Вторая по удалённости от Солнца планета в Солнечной системе, Венера — самая яркая из планет, наблюдаемых с
Земли, По этой причине её изучали с незапамятных времён: первые записи о ней появились ещё у вавилонян. Рим-
ляне видели в Венере богиню красоты, а майя считали, что планета является братом Солнца. В 1610 году Галилео
Галилей наблюдал фазы Венеры, подтвердив, что планета действительно вращается вокруг Солнца. Из-за плотной
атмосферы планеты наблюдения её поверхности долгое время были невозможны.
С 1960-х гг. начались исследования планеты с помощью космических зондов. Первая попытка, советский зонд
<Венера-1», была предпринята в 1961 году и не увенчалась успехом. Новый зонд «Венера-4» успешно достиг Венеры
и отправил обратно информацию об атмосфере планеты, прежде чем сгореть дотла во время входа в атмосфе-
ру. Первым космическим аппаратом, совершившим успешную посадку на поверхность Венеры, стала советская
автоматическая межпланетная станция «Венера-7». Оказалось, что под плотной атмосферой планеты скрывается
настоящий ад: средняя температура на поверхности этого небесного тела составляет примерно 460 ∘C, что делает
планету самым горячим объектом Солнечной системы. Атмосфера Венеры состоит главным образом из углекислого
газа и азола. Поверхность планеты: полностью скрывают облака серной кислоты, Скорость вращения атмосферы
Венеры: более чем в 60 раз быстрее скорости вращения планеты, Скорость ветра на Венере достигает 360 км/ч. На-
правление вращения Венеры вокруг своей оси противоположно направлению вращения всех (кроме Урана) планет
Солнечной системы.
Некоторые характеристики планеты представлены в таблице.

Несмотря на относительную близость планеты, мы знаем сегодня о Венере меньше чем о других планетах земной
группы. Отчасти это происходит потому, что для исследования атмосферы и поверхности планеты исследователи
нуждаются в высокопрочном оборудовании и первоклассной технике, способной выдержать не только высокую
температуру на планете, но и колоссальное атмосферное давление, которое у поверхности примерно в 90 раз больше
земного.
Существует гипотеза, что в какой-то момент в прошлом на Венере было гораздно больше воды, чем предполагает
сегодня её сухая атмосфера - возможно там были даже океаны. Но по мере того, как Солнце становилось всё горячее
и ярче, температура поверхности Венеры повышалась, испаряя все океаны и моря и повышая парниковый эффект.

Изучение планет Солнечной системы меняло взгляд человека на мир вокруг него и понимание места Земли во
Вселенной.
История наших знаний о Меркурии уходит корнями в глубокую древность, по сути это одна из первых планет,
известных человечеству. Меркурий наблюдали ещё в древнем Шумере, одной из первых развитых цивилизаций
на Земле. Происхождение названия планеты идёт от римлян, которые назвали планету в честь античного бога
Меркурия (в греческом варианте Гермеса), покровителя торговли, ремёсел, а также посланца других олимпийских
богов, С чем связана такая ассоциация? Год на планете длится всего 88 дней, Меркурий - самая быстрая планета.
Меркурий - это ближайшая к Солнцу и самая маленькая планета Солнечной системы. Некоторых характеристики
планеты представлены в таблице.

При пролёте мимо Меркурия космического аппарата «Маринер-10», запущенного в 1973 году, было установлено
наличие у планеты предельно разрежённой атмосферы, давление которой в 5 · 10¹¹ раз меньше давления земной
атмосферы. В таких условиях атомы чаще сталкиваются с поверхностью планеты, чем друг с другом. Атмосферу
составляют атомы, захваченные из солнечного ветра или выбитые солнечным ветром с поверхности, — гелий, на-
трий, кислород, калий, аргон, водород. Имеющейся у Меркурия гравитации недостаточно для поддержания плотной
атмосферы

Поверхность Меркурия испещрена ударными кратерами от воздействий метеоритов и комет и напоминает поверх-
ность Луны (см. фото).

Снимок поверхности Меркурия, сделанный с исследовательского зонда "Мессенджер"

Пирамида Хеопса является одним из семи чудес света. До сих пор остаётся много вопросов, как именно была построена пирамида. Транспортировать, поднять и установить камни, масса которых составляла десятки и сотни тонн, было делом нелёгким.

Для того чтобы поднять каменные глыбы наверх, придумали очень хитрый способ. Вокруг места строительства воздвигали насыпные земляные пандусы. По мере того, как росла пирамида, пандусы поднимались все выше и выше, как бы опоясывая всю будущую постройку. По пандусу камни тащили на салазках таким же образом, как и по земле, помогая себе при этом рычагами. Угол наклона пандуса был очень незначительным - 5 или 6 градусов, из-за этого длина пандуса вырастала до стен метров. Так, при строительстве пирамиды Хефрена пандус, соединявший верхний храм с нижним, при разнице уровней, составлявшей более 45 м, имел длину 494 м, а ширину 4,5 м.

В 2007 году французский архитектор Жан-Пьер Уден высказал предположение, что при строительстве пирамиды Хеопса древнеегипетские инженеры использовали систему как внешних, так и внутренних пандусом и тоннелей. Уден полагает, что с помощью внешних пандусов возводились только нижняя, 43-метровая часть (общая высота пирамиды Хеопса составляет 146 м). Для подъёма и установки остальных глыб использовалась система внутренних пандусов, расположенных спиралеобразно. Для этого египтяне разбирали внешние пандусы и переносили их внутрь. Архитектор уверен, что обнаруженные в 1986 году полости в толще пирамиды Хеопса -- это туннели, в которые постепенно превращались в пандусы.

О форме и размерах Земли люди имели достаточно реальные представления еще до начала нашей эры. Так, древнегреческий философ Аристотель (384-322 до н. э.) полагал, что Земля имеет шарообразную форму, а в качестве доказательства приводил округлость формы земной тени во время лунных затмений, поскольку только шар при освещении с любой стороны всегда дает круглую тень.

В 1672 г. один французский астроном установил, что если точные маятниковые часы перевезти из Парижа в Кайенну (в Южной Америке, вблизи экватора), то они начинают отставать на 2,5 минуты в сутки. Ньютон объяснил это тем, что на экваторе поверхность Земли находится дальше от её центра, чем в Париже. 

В 1735 г. Французская академия наук снарядила одну экспедицию к экватору, другую – к северному полярному кругу. Южная экспедиция проводила измерения в Перу. Северная экспедиция работала в Лапландии (так до начала XX в. называлась северная часть Скандинавского и западная часть Кольского полуостровов). Для измерения была выбрана дуга меридиана длиной около 3^o. После сравнения результатов работы экспедиций выяснилось, что гипотеза Ньютона о форме Земли верна.

В наше время искусственные спутники Земли позволяют определить величину силы тяжести в разных местах над поверхностью земного шара с такой точностью, которой нельзя было достигнуть никаким другим способом. Это, в свою очередь, позволит внести дальнейшее уточнение в наши знания о размерах и форме Земли. Согласно современным данным из-за вращения вокруг своей оси Земля немного сжата вдоль оси вращения. Полярный радиус Земли короче экваториального почти на 21 км, т. е. всего на 1/300 экваториального радиуса. Форма Земли, таким образом, очень мало отличается от шара.

В древние времена Земля считалась центром мироздания. Геоцентрическая система мира Гея в греческой мифологии — мать-земля) — представление об устройстве мироздания, согласно которому центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды.

Во 2-м веке древнегреческий астроном Клавдий Птолемей в своем фундаментальном сочинении «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах», или «Альмагест», представляет свои доказательства сферичности Земли и неба, центрального положения Земли Вселенной, а также описывает сложное движение планет. На рисунке представлена модель мира, построенная Птолемеем.

Работы Птолемея считались настолько совершенными, что господствовали в науке протяжении 1400 лет. Однако в ходе научных открытий XVI века выяснилось, что геоцентризм несовместим с астрономическими фактами и противоречит физической теории. Постепенно утвердилась гелиоцентрическая система мира (Гелиос — древнегреческий бог Солнца).

Центральным объектом Солнечной системы является звезда Солнце. В Солнце передоточена подавляющая часть всей массы системы (около 99,866\%), оно удерживает своим тяготением планеты и прочие тела, принадлежащие к Солнечной системе и вращающиеся вокруг Солнца.

Сравнительная таблица некоторых параметров планет

* Параметры в таблице указаны по отношению к аналогичным данным Земли

Между орбитами Марса и Юпитера находится главный пояс астероидов -- малых планет. Астероидов много, они сталкиваются, дробятся, изменяют орбиты друг друга, так что некоторые осколки при своём движении пересекают орбиту Земли. Прохождение осколков (метеорных тел) через земную атмосферу выглядит с поверхности Земли как "падающие звёзды". В редких случаях более крупных осколков можно наблюдать летящий   небу огненный шар. Это явление называется болидом. Двигаясь в атмосфере, твёрдое тело нагревается вследствие торможения, и вокруг него образуется обширная светящаяся оболочка, состоящая из горячих газов. От сильного сопротивления воздуха метеорное тело нередко раскалывается и с грохотом выпадает на Землю в виде осколков -- метеоритов

На скорость света не влияет ни скорость источника света, ни скорость наблюдателя. Постоянство скорости света в вакууме имеет огромное значение для физики и астрономии. Однако частота и длина световой волны меняются с изменением скорости источника или наблюдателя. Этот факт известен как эффект Доплера.

Предположим, что источник, расположенный в точке О, испускает свет с длиной волны λ₀. Наблюдатели в точках A и B, для которых источник света находится в покое, зафиксируют излучение с длиной волны λ₀ (рис. 1). Если источник света начинает двигаться со скоростью v, то длина волны меняется. Для наблюдателя A, к которому источник света приближается, длина световой волны уменьшается. Для наблюдателя B, от которого источник света удаляется, длина световой волны увеличивается (рис. 2). Так как в видимой части электромагнитного излучения наименьшим длинам волн соответствует фиолетовый свет, а наибольшим  — красный, то говорят, что для приближающегося источника света наблюдается смещение длины волны в фиолетовую сторону спектра, а для удаляющегося источника света  — в красную сторону спектра.

Изменение длины световой волны зависит от скорости источника относительно наблюдателя (по лучу зрения) и определяется формулой Доплера:

.

Эффект Доплера нашёл широкое применение, в частности в астрономии, для определения скоростей источников излучения.

Примерно 100 лет назад американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что длины в спектрах излучения большинства галактик смещены в красную сторону

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты —
альбедо. Альбедо поверхности — это отношение потока энергии отражённых солнечных лучей
к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или
долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра — около 40\%. В отсутствие облаков
оно было бы около 15\%.

Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников,
времени года и, соответственно, от осадков. В 90-х годах ХХ века стала очевидна значительная
роль аэрозолей — мельчайших твёрдых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива
в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками
воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом
в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская
его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной
влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это,
в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.

Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также
от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимаются пыль и сажа, которые плотным экраном
закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.
 

Болидом называется довольно редкое явление — летящий по небу огненный шар. По небу
проносится яркий огненный шар, сопровождаемый хвостом и разлетающимися искрами.
По пути движения болида на небе остаётся след в виде дымной полосы. Ночью болид освещает
местность на сотни километров вокруг. После того как болид исчезает, через несколько секунд
раздаются похожие на взрывы удары, вызываемые ударными волнами. Эти волны иногда
вызывают значительное сотрясение грунта и зданий.

Это явление вызывается вторжением в плотные слои атмосферы крупных твёрдых частиц,
называемых метеорными телами. Двигаясь в атмосфере, частица нагревается вследствие
торможения, и вокруг неё образуется обширная светящаяся оболочка, состоящая из горячих
газов. Суеверные люди принимали такие огненные шары за летящих драконов с огнедышащей
пастью. От сильного сопротивления воздуха (причём чем больше скорость тела, тем больше
силы сопротивления) метеорное тело нередко раскалывается и с грохотом выпадает на Землю
в виде осколков. Остатки метеорных тел, упавшие на Землю, называются метеоритами.
Метеорное тело, имеющее небольшие размеры, иногда целиком испаряется в атмосфере
Земли. В большинстве же случаев его масса за время полёта сильно уменьшается, и до Земли
долетают лишь остатки, обычно успевающие остыть, когда космическая скорость уже
погашена сопротивлением воздуха. Иногда выпадает целый метеоритный дождь.

Самый крупный метеорит был найден в Юго-Западной Африке в 1920 году. Метеорит этот,
названный Гоба (названия даются по населённому пункту, ближайшему к месту падения),
железный, масса его около 60 т. Такие крупные метеориты падают редко. Как правило,
массы метеоритов составляют сотни граммов или несколько килограммов. Подсчитано, что
за сутки выпадает на Землю около 100 т метеорного вещества. Метеориты могут выпадать
в тех случаях, когда скорость вторгшегося в земную атмосферу метеорного тела не превосходит
22 км/с и это тело обладает достаточной механической прочностью.

Метеориты состоят из тех же химических элементов, которые имеются и на Земле. Это,
в основном, следующие восемь элементов: железо, никель, магний, кремний, сера, алюминий,
кальций и кислород. Остальные элементы встречаются в метеоритах в очень малых
количествах. Соединяясь между собой, эти элементы образуют в метеоритах различные
минералы, большинство из которых имеются и на Земле.

Знаменитый голландский математик и механик Симон Стевин (1548-1620 гг.) известен современникам своими работами во многих областях науки. В математике он ввёл десятичные дроби и на практике применил десятичные счисления для монет, весов и мер. Стевин изобрёл ветряную повозку, использующую парус. Повозка развивала скорость до 34 км/ч, при первом испытании в ней находились 28 человек.

В физике учёный занимался различными вопросами механики и гидростатики, в частности, открыл и опытным путём доказал «гидростатический парадокс». Парадоксом (от греч. paradoxos — неожиданный, странный) в физике обычно называют необычное, неожиданное явление, которое не соответствует привычным представлениям, противоречит (иногда только на первый взгляд) здравому смыслу.

Нальём в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, одну и ту же жидкость до одного уровня (рис. 1). Количество налитой жидкости окажется разным, а давление на дно одинаковое. Таким образом, жидкость может действовать на дно сосуда с силой, превосходящей её собственный вес.

Рис. 1

На рис. 2 представлена схема прибора Стевина, с помощью которого он экспериментально доказал, что давление жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда.

Рис. 2

В доньях двух сосудов одинаковой высоты были проделаны одинаковые отверстия в виде круга. Отверстия закрывались сверху одинаковыми деревянными дисками K, и в сосуды наливалась вода. Опыт показывал, что деревянные диски прижимались ко дну сосуда с некоторыми силами, измерить которые можно было с помощью противовесов T и S. Измерения показали, что T = S, т.е. силы давления со стороны воды были одинаковые в обоих сосудах.

Для полётов к Луне или, например, к Марсу достаточно существующих химических
ракетных двигателей, в которых для создания тяги используется энергия сгорания топлива.
Но для того чтобы лететь дальше, к внешним планетам Солнечной системы (или к ближайшим
звёздам), и не тратить на это многие десятилетия, нужны двигатели принципиально иного
типа. В новых ядерных двигателях можно использовать энергию ядерного распада тяжёлых
радиоактивных ядер. Но наибольшую энергию на сегодняшний день можно получить,
используя реакции термоядерного синтеза.

Любой ракетный двигатель создаёт тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество,
которое называют рабочим телом. Из сопла обычных ракет истекают газообразные продукты
сгорания топлива. В термоядерном двигателе рабочим телом будут служить водород или
гелий, разогретый энергией деления ядер урана или плутония. Сила тяги любого двигателя
зависит от скорости истечения, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла.
Подняв температуру, можно увеличить кинетическую энергию (и скорость) молекул. Однако
жаропрочные материалы и конструкции имеют температурные пределы, к тому же подводимая
энергия также ограниченна. Термоядерные двигатели, которые будут разогревать лёгкий
водород, имеют в этом отношении серьёзное преимущество перед химическими, продукты
сгорания которых существенно тяжелее.

Сейчас самые лучшие ракетные двигатели на химическом топливе лишь приближаются
к отметке для скорости истечения, равной 4500 м/с. Ядерные ракетные двигатели позволили
бы достичь температуры в десятки тысяч градусов и скорости истечения до 20000 м/с. Но даже
в этом случае полёт корабля до внешних планет Солнечной системы занял бы годы.

Между тем существует способ поднять скорость истечения на многие порядки. Температура
плазмы при термоядерном синтезе составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов,
а оценочная (теоретическая) скорость истечения может достигать 21500000 м/с!
В существующих проектах термоядерных двигателей поток плазмы, создающий тягу
двигателя, истекает из открытых цилиндров — магнитных ловушек. Самый простой вариант
такого двигателя —  пробкотрон (см. рисунок), состоящий из двух магнитных катушек, расположенных на некотором удалении друг от друга
и удерживающих плазму.

Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издаёт неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных -- умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения -- связано с их способностью испускать и улавливать ультразвуковые волны.

Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80 кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.

Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, наименьший линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя другие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.

Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра, при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100-200 импульсов (щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щёлкать более часто, а сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может определить таким образом, составляет примерно 5 см.

Во время сближения с объектом летучая мышь как бы оценивает угол между направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился всё меньше и меньше.
 

В 1607 году Галилео Галилей впервые в истории физики предпринял попытку определить скорость света с помощью следующего опыта: два наблюдателя (А и В), снабжённые закрывающимися фонарями, расходились на большое расстояние D друг от друга (рисунок 1). Наблюдатель А открывал свой фонарь, и свет через некоторый промежуток времени доходил до наблюдателя В, который в тот же момент открывал свой фонарь. Когда второй сигнал доходил обратно до наблюдателя А, тот отмечал время t, протёкшее от момента подачи им сигнала до момента его возвращения. Тогда скорость света с можно было бы рассчитать по формуле: c=2D/t

Рис. 1

Однако опыты Галилея оказались неудачными и не позволили определить скорость света.

Похожая схема опыта была применена в 1630 году французским учёным М. Марсенном для определения скорости звука в воздухе. Марсенн поставил на определённом расстоянии D двух человек. Один выстрелил из мушкета (огнестрельного оружия), а другой отметил время τ, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до него звуком. Поделив расстояние на время, Марсенн нашёл, что скорость звука v равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 метрам в секунду (м/с). Опыты Марсенна оказались неточными (скорость звука в воздухе на самом деле составляет примерно 330 м/с), но впервые позволили оценить порядок величины для скорости звука. В 1738 году французская Академия наук повторила опыт по измерению скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду.

В 1826 году швейцарские физики Ж. Колладон и Ш. Штурм на Женевском озере провели опыт по измерению скорости звука в воде. Экспериментаторы разъехались на лодках на расстояние D = 14 км друг от друга. На одной лодке производилась вспышка пороха, и одновременно молоток ударял по колоколу, опущенному в воду. На другой лодке измерялось время между вспышкой от пороха и появлением звука в слуховом рупоре, также опущенном в воду (рис. 2). Для скорости звука в воде было получено значение, равное 1440 м/с.

Открытие Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется, прежде всего, универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии -- небесная механика. До начала XIX века константа G в закон всемирного тяготения не вводилась, так как во времена Ньютона были определены размеры Земли, но масса Земли не была известна. И для всех расчётов в небесной механике использовали константу GM (произведение гравитационной постоянной на массу Земли).

Мы ежедневно наблюдаем силу притяжения тел к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел.

Исторически первым экспериментальным доказательством закона всемирного тяготения для обычных тел, а также измерением гравитационной постоянной явился опыт английского ученого Генри Кавендиша с крутильными весами.

Установка, которую использовал Г. Кавендиш, представляла собой деревянное коромысло с прикреплёнными к его концам небольшими однородными свинцовыми шарами массой по 775 г каждый. Коромысло было подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносили более тяжёлые однородные шары массой 49,5 кг, сделанные также из свинца. Установка была заключена в камеру, что защищало установку от внешних конвекционных потоков. Угол закручивания нити измерялся при помощи телескопа, так как был очень маленьким. Упругость нити на кручение определялась исходя из периода свободных колебаний коромысла.

Измерив силу взаимодействия, массы шаров и расстояние между их центрами, можно было определить гравитационную постоянную из формулы закона всемирного тяготения.