La loi de la gravitation universelle: définition, importance et exemples

 La gravité est ce qui nous attire vers la Terre, mais c'est aussi ce qui attire la Terre vers nous. Cela s'explique par la loi de la gravitation universelle, qui décrit comment tous les objets de l'univers ont cette force importante entre eux.

Pomme de Newton

Vous avez probablement déjà entendu cette histoire: un jour, Isaac Newton était assis sous un pommier quand une des pommes est tombée de l'arbre et l'a frappé à la tête. C'est cet événement heureux qui a conduit Newton à découvrir la gravité, et le reste appartient à l'histoire!

Nous ne connaissons pas les événements exacts qui ont conduit à la découverte de la gravité par Newton ou s'il s'est jamais assis sous cet arbre. Ce que nous savons, c'est que Newton était vraiment un gars intelligent qui était capable de raisonner POURQUOI une pomme tomberait d'un arbre au sol. Newton a compris que les objets tirent les uns sur les autres - la terre tire la pomme au sol, mais la pomme se retire également sur la Terre.

La partie la plus importante à ce sujet n'est pas seulement que les objets tirent l'un sur l'autre, mais que deux objets s'attirent avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Ceci est connu comme la loi de Newton de la gravitation universelle. Cela signifie que pour deux objets quelconques de l'univers, la gravité entre ces deux objets ne dépend que de leur masse et de leur distance.

Nous pouvons également exprimer cette relation sous forme d'équation: F = G * (m1 * m2) / d ^ 2, où F est la force gravitationnelle, G est la constante gravitationnelle universelle 6,67 x 10 ^ -11 Nm ^ 2 / kg ^ 2 , m est la masse de chaque objet et d est la distance entre leurs centres.

La gravité s'affaiblit avec la distance

La distance entre deux objets est une composante importante de la loi de la gravitation universelle. Ce n'est pas seulement à quelle distance les objets sont les uns des autres, c'est le CARRÉ de cette distance. Ainsi, par exemple, si deux objets sont à 3 kilomètres l'un de l'autre, vous ne pouvez pas simplement diviser par 3 pour obtenir la force gravitationnelle - vous devez diviser par 3 x 3, ce qui fait 9.

Et si les objets sont à 9 kilomètres les uns des autres, il faut diviser par 81. Ainsi, même si les objets ne sont que 3 fois plus éloignés les uns des autres, la force sera en fait 9 fois plus faible - c'est une grande différence!

Cette idée de décroissance exponentielle décrit la loi du carré inverse. Comme vous venez de le voir, augmenter la distance seulement une petite quantité diminue la force d'une grande quantité, car le carré de la distance est inversement proportionnel à la force.

Il pourrait être utile de penser à ce concept avec une bombe de peinture et un mur. Le pot de peinture pulvérisera de la peinture dans toutes les directions à partir de la buse, pas seulement en ligne droite, non? Alors, disons que vous avez votre pot de peinture et que vous vous tenez très près du mur - à seulement 1 mètre. Lorsque vous vaporisez le mur, votre peinture couvre une certaine zone; appelons cela une unité.

Si vous vous éloignez du mur à une distance de 2 mètres, la peinture que vous vaporisez vers le mur couvrira une plus grande surface mais avec la même quantité de peinture qu'auparavant. La zone que vous couvrez n'est pas deux fois plus grande - elle est quatre fois plus grande parce que votre boîte pulvérise de la peinture dans toutes les directions - la zone est à la fois deux fois plus haute et deux fois plus large qu'avant. Si vous reculez encore une fois, cette fois à une distance de 3 mètres, la zone que votre peinture recouvre est maintenant de 9 unités car elle est à LA FOIS trois fois plus haute et trois fois plus large que votre unité de surface d'origine. N'oubliez pas que vous vaporisez toujours la même quantité de peinture mais sur une plus grande surface, donc la peinture est `` plus faible '' tout autour.

La gravité est partout

Vous avez peut-être entendu dire qu'il n'y a pas de gravité dans l'espace extra-atmosphérique. Eh bien, je déteste être celui qui fait ça, mais je vais briser ce mythe maintenant! La gravité est PARTOUT! C'est juste que quand il devient suffisamment faible, il peut sembler qu'il n'y a plus de gravité.

Qu'est-ce qu'un photon? - Définition, énergie et longueur d'onde

 Définition d'un photon

Un photon est le quantum du rayonnement électromagnétique. Le terme quantum est la plus petite unité élémentaire d'une quantité, ou la plus petite quantité discrète de quelque chose. Ainsi, un quantum d'énergie électromagnétique est appelé un photon. Le pluriel de quantum est quanta.

Le concept de photons et de quanta provient de la mécanique quantique et de la théorie quantique. La mécanique quantique est un modèle mathématique qui décrit le comportement des particules à l'échelle atomique et subatomique. Cela démontre que la matière et l'énergie sont quantifiées, ou se présentent en petits faisceaux discrets, aux plus petites échelles imaginables. Un photon se propage à la vitesse de la lumière.

Illustration de la dualité onde-particule

Un photon décrit les propriétés des particules d'une onde électromagnétique au lieu de l'onde globale elle-même. En d'autres termes, nous pouvons imaginer une onde électromagnétique comme étant constituée de particules individuelles appelées photons. Les deux représentations sont des vues correctes et réciproques des ondes électromagnétiques. Par exemple, la lumière présente des propriétés d'onde dans des conditions de réfraction ou d'interférence. Les propriétés des particules sont présentées dans des conditions d'émission ou d'absorption de lumière.

Énergie

L'idée de la mécanique quantique et des photons est née des observations des scientifiques sur l'effet photoélectrique. L'effet photoélectrique est l'endroit où la lumière frappant une surface métallique provoque l'éjection d'électrons du métal. Les scientifiques ont été incapables d'expliquer ce phénomène, mais l'explication est finalement venue de la théorie quantique.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que l'énergie dans chaque quantum de lumière dépend de la fréquence de la lumière. En particulier, l'énergie d'un photon est égale à la constante de Planck multipliée par la fréquence du rayonnement. Mathématiquement, cela est donné par l'équation E = hf. La constante de Planck est la constante fondamentale de la théorie quantique qui détermine l'échelle du monde à petite échelle. Constante de Planck = 6,63 * 10-34 joule-seconde (J-s). L'énergie totale d'une onde électromagnétique est la somme des énergies de chaque photon de l'onde.

L'énergie d'un photon est si petite que nous la mesurons généralement en électronvolts (eV). Un eV est l'énergie potentielle de chaque électron dans une batterie de 1 volt. Un eV est égal à 1,6 * 10-19 joules (J). Par conséquent, nous devons convertir la constante de Planck en unités appropriées, qui sont des électronvolts / hertz (eV / Hz). En eV / Hz, la constante de Planck est de 4,136 * 10-15 eV / Hz.

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La vitesse de la lumière: distance et années-lumière

 

Visiter des lieux lointains

Sur Terre, nous pouvons allumer la télévision et voir une belle forêt tropicale ou une montagne ou une ville fraîche que nous pourrons peut-être la visiter en ce moment. Bien que nous ne puissions peut-être pas visiter cette ville en raison de contraintes professionnelles ou scolaires pour le moment, nous avons techniquement la possibilité d'y aller si nous le voulions vraiment. Ce n'est cependant pas le cas des emplacements dans l'espace extra-atmosphérique. La plupart des choses que nous pouvons voir dans le ciel nocturne avec nos yeux ou notre télescope, nous ne pouvons pas les visiter même si nous le voulions vraiment maintenant. Vous découvrirez pourquoi en une seconde seulement en explorant la vitesse de la lumière et les vastes distances du cosmos.

La vitesse de la lumière et des années-lumière

La vitesse de la lumière, indiquée par un c minuscule, est une valeur finie égale à 299 792 458 mètres par seconde ou 186 282 miles par seconde, selon celle qui vous plaît le plus. Cette vitesse est tellement extraordinaire, il est vraiment difficile d'imaginer à quoi ça ressemble vraiment. Disons que votre voiture a une vitesse maximale de 120 miles par heure. La lumière serait plus de 5,5 millions de fois plus rapide que cela! Pouvez-vous imaginer la distance que la lumière peut couvrir en allant aussi vite?

La distance lumineuse (c'est-à-dire toute forme de rayonnement électromagnétique) qui traverse un vide en un an est appelée année-lumière. Et c'est égal à l'un des éléments suivants:

0,3066 parsecs, où 3,262 années-lumière est égal à un parsec

63240 unités astronomiques, UA, où une UA est égale à 1,5 * 10 ^ 8 km

9,46 millions de km (9,46 * 10 ^ 12 km)

Distances et temps de retour

OK, mais assez de chiffres ennuyeux. Revenons à mettre les choses en perspective pour vous puisque ces chiffres sont si énormes. Il y a une galaxie célèbre, appelée la galaxie d'Andromède, qui est à plus de 2 millions d'années-lumière. Vous pouvez voir cette galaxie dans le ciel nocturne à l'œil nu. Hélas, contrairement à la ville que vous voyez sur votre écran de télévision, vous voudrez peut-être visiter un jour, vous ne pourrez pas visiter la galaxie d'Andromède simplement parce que vous pouvez la voir.

Les fusées les plus rapides que nous ayons parcourent environ 30 000 milles à l'heure ou 262 980 000 milles par an. Cela semble rapide. Mais rappelez-vous, même si nous pouvions atteindre la vitesse de la lumière, une valeur que rien ne peut aller plus vite que, il nous faudra encore 2 millions d'années pour atteindre la galaxie d'Andromède!

Nous devons d'abord espérer que les scientifiques trouveront un moyen de vivre individuellement 2 millions d'années avant même de commencer à penser à la construction de fusées ultra-rapides. Qui se soucie des fusées ultra-rapides si nous ne pouvons pas vivre assez longtemps pour atteindre notre destination de toute façon, même en allant à la vitesse de la lumière!?

Qu'est-ce que la lumière?

 Cette leçon définira et décrira ce qu'est la lumière d'un point de vue à la fois technique et d'usage courant, discutera des différents types de lumière et expliquera pourquoi on l'appelle rayonnement.

Qu'est-ce que la lumière?

Il peut être à la fois visible et invisible. Cela peut être court et long. C'est une information et un rayonnement à la fois. Cela peut être dangereux, mais ce n'est pas obligatoire.

Ce n'est pas l'homme le plus intéressant du monde. C'est un rayonnement électromagnétique, une sorte d'énergie connue sous le nom de lumière. Mais la lumière visible, ce que vous voyez, n'est qu'une forme de rayonnement électromagnétique. Il y a aussi les rayons gamma, les rayons X, la lumière ultraviolette, l'infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio. Nous explorerons certains des concepts importants liés à la lumière dans cette leçon

Concepts clés de la lumière

Commençons cette leçon en discutant de quelques concepts importants liés à la lumière. Selon l'intro, la lumière se réfère techniquement à toutes les formes de rayonnement électromagnétique. Cependant, gardez à l'esprit que le mot lumière est souvent utilisé familièrement pour désigner le rayonnement électromagnétique que nous pouvons voir avec nos yeux, c'est-à-dire la lumière visible. Hormis la lumière visible, toutes les autres formes de rayonnement électromagnétique sont invisibles à l'œil humain sans aide.

Aussi, quand je dis rayonnement, comme dans le rayonnement électromagnétique, je ne veux pas que vous paniquiez ou quoi que ce soit. Dans le contexte de cette leçon, le rayonnement fait référence à quelque chose qui rayonne ou se propage vers l'extérieur à partir d'un certain point. C'est ce que fait la lumière. C'est pourquoi c'est une forme de rayonnement. Bien sûr, les rayons X peuvent être dangereux en grande quantité, mais la lumière visible, pas tellement. Dans tous les cas, les deux sont des formes de rayonnement et ils sont électromagnétiques car l'énergie est véhiculée sous la forme de champs électriques et magnétiques changeants.

Ce rayonnement électromagnétique se propage dans l'espace à une vitesse définie. Cette vitesse, la vitesse de la lumière, symbolisée par un c minuscule, est de 300 millions de mètres par seconde (m / s). Toutes les formes de rayonnement électromagnétique se déplacent à cette vitesse. À une telle vitesse, le rayonnement électromagnétique peut faire le tour de l'équateur 7,5 fois en une seconde.

Propriétés de la lumière

Le rayonnement électromagnétique a deux propriétés clés. Il a des propriétés semblables à des ondes et à des particules. Quand vous voyez un arc-en-ciel, vous voyez la lumière visible se comporter comme une onde, une onde qui transporte de l'énergie.

Comme la lumière visible, toutes les formes de rayonnement électromagnétique ont quelque chose de connu sous le nom de longueur d'onde, la distance entre deux pics successifs d'une onde. Il est généralement représenté par la lettre «lambda» et mesuré en mètres (m).

Si vous n'êtes pas sûr de ce que j'entends par longueur d'onde, imaginez jeter un rocher dans un étang et regarder les ondulations se propager sur l'eau. Si vous pouviez mettre en pause une telle scène et utiliser une règle pour mesurer la distance entre les pics de l'onde, ce serait la longueur d'onde.

La longueur d'onde est inversement proportionnelle à la fréquence d'une onde, le nombre de cycles d'une onde qui passe des points spécifiques en 1 seconde. Il est généralement représenté par la lettre «nu» et mesuré en cycles par seconde, ou Hertz (Hz). Plus la fréquence d'une onde est élevée, plus la longueur d'onde est courte et vice versa.

En plus de se comporter comme une onde, le rayonnement électromagnétique peut également se comporter comme des particules. C'est la propriété de la lumière dont dépendent les caméras pour prendre une photo. Une particule de rayonnement électromagnétique, un peu comme un petit paquet d'ondes, est connue sous le nom de photon et parfois appelée quantum de lumière.