزء الشمالي من الكرة الأرضية.
مدار الكرة الأرضية والفصول في النصف الشمالي من الكرة الأرضية
تدور الكرة الأرضية حول الشمس بسرعة ١٠٧٠٠٠ كيلومتر في الساعة.
الشمس
الشتاء
الربيع
الصيف
الخريف
نشاط
دوران الأرض حول محورها وحول الشمس
- أعمل نموذجًا أعمل مع مجموعة مكونة من ثلاثة طلاب؛ يمثل الطالب الأول الشمس، والثاني الأرض، والثالث القمر.
- يبقى الطالب الأول من دون حراك حاملًا مصباحًا مضيئًا.
- يدور الطالب الثاني حول نفسه ببطء، وحول الطالب الأول، ويستمر في دوران حول نفسه.
أحذر: إذا شعر الطالب بالدوار يتوقف فورًا.
- يدور الطالب الثالث حول الطالب الثاني ماشيًا بسرعة، ويبقى مواجهًا له.
- ألاحظ. أصف كيف يسقط ضوء المصباح اليدوي على الطالب الثاني والطالب الثالث.
أختبر نفسي
أستنتج. كيف يمكن مقارنة الفصول في النصفين الجنوبي والشمالي من الكرة الأرضية؟
التفكير الناقد. لو ذهبت إلى كوكب آخر في نظامنا الشمسي، ولاحظت أن الشمس هناك تشرق من الغرب وتغيب في الشرق؛ فماذا تستنتج عن دوران هذا الكوكب؟
المزولة «الساعة الشمسية»
أداة بسيطة لمعرفة الوقت باستخدام طول الظل واتجاهه.
التغير في زاوية ميل أشعة الشمس
لقد تعلمت أن زاوية ميل أشعة الشمس على الأرض تسبب فصول السنة. وتبلغ هذه الزاوية أكبر قيمة لها في الصيف، وأقل قيمة لها في الشتاء؛ وهذا يعني أن زاوية ميل أشعة الشمس تكون أكبر عند الظهيرة صيفًا مما تكون عليه عند الظهيرة شتاء.
إن الاختلافات في ميل أشعة الشمس تؤثر في ظلال الأجسام على الأرض. ففي الصيف تكون أشعة الشمس عمودية تقريبًا على سطح الأرض؛ فتكون ظلال الأجسام أقصر. وفي الشتاء تكون الزاوية التي تصنعها أشعة الشمس ظهرًا مع سطح الأرض أقل مما هي عليه في الصيف، فتكون ظلال الأجسام أطول. أما في الخريف والربيع فتكون الشمس بين موضعيها في الصيف والشتاء، ويتغير طول ظلال الأجسام عند الظهيرة تبعًا لذلك.
كيف نستكشف الفضاء؟
يحد الغلاف الجوي من قدرتنا على رؤية الأجسام الفضائية من الأرض. ولحل هذه المشكلة قام العلماء بإرسال مناظير فلكية تدور عاليًا في مدارات حول الأرض، كما قاموا أيضًا بإرسال أقمار اصطناعية تستطيع إرسال بيانات دقيقة إلى الأرض وبسرعة فائقة.
ومثال ذلك مشاركة المملكة العربية السعودية ضمن بعثة الفضاء الصينية في العام ٢٠١٨م؛ لدراسة واستكشاف سطح القمر عن قرب، والتقاط صور لمعالمه ومعالجة وتوفير بيانات عنه باستخدام النظام السعودي لاستكشاف سطح القمر على متن القمر الاصطناعي الصيني لونغ جيانغ، حيث تم بناء النظام السعودي لاستكشاف سطح القمر بمعامل مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية من قبل فريق يضم نخبة من المهندسين والباحثين السعوديين، ويتميز النظام السعودي بدقة وخفة وزنه وقدرته على تحمل بيئة الفضاء وتصوير القمر بزوايا وارتفاعات مختلفة. وتعد هذه المشاركة إنجازًا علميًّا فريدًا عربيًّا وإسلاميًّا تقوده رؤية ٢٠٣٠ لابتكار أحدث التقنيات في مجال الفضاء السعودي والتي تشمل استكشاف الفضاء وإقامة برنامج فضائي متطور.
وللحصول على رؤية واضحة وقريبة للأجرام في الفضاء أطلق العلماء مسابير فضاء، وهي مركبات غير مأهولة بالبشر، على متنها أدوات خاصة لدراسة الفضاء. وقد أمضت هذه المسابير بعيدة في الفضاء لدراسة أجرام مختلفة في الكون، وهي ترسل صورًا وبيانات إلى الأرض؛ حيث يقوم العلماء بتحليلها.
وترسل الأقمار الاصطناعية إلى الفضاء عن طريق رواد فضاء أو على متن مركبة فضائية تستعمل أكثر من مرة، ثم يستعملها رواد الفضاء في عودتهم إلى الأرض. ومثال على ذلك المركبة المكوكية التي قامت ١٤٣ طيرانًا من ست بلدان. ومن هؤلاء آل سعود، أول رائد فضاء عربي على متن المركبة الفضائية ديسكفري في ١٧ من يونيو عام ١٩٨٥م، وكانت تحمل على متنها حمولة تشمل ثلاثة أقمار اتصال اصطناعية.
ومن ذلك أيضًا ما قام به رواد الفضاء من صيانة وإصلاح لمنظار هابل الفلكي الفضائي، والذي يدور خارج الغلاف الجوي للكرة الأرضية كمحاولة للحفاظ عليه مدة أطول في العام ١٩٩٩م، وما قدموه من معلومات دقيقة عن تراكب الكون ودعمه بعد ذلك في عام ٢٠٠٢م، ثم عام ٢٠٠٩م، ومن إنجازات المملكة العربية السعودية المميزة فقد شارك أول رائدة فضاء عربية مسلمة ريانة برناوي ورائد الفضاء السعودي علي القرني في رحلة المركبة الفضائية فالكون ٩ لاستكشاف الفضاء.
صورة جمعت الأرض وسطح القمر معًا.
وتظهر المملكة العربية السعودية بوضوح.
تم التقاط الصورة عبر النظام السعودي لاستكشاف سطح القمر.
البقاء في الفضاء
يستكشف العلماء الفضاء أيضًا بالإقامة في محطات الفضاء، مثل المحطة الدولية للفضاء. ولقد نفذت العديد من التجارب على متن هذه المحطات، لمعرفة ما إذا كانت النباتات في الفضاء تستطيع أن تنمو وتنتج الأكسجين، حيث تمتص ثاني أكسيد الكربون، وتوفر الغذاء. يحتاج رواد الفضاء في رحلاتهم إلى إمدادات من الأكسجين والماء والغذاء، وكذلك إلى تربة لزراعة النباتات.
أختبر نفسي
أستنتج. ما نوع البيانات التي يمكن أن تجمعها محطات فضائية تدور حول الأرض؟
التفكير الناقد. ما الاختلافات بين صور الكواكب التي تلتقط من الأرض وصورها التي تلتقط من الفضاء؟
مراجعة الدرس
ملخص مصور
يستخدم علماء الفلك أدوات متعددة لدراسة الكون.
وينتج عن دوران الأرض حول محورها تعاقب الليل والنهار، وينتج عن دورانها حول الشمس الفصول الأربعة.
يستخدم العلماء الأقمار الاصطناعية ومسابير الفضاء وأدوات أخرى لاستكشاف الفضاء.
المطويات
أنظم أفكاري
أعمل مطوية ألخص فيها ما تعلمته عن الأرض والشمس بإكمال الجمل وإعطاء تفاصيل.
أفكر وأتحدث وأكتب
- المفردات. تسمى دراسة الأجرام السماوية في الكون: ................
- أستنتج. افترض أن كوكبًا جديدًا اكتُشف، له غلاف جوي، يصلح للتنفس، ولا توجد حياة على سطحه، وتوجد كميات قليلة جدًّا من الماء. فهل يصلح هذا الكوكب ليعيش عليه الإنسان؟ أوضح ذلك.
الأدلة من النص | استنتاجات
- التفكير الناقد. كيف أقارن بين إرسال رواد الفضاء واستعمال المناظير الفلكية والمسابير الفضائية في دراسة النظام الشمسي؟
- أختار الإجابة الصحيحة. تنشأ الحركة الظاهرية للشمس بسبب:
أ. دوران الأرض حول محورها
ب. تعاقب الفصول
ج. دوران الأرض حول الشمس
د. محور الأرض
- أختار الإجابة الصحيحة. يسمى خط الطول الذي يبين تغير التاريخ:
أ. خط جرينتش الأساسي
ب. خط التاريخ الدولي
ج. خط الاستواء
د. منطقة التوقيت المعياري
- السؤال الأساسي. ما الذي يحدث نتيجة دوران الأرض حول محورها وحول الشمس؟
العلوم والكتابة
الكتابة السردية: المزولة «الساعة الشمسية»
أبحث في طريقة عمل المزولة، وعلاقتها بدوران الأرض، ودور المسلمين في تطويرها واستعمالها.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.