Изучение астрофизических вопросов в школьном курсе физики

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Педагогика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

В настоящее время астрономия, благодаря своим достижениям и средствам массовой информации стала интересна и доступна широкому кругу людей вне зависимости от возраста и уровня образования. Ее эвристическое значение и эмоциональное воздействие на людей чувствуется ежедневно. Поэтому не удивляет стремление как можно раньше приобщить учеников к астрономическим знаниям, введение астрономической информации в начальной школе и даже в детском саду. С другой стороны, в силу своей специфичности и необычности, ограничений по времени, обучение астрономии требует больших усилий для учителей, поэтому в системе среднего образования наметилась тенденция убрать отдельный предмет астрономии из программы общеобразовательной школы. В США эти тенденции еще в конце ХГХ в. привели к тому, что астрономия была исключена как предмет из школьного курса. Ситуация, которая существует и посей день, не смотря на то, что во многих школах астрономию преподают, по-видимому, как дополнительный факультативный предмет.

1. Особенности изложения вопросов астрономии в школьном курсе физики

Включение астрофизических вопросов в школьный курс физики с целью демонстрации универсальности физических законов и их применимости для описания явлений галактического масштаба основывается на уверенности в справедливости этих законов, по крайней мере, для широкого круга явлений, достаточно подробно изученных к настоящему времени. Хорошо известно, что сомнения по этому поводу регулярно высказывались самыми выдающимися исследователями. Так, например, в 1928 г. Д. Джине писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства» [65, с. 352]. Однако дальнейшее развитие астрофизики показало, что именно вопрос о происхождении спиральных ветвей галактик удалось решить в рамках существующих современных физических представлений и теорий.

В последнее время появился ряд сообщений, согласно которым разбегание галактик, описываемое законом Хаббла, в свете последних астрономических наблюдений оказывается происходящим не с замедлением, обусловленным всемирным тяготением, а с ускорением, что в настоящее время не удается объяснить в рамках существующих представлений [66]. Надежное подтверждение этого факта, по-видимому, должно будет привести к определенным изменениям (возможно, весьма радикальным) во всей системе представлений об окружающем мире. Возможно, что такая информация на новом уровне делает актуальной идею о том, что «ядра галактик представляют собой новую форму существования материи, не известную современной физике» [87, 88]. Однако и такая ситуация методически может явиться очень полезной, ибо при правильном методологическом подходе к изучению современной физики выявление и демонстрация модельного характера наших знаний о природе и установление границ применимости конкретных моделей является особенно важным фактором при обучении и развитии научного мировоззрения.

Вопрос о возможности обнаружения новых фундаментальных законов физики на астрофизическом материале имеет еще один, не менее важный аспект. Необходимость введения новых физических представлений при дальнейшем развитии физики сама по себе не вызывает сомнений. Например, при создании квантовой теории гравитации для анализа сингулярностей, появляющихся в решении уравнений классической общей теории относительности. Однако при рассмотрении отмеченных выше вопросов нельзя исключать возможности появления каких-то новых обстоятельств, связанных с обнаружением огромных масс на космических, пока недоступных для наблюдения расстояниях и т. п., которые позволят объяснить наблюдаемые факты на основе существующих представлений. Возможно, что для объяснения процессов в ядрах галактик никакая «новая физика» не нужна.

По мнению большинства астрофизиков, еще далеко не исчерпана возможность объяснения всех наблюдаемых в галактиках и их ядрах, в квазарах, нейтронных звездах и черных дырах явлений на основе существующих представлений, не прибегая к существенно новым физическим представлениям. Такого же мнения придерживается большинство ведущих ученых о проблеме «недостающих масс» (missing mass) в скоплениях галактик [89]. Из сказанного следует, что рассмотрение основных свойств космических объектов, не говоря уже об описании свойств «ближнего» космоса — Солнца и солнечной системы, может быть адекватно выполнено на основе фундаментальных положений современной физики.

Методика изложения вопросов астрофизики в рамках курса физики средней школы характеризуется рядом специфических моментов, отличающих ее от методики изложения традиционных тем курса физики. Основное различие связано с невозможностью постановки эксперимента не только в условиях школы, но и вообще. Все «экспериментальные» данные, которые во всех без исключения случаях определяют генеральное направление развития физической теории, получаются в астрофизике в результате наблюдений и измерений, проводимых над природными явлениями. Традиционно это были результаты, получаемые в наблюдательной астрономии. В последнее время сюда добавились измерения, проводимые с помощью физических приборов, запускаемых в космическое пространство, что сразу на несколько порядков расширило количество и качество получаемой информации. Однако во всех без исключения случаях объектом наблюдения являются реальные процессы и явления, происходящие в природе, а не осуществленные в результате действия человека.

Целью сообщения астрономических знаний учащимся I — IX классов является формирование системы астрономических знаний, приблизительно соответствующей по объему и качеству содержания современному курсу астрономии XI класса, адаптированному к уровню естественно-математических знаний и познавательным возможностям и интересам 14−15-летних подростков.

В этом случае астрономическое образование учащихся становится всеобщим и в то же время дифференцированным. Подавляющая часть астрономического материала изучается в V — IX классах основной школы, что позволяет обеспечить знание основ астрономии для всех учащихся, независимо от их дальнейшего дифференцированного обучения в старших классах общеобразовательной школы или других типах средних учебных заведений. Построение содержания и методики преподавания курса «Физики и астрономии» на основе научного метода познания обеспечивает наибольшую оптимальность, доступность и эффективность сообщения астрономических знаний: методология науки становится одновременно объектом изучения и способом познания, методологическая связь в развитии понятий реализуется в эволюционном подходе к изучению космических тел и космических систем. Идейно-понятийное ядро определяется относительно небольшой системой ведущих (фундаментальных) понятий курса, вокруг которых осуществляется генерализация основного учебного материала. Основным объектом изучения является Вселенная; целью изучения физической части курса является формирование понятий о самых простых и самых общих, всеобъемлющих законах движения материи во Вселенной, материальном единстве и физической картине мира. Базовый (минимальный) уровень формирования астрономических знаний предназначен для удовлетворения мировоззренческого аспекта астрономических интересов большинства школьников в соответствии с уровнем современного государственного стандарта по физическому образованию. Расширенный (максимальный) уровень рассчитан на уровень подготовки учащихся физико-математических классов, и предусматривает изучение вопросов астрономии в объеме, превосходящем базовый курс астрономии XI класса с более глубоким осмыслением материала. В основе сообщения астрономических знаний в рамках курса «Физика и астрономия» лежит концепция поэтапного формирования фундаментальных астрономических понятий, состоящая в последовательном рассмотрении ряда основных характеристик и свойств объектов познания астрономии в неразрывной связи с изучаемым физическим материалом: сведения о Вселенной и природе космических объектов используются как феноменологическая основа для формирования фундаментальных понятий физики и астрономии. Понятия о природе и физических характеристиках космических объектов и их систем, и космических явлений формируются на уроках в ходе последовательного поэтапного формирования моделей космических объектов в соответствующих разделах физики, причем каждая предыдущая модель становится опорной при построении последующей, чтобы затем на стадии синтеза отдельные, получившие определенное осмысление характеристики и свойства космических объектов объединились причинно-следственной связью с формированием интегральной модели данного типа космических объектов (космических тел и их систем). Ученики используют известные им понятия для объяснения новых процессов и явлений, самостоятельно устанавливают взаимосвязи между понятиями и решают основанные на этом задачи поискового и эвристического характера. В ходе изучения учебного материала по физике и использования межпредметных связей с курсами других естественно-математических дисциплин происходит постепенное расширение объема и обогащение содержания понятий, раскрытие их свойств и взаимных связей. Уровень усвоения понятий характеризуется установлением связей между понятиями различных систем и предметов (межпредметными связями) с высокой степенью обобщенности понятий и умением оперировать ими при решении задач творческого характера. В итоге изучения ряда последовательных разделов курса с постепенным усложнением понятий и обобщением полученных знаний, с четким отграничением главного и второстепенного, в рамках данной физической теории формируется понятие Вселенной, включающее в себя элементы историзма и методологии (в определении понятия) и сочетающее развитие философского аспекта понятия с развитием содержания понятия на уровне пространственно-временного континуума.

2. Формирование понятия плазма в школьном курсе физики

2.1 Введение понятия «плазма»

Одно из важных условий обучения состоит в том, чтобы дать основы научных знаний о природе. Эти знания должны соответствовать динамично развивающимся научным взглядам, т. е. преподаватель должен иметь понятие и о новых физических теориях, и о перспективных с точки зрения применения областях науки, прежде всего о тех, которые становятся базой новой техники. Согласно проекту Стандарта образования требуется сформировать определенную систему знаний о веществе. Она включает в себя знания о строении и физических свойствах вещества в трех его состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Но существует еще и четвертое агрегатное состояние — плазма.

Ведение понятия «плазма» лучше начать с истории его возникновения, и объяснения значения слова «плазма».

Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины.

Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Человек познакомился с плазмой на заре своего существования, увидев молнию. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы, обеспечивая устойчивую радиосвязь на Земле. Плазму представляют собой наше Солнце и все звезды (человек уже давно пытается воспроизвести Солнце на Земле в установках управляемого термоядерного синтеза). Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного межпланетного газа. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной -- звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазме обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

Термин плазма был введен физиологами в середине прошлого века для обозначения бесцветного жидкого компонента крови, молока или живых тканей.

Кровь представляет собой красную непрозрачную жидкость, состоящую из плазмы (55%) и взвешенных в ней клеток, форменных элементов (45%) — эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Плазма крови содержит 90−92% воды и 8−10% неорганических и органических веществ. Неорганические вещества составляют0,9−1% (ионы К, Na, Mg, Са, Cl, P и др.). Остальное приходится на органические вещества плазмы: 6−8% составляют белки (альбумины, глобулины, фибриноген). Около 2% приходится на них комолекулярные органические вещества (глюкоза, аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, липиды, креатин). Водный раствор, который по концентрации солей соответствует плазме крови, называют физиологическим раствором.

В 1923 г. американские физики И. Ленгмюр и Л. Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. Физиков плазма сначала интересовала как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник света. В настоящее время мы рассматриваем физические свойства плазмы под другим углом зрения — и плазма предстает перед нами в новом облике. Во-первых, это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, во- вторых, это динамическая система — объект приложения электромагнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами, для которых физика служит научным фундаментом.

Важнейшие из них — это управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую.

Плазма (греч. plasma) — оформленное.

При очень низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии.

Нагревание вызывает переход вещества из твёрдое в жидкое, а затем и в газообразное…

Для более быстрого и ёмкого восприятия темы процесс возникновения плазмы можно показать на достаточно простом опыте (процесс нагревания):

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т. е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.

Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик — 3 000 — 4 000 градусов.

Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 — 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.

Как известно, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.

В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована, и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например, при T= 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 — 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния». Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака. Таким образом, при достаточно больших температурах происходит ионизация газа за счёт столкновения быстродвижущихся атомов или молекул.

Далее можно ввести словесное определение понятия «плазма»:

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают, т. е. в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Почти все вещества при постепенном повышении их температуры от абсолютного нуля проходят последовательно следующие состояния: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. И нередко у учащихся складывается ошибочное представление о плазме, как о состоянии вещества при очень высоких температурах, т. е. температурах, при которых происходит термическая диссоциация атомов или молекул газа. Именно этот недостаток следует преодолеть, знакомя учащихся с понятием плазмы. Так, наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны разного рода излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.

2.2 Формирование понятия астрономические законы на уроках физики

В качестве основных групп астрономических понятий мы выделяем:

— объекты познания науки: космические объекты, космические процессы и космические явления;

— методы и инструменты астрономических исследований;

— астрономические законы и теории.

Астрономические законы выражают внешние и внутренние существенно-необходимые связи между космическими объектами, процессами и явлениями; носят, как правило, эмпирический характер; выводятся на основе данных астрономических исследований и объясняются на основе законов физики в рамках физических теорий.

Астрономические теории представляют собой систему знаний о Вселенной более высокой, нежели законы, степени обоснованности и обобщенности и включают в себя в качестве основания данные, полученные в результате астрономических наблюдений и исследований в области ряда других естественно-математических наук; ядром их являются астрономические и физические законы и специфический математический аппарат; следствиями — объяснение механизма космических процессов и природы космических объектов во всей сложности и многообразии их взаимных связей, и использование полученных знаний в практических целях во благо человечества.

Астрономические законы отражают в основном связь между космическими телами и космическими явлениями; астрономические теории — природу и развитие космических процессов.

Основным методом астрономических исследований являются астрономические наблюдения, поставляющие свыше 90% информации о космических процессах, явлениях и объектах. Астрономические наблюдения характеризуются пассивностью по отношению к изучаемым объектам: до начала космической эры отсутствовала возможность проведения экспериментальных астрономических исследований; в наши дни возможность прямого изучения космических тел явлений ограничена пределами Солнечной системы; возможность активного влияния на космические явления и, тем более, процессы практически отсутствует. Другой особенностью астрономических исследований является необходимость предварительного объяснения новых открытий иногда задолго до их теоретического истолкования, что придает ряду астрономических законов и теорий характер неформализованных (интуитивных).

Основными инструментами исследований в области астрометрии и небесной механики являются разного рода угломерные приборы в комбинации с различными приемниками-регистраторами электромагнитного излучения и приборы для измерения и хранения времени.

Основными инструментами астрофизических исследований являются телескопы, предназначенные для регистрации электромагнитного излучения и потоков элементарных частиц, испускаемых исследуемыми объектами, усиления создаваемой ими освещенности и увеличения их видимых угловых размеров. Телескопы, приемники элементарных частиц и детекторы космических лучей условно подразделяются по диапазонам воспринимаемого ими излучения.

В зависимости от характеристик диапазона регистрируемого излучения исследуемых объектов, условий и особенностей проведения наблюдений в астрономии условно выделяют разделы: радио-, оптической, инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской, гамма-, нейтринной и т. д. астрономии; наземной и внеатмосферной астрономии и т. д. Специфика применения различных вспомогательных физических приборов для решения конкретных задач исследования природы космических объектов, процессов и явлений породила классификацию методов астрономических наблюдений на основе применяемых инструментов: визуальные, телескопические, фотометрические, фотографические, спектрометрические и т. д. и существование соответствующих разделов астрономии. Космические объекты могут рассматриваться как системы определенным образом организованных взаимосвязанных вещественных тел и полевых элементов.

Космические тела — физические тела, рассматриваемые в рамках понятийного аппарата науки астрономии как структурные единицы (элементы) Вселенной; в ряде случаев возможна упрощенная геометрическая интерпретация космических тел как ограниченных участков пространства вместе с их границами.

Небесные тела — космические тела, рассматриваемые в рамках понятийного аппарата классической астрономии без учета особенностей их физической природы, как материальные точки или шары однородной плотности.

Системы космических тел — некоторые количества (множества) находящихся в определенных отношениях, физически взаимосвязанных космических тел, образующих некую качественно отличную от составляющих их элементов структуру.

Небесные светила — видимые проекции космических тел на небесную сферу.

Космические явления — физические явления, возникающие в результате или обусловленные протеканием космических процессов и (или) взаимодействием космических объектов. Классифицируются по типу фундаментального физического взаимодействия, лежащего в основе данного явления.

Небесные явления — космические явления, наблюдаемые с поверхности Земли и (или) обусловленные воздействием космических объектов и процессов на Землю.

Понятийный аппарат астрономии обладает своей классификацией — системой соподчинения понятий (классов объектов), используемой как средство для установления связей между ними и выражающей систему законов, присущих отображенным в ней объектам Вселенной.

Космические объекты классифицируются по существенным признакам, в качестве которых выступают их фундаментальные физические характеристики (масса, размеры и т. д.), структура и характер физических процессов, обеспечивающих их возникновение, существование и развитие.

В основе классификации лежат принципы таксономии — теории классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности, имеющих иерархическое строение, и основные методы типологии и систематики, при последовательном разделении систем объектов и их группировке с помощью обобщенной модели (типа) в целях сравнительного изучения существенных признаков, связей, функций, отношений и уровней организации объектов с учетом специфических особенностей каждого вида и таксона более высокого ранга с выяснением общих свойств у различных таксонов.

Таксонометрия выделяет следующие иерархические категории понятий, которые мы с некоторыми оговорками будем далее использовать для классификации астрономических понятий:

вид => род => семейство => группа => класс => тип.

В качестве основной структурной и классификационной единицы в системах объектов астрономических исследований мы выделяем некоторую совокупность отдельных объектов, обладающих рядом общих существенных признаков по фундаментальным физическим характеристикам — группы космических тел.

Некоторое число групп космических тел, обладающих помимо единого общего признака (свойства), общностью структуры, строения и происхождения, объединяются в классы космических тел.

На основе единого, общего для ряда классов космических тел признака, определяющего все остальные физические свойства и характеристики, единый план строения, структуру, образование и эволюцию, а также характер космических процессов, лежащих в основе их существования, выделяются типы космических тел.

Некоторое элементарно-эмпирическое «донаучное» разделение космических объектов на отдельные классы по их основным физическим характеристикам происходит при изучении соответствующего астрономического материала еще в начальной школе.

Выбор основания для классификации космических объектов, изучаемых в школьном курсе астрономии (физики и астрономии), затрудняется отсутствием единой четкой классификации в «большой науке», возрастными особенностями мышления учащихся и недостатком у них соответствующих физико-математических знаний.

Пространственные характеристики (линейные размеры, объем и т. д.) космических тел неудобны для основ их классификации, поскольку несколько неопределенны (размыты) даже в пределах отдельных интуитивно выделяемых типов космических тел (так, размеры планет лежат в пределах от 104 до 106 м, а размеры звезд — от 104 до 108 м) и пригодны лишь в качестве второстепенного (дополнительного) признака каждого класса объектов.

Временные характеристики (продолжительность существования и т. д.) также могут быть лишь дополнительными признаками космических тел, и не могут быть основой их классификации, поскольку существенно различны даже внутри отдельных групп и классов объектов (так, время жизни звезд-сверхгигантов — 106 — 107 лет, а нормальных звезд и белых карликов до 109 — 1011 лет); в системах космических тел время существования отдельных объектов зависит от характера их взаимодействия (судьбы планетных систем неразрывно связаны с их центральными светилами-звездами; в тесных двойных звездных системах зависят от масс компонент и расстояния между ними и т. д.).

Классификация космических тел по одной из их главных физических характеристик — типам и мерам фундаментальных взаимодействий — представляется нам наиболее удобной.

В курсе физики современной российской школы изучаются все 4 вида фундаментальных физических взаимодействий, однако сильное (ядерное) рассматривается в самых общих чертах лишь в XI классе, где о слабом взаимодействии по сути только упоминается; электромагнитное и гравитационное изучаются на протяжении ряда лет, причем не только в средней, но и в основной 9-летней школе.

Наиболее подробно и традиционно глубоко рассматривается гравитационное взаимодействие — единственное понятие, которое формируется в сознании учащихся в VП — IX классах в относительно полном и обобщенном виде, и связанный с ним комплекс физических процессов и явлений, описываемых в рамках исторически первой физической теории Всемирного тяготения.

В качестве основания для единой классификации космических тел по общему существенному признаку мы выделяем массу — фундаментальную физическую величину, меру гравитационных, инертных свойств и энергии материальных объектов, определяющую практически все физические свойства и характеристики космических тел, их структуру, строение, образование и развитие, «время жизни», характер космических процессов, лежащих в основе их существования и природу значительной части порождаемых ими космических явлений.

На границе значений масс разных классов космических тел происходит значительное изменение физических свойств объектов; на границе значений масс разных типов космических тел изменения приобретают характер качественного скачка.

Рис. 1. Основные группы астрономических понятий

Последовательность классификации несколько нарушается включением в нее отдельных «короткоживущих переходных звеньев» — классов и групп космических тел, являющихся продуктами, начальными или конечными этапами развития основных типов космических тел (протозвезды, планетезимали, волокнистые и планетарные туманности и т. д.). Возможно, в особые классы космических тел следовало бы выделить нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры, но подробное рассмотрение физики этих объектов лежит за пределами возможностей школьного физико-математического образования, позволяющего осуществить лишь беглое знакомство с их природой.

Выделение отдельных групп космических тел внутри каждого класса может осуществляться на основе второстепенных, дополнительных к основному признаков — физических характеристик объектов:

— для туманностей — на основе понятий плотности и условий образования объекта;

— для планетных тел — по их размерам, форме, степени дифференцирования внутреннего строения и химическому составу;

— для звезд — по их светимости, температуре, спектру, плотности, размерам…

Понятия об энергетических характеристиках объектов, мерами которых выступают их светимость и температура (кинетическая и эффективная), могут, наравне с понятием массы, стать основанием для классификации космических тел в старшем звене средней общеобразовательной школы, особенно в физико-математических классах.

В качестве основания для единой классификации космических объектов — систем космических тел — мы предлагаем уровень сложности их организации, определяемый богатством видового состава, численностью и характером взаимодействия космических тел, формирующих структуру данного объекта; в числе второстепенных признаков выступают масса и размеры объектов.

Мы выделяем следующие классы и группы космических объектов — систем космических тел: звездные системы (планетные системы; двойные звезды; кратные звезды); звездные скопления (звездные ассоциации; рассеянные скопления; шаровые скопления); галактики (эллиптические, неправильные, линзовидные, спиральные и т. д.) и их скопления; Метагалактика; Мини-Вселенная; Вселенная.

Системы космических тел с низким уровнем организации выступают в качестве отдельных составных элементов систем космических тел с более высоким уровнем организации (так, планетные системы и двойные звезды входят в состав звездных скоплений, которые в свою очередь входят в состав галактик и т. д.). Предельной по степени общности и объему, обладающей структурностью на всех своих уровнях системой космических объектов выступает Метагалактика — доступная нашим наблюдениям часть Мини-Вселенной (Вселенной) — системы космических объектов (метагалактик) наивысшей масштабности и степени сложности организации материи.

Космические процессы — последовательные изменения или смены состояний (этапов) эволюции космических объектов (космических тел и их систем); физические процессы, обусловливающие возникновение, существование и эволюцию, основные физические характеристики космических объектов и их систем, и механизм возникновения и протекания космических явлений.

Понятия, определяемые как «космические процессы», одновременно входят в понятийный аппарат двух наук — астрономии и физики — и могут классифицироваться по астрономическим и физическим теориям, наиболее полно и всесторонне объясняющим их природу; полное определение космических процессов дается через их описание.

3. Методика проведения урока «Основы сферической астрономии»

Цель урока: формирование системы основных понятий сферической астрономии.

Задачи обучения:

Общеобразовательные: формирование понятий:

— о космических явлениях: обращении Земли вокруг Солнца, вращении Земли вокруг своей оси и о прецессии земной оси и о следствиях вышеперечисленных космических явлений — небесных явлениях: смене дня и ночи, восходе, заходе, суточном и годичном видимом движении и кульминациях светил (Солнца и звезд) и об условиях видимости светил в различных регионах Земли;

— о небесной сфере, основных ее кругах, линиях и точках (зените, надире, математическом горизонте, оси мира, полюсах мира, небесном экваторе, небесном меридиане, суточных параллелях, эклиптике, точках весеннего и осеннего равноденствий и летнего и зимнего солнцестояний) и о созвездиях;

— об астрономических методах ориентации на местности по Солнцу.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания и объяснения повседневно наблюдаемых небесных явлений; борьба с астрологическими предрассудками; политехническое и трудовое воспитание в ходе изложения материала о практических способах применения астрометрических знаний.

Развивающие: формирование умений выполнять упражнения на применение основных формул сферической астрономии при решении расчетных задач и применять подвижную карту звездного неба, звездные атласы, справочники и Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений.

Ученики должны знать:

— причины повседневно наблюдаемых небесных явлений, порожденных вращением Земли вокруг своей оси (смена дня и ночи, восход, заход, видимое суточное движение и кульминации светил) и порожденных обращением Земли вокруг Солнца (смена времен года, видимое годичное движение светил; изменение полуденной высоты Солнца над горизонтом в течение года; видимое перемещение Солнца по эклиптике в течение года; изменение продолжительности светового времени суток в течение года) и об условиях видимости светил в различных регионах Земли;- основные понятия сферической астрономии: созвездие; небесная сфера и ее главные плоскости, линии и точки (математический горизонт, зенит и надир, ось мира, полюса мира, небесный экватор, небесный меридиан; эклиптика, точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний); истинные полдень и полночь;

— основные понятия практической астрометрии: теорему о высоте полюса мира над горизонтом;

— астрономические величины: число созвездий, названия зодиакальных и наиболее заметных созвездий; даты равноденствий и солнцестояний, угол наклона эклиптики к экватору; число звезд, видимых невооруженным глазом.

Ученики должны уметь:

— использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений;

— использовать звездные атласы, подвижную карту звездного неба и Астрономические календари и справочники для определения: 1) времени восхода, кульминации и захода светил; 2) времени прохождения созвездия через местный меридиан для конкретной даты; 3) периода видимости светила или созвездия в данном месте в заданный момент времени; 4) созвездия, в котором находится Солнце в определенный день и приблизительных координат Солнца; 5) продолжительности дня и ночи для любой даты; 6) времени пребывания Солнца в том или ином зодиакальном созвездии;

— ориентироваться на местности по Солнцу.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты из серии слайд-фильмов «Иллюстрированная астрономия»: «Звездное небо».

Диафильмы «Звездное небо»; «Видимое движение небесных светил».

Приборы и инструменты: модель небесной сферы; настенная карта звездного неба; небесный глобус; подвижные карты звездного неба (у каждого ученика); атлас звездного неба А. А. Михайлова; Астрономический календарь на данный год; рисунки и фотографии созвездий; географический глобус; теллурий; высотомер, школьный теодолит.

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:

— Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 3(1−3); 4 (1−2); 5; упражнения: 1 (1−3), 4 (1−3); задание 3 (1).

— Е. П. Левитана: §§ 2; 3(1); 4 (2); вопросы-задания: 2 (1−4); 3; 4 (3−6).

— А. В. Засова, Э. В. Кононовича: §§ 2; 4 (2); упражнения 2. 5, 2. 6

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 31; 44; 51; 67.

План урока

Этапы урока

Содержание

Методы изложения

Время, мин

1

Проверка знаний и актуализация

Фронтальный опрос, беседа

5

2

Изложение нового материала по теме «Небесная сфера: основные круги, линии и точки. Созвездия»

Лекция

10−12

3

Изложение нового материала по теме: «Движение небесных светил. Условия наблюдения небесных светил и явлений»

Лекция

10−12

4

Знакомство школьников с методами ориентации на местности по Солнцу и явлением прецессии

Рассказ учителя

5−7

5

Работа над таблицей «Космические и небесные явления»

Самостоятельная работа

5−7

6

Закрепление изученного материала. Решение задач

Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради

5−7

7

Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание

3

астрономия школьный урок

Методика изложения материала

На первом этапе урока в форме лекции излагается материал «Небесная сфера: основные круги, линии и точки. Созвездия». Положение основных плоскостей, линий и точек небесной сферы указывается на соответствующих схемах (рис. 15−17), выполняемых учителем по мере изложения материала на доске (желательно цветными мелками) и на модели небесной сферы. Демонстрационная настенная карта звездного неба используется при формировании понятия созвездия, блеска небесных светил и, далее, при решении некоторых задач у доски. Ученики должны понимать, что небесная сфера является воображаемой и вводится как вспомогательное понятие, облегчающее определение положения и условий видимости небесных светил и нанесения их на звездную карту. Поскольку радиус Земли ничтожно мал по сравнению с размерами небесной сферы, мы можем в зависимости от целей решаемой нами задачи поместить в ее центр любую точку земной поверхности, центр Земли, всю Землю как материальную точку или Солнце (поэтому понятие небесной сферы находит свое применение в космонавтике для описания видимого движения ИСЗ и других КЛА).

Понятие «созвездие» следует формировать вслед за изучением материала об основных линиях и точках небесной сферы, с выполнением практического задания по изготовлению модели созвездия (см. задания к параграфу). Ученики должны понимать, что созвездие — это не «фигура из звезд», а участок небесной сферы со строго определенными границами и объекты созвездия физически никак не связаны между собой. Нужно сообщить им правила обозначения звезд греческими и латинскими буквами в каждом из созвездий и собственных именах наиболее ярких звезд.

При формировании понятий эклиптики и зодиака нужно оговорить, что эклиптика является проекцией плоскости земной орбиты на небесную сферу. По причине обращения планет вокруг Солнца почти в одной плоскости их видимое движение на небесной сфере будет осуществляться вдоль и вблизи эклиптики с переменной угловой скоростью и периодическим изменением направления движения.

1. Основные круги, линии и точки небесной сферы

Небесные светила — проекции космических тел на небесную сферу.

Благодаря огромной удаленности от Земли небесные светила кажутся находящимися на одинаковом расстоянии от наблюдателя. Необходимость объяснения видимого движения и определения положения светил привела к возникновению понятия небесной сферы.

Небесной сферой называется воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются Небесной сферой называется воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются все светила так, как их видит наблюдатель в определенный момент времени из определенной точки пространства.

Небесная сфера «каноническое» изображение в плоскости небесного меридиан

Точки пересечения небесной сферы с отвесной линией, проходящей через ее центр, называются: верхняя точка — зенитом (z), нижняя точка — надиром (zў). Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим, илиистинным горизонтом (рис. 15).

Десятки тысяч лет назад было замечено, что видимое вращение сферы происходит вокруг некоей невидимой оси. На самом деле видимое вращение неба с востока на запад является следствием вращения Земли с запада на восток.

Диаметр небесной сферы, вокруг которого происходит ее вращение, называется осью мира. Ось мира совпадает с осью вращения Земли. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира (рис. 16).

Небесная сфера: геометрически правильное изображение в ортогональной проекции

Угол наклона оси мира к плоскости математического горизонта (высота полюса мира) равен углу географической широты местности.

Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором (QQў).

Большая окружность, проходящая через полюса мира и зенит, называется небесным меридианом (PNQў Zў Pў SQZ).

Плоскость небесного меридиана пересекается с плоскостью математического горизонта по прямой полуденной линии, которая пересекается с небесной сферой в двух точках: севера (N) и юга (S).

Небесная сфера разбита на 88 созвездий, различающихся по площади, составу, структуре (конфигурации ярких звезд, образующих основной узор созвездия) и другим особенностям.

Созвездие — основная структурная единица разделения звездного неба — участок небесной сферы в строго определенных границах. В состав созвездия включаются все светила — проекции любых космических объектов (Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и т. д.), наблюдаемых в данный момент времени на данном участке небесной сферы. Хотя положение отдельных светил на небесной сфере (Солнца, Луны, планет и даже звезд) изменяется со временем, взаимное положение созвездий на небесной сфере остается постоянным.

Северный полюс мира находится в созвездии Малой Медведицы, в 0,51њ от звезды a Малой Медведицы, называемой «Полярная звезда». Южный полюс мира находится в малозаметном созвездии Октанта. Близость Полярной звезды к Северному полюсу мира позволяет ориентироваться и определять широту местности по наблюдениям Полярной звезды.

Положение эклиптики на небесной сфере

Видимое годичное движение Солнца на фоне звезд происходит по большой окружности небесной сферы — эклиптике (рис. 17). Направление этого медленного движения (около 1њ в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли.

Ось вращения земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный 66њ 33ў. Вследствие этого угол e между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора для земного наблюдателя составляет: e = 23њ 26ў 25,5ў ў.

Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками весеннего (^) иосеннего (d) равноденствий. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени — в созвездии Овна), дата весеннего равноденствия — 20(21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени в созвездии Весов); дата осеннего равноденствия — 22(23) сентября.

Точки, отстоящие на 90њ от точек весеннего равноденствия, называются точками солнцестояний. Летнее солнцестояние приходится на 22 июня, зимнее солнцестояние — на 22 декабря.

Второй этап урока посвящен началу формирования системы понятий о космических и небесных явлениях.

Ученики должны усвоить, что условия видимости светил зависят от положения наблюдателя на поверхности Земли и от времени наблюдения; изложение этого материала должно сопровождаться соответствующими демонстрациями на модели небесной сферы.

Условия видимости Солнца и смена времен года зависят от положения наблюдателя на поверхности Земли и от положения Земли на орбите. Нужно обратить внимание учащихся на небесные явления, порожденные обращением Земли вокруг Солнца: наблюдателю кажется, что Солнце в течение года перемещается по небесной сфере вдоль эклиптики среди зодиакальных созвездий: постоянном изменении полуденной высоты, положение точек восхода и захода Солнца, продолжительность дня и ночи, изменении вида звездного неба в течении года.

Изложение материала должно сопровождаться соответствующими демонстрациями на карте звездного неба, модели небесной сферы и теллурии.

2. Движение небесных светил. Условия наблюдения небесных светил и явлений

Кульминацией светила называется небесное явление прохождения светила через небесный меридиан. Ось мира делит небесный меридиан на 2 части — северную и южную. В северном полушарии в верхней кульминации светило пересекает северную часть небесного меридиана ближе к зениту; в нижней кульминации светило пересекает южную часть небесного меридиана ближе к надиру. Момент верхней кульминации Солнца называется истинным полуднем; момент нижней кульминации Солнца называется истинной полуночью.

Суточные движения светил совершаются по суточным параллелям (рис. 18).

Небесная сфера: небесный меридиан и суточные параллели светил: светила А, В, С в верхней кульминации; светила А', В', С' в нижней кульминации; светило, А — восходящее и заходящее, светило В — незаходящее, светило С — невосходящее

На полюсах Земли суточные параллели светил (за исключением Луны и Солнца) параллельны математическому горизонту. Все светила (кроме Солнца и Луны) являются незаходящими или невосходящими. Небесный экватор параллелен (совпадает) с математическим горизонтом. Верхняя и нижняя кульминации совпадают (рис. 19 а).

а) Северный полюс Земли б) Средние широты Земли в) Экватор Земли

Вид небесной сферы и условия видимости небесных светил из разных точек земной поверхности

В средних широтах Земли небесный экватор пересекается с математическим горизонтом под углом: 90o-j (рис. 19 б). Для верхней кульминации к югу от зенита: h = 90o-j + d; z = j — d.

Если склонение светила (угол между плоскостью небесного экватора и светилом): d < -(90o — j), то оно будет невосходящим.

Если склонение светила: d > (90o — j), оно будет незаходящим.

На экваторе Земли суточные параллели небесных светил перпендикулярны математическому горизонту. Все светила являются восходяще-заходящими. Верхняя кульминация происходит вблизи зенита, нижняя — вблизи надира (рис. 19 в).

Движение Солнца по эклиптике является отображением вращения Земли вокруг Солнца. Эклиптика пролегает через 13 созвездий, называемых зодиакальными (Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Змееносец), а их совокупность — Поясом Зодиака. В каждом зодиакальном созвездии Солнце находится около 1 месяца (кроме Змееносца и Скорпиона). По традиции с времен Древнего Вавилона Змееносец не считается зодиакальным созвездием, хотя и лежит на эклиптике.

Движение Солнца по эклиптике связано со сменой времен года на Земле и климатическими поясами. В Северном полушарии астрономическая весна наступает с пересечением Солнцем небесного экватора 20 (21) марта. Пути Солнца над и под горизонтом равны, поэтому равны и продолжительность дня и ночи. 22 июня Солнце дальше всего от экватора к северу — день летнего солнцестояния, начало астрономического лета. 22 декабря в день зимнего солнцестояния Солнце отходит дальше всего к югу от экватора — день самый короткий, в полдень Солнце стоит низко над горизонтом, начало астрономической зимы (рис. 20).

Видимое перемещение Солнца по небу в течение года

Знакомство школьников с методами ориентации на местности по Солнцу позволяет ученикам немного отдохнуть от восприятия сложного материал и демонстрирует практическую «повседневную» пользу от изучения астрономии. Учащихся физико-математических классов следует ознакомить с обоими способами ориентации по Солнцу; учащихся обыкновенных и гуманитарных классов — только со вторым, упрощенным способом.

1) В истинный полдень Солнце пересекает линию небесного меридиана, проекцией которого на плоскости математического горизонта является полуденная линия «север-юг». Ближайшая к Солнцу точкой горизонта является точка юга. Точное значение момента истинного полудня — момента верхней кульминации Солнца определяется при помощи Астрономического календаря по формуле:

где Т0 — момент восхода или захода Солнца для данной даты данного года, xj — поправка на географическую широту, l — долгота местности, Т1 и Т2 — моменты восхода и захода Солнца сутками раньше и сутками позже. Все эти данные указаны в эфемериде Солнца и соответствующих таблицах Астрономического календаря.

Ориентация по местности по Солнцу с помощью ручных часов

2) Приближенная ориентация по Солнцу при помощи наручных часов: циферблат располагается горизонтально так, чтобы часовая стрелка указывала на точку горизонта под Солнцем. Направление север-юг показывает биссектриса угла между этой стрелкой и направлением из центра циферблата к 13 часам зимой и к 14 часам летом (рис. 21).

Ознакомление учеников с явлением прецессии земной оси играет важную роль в «антиастрологической» пропаганде:

Прецессионное движение земной оси РР'

Медленное конусообразное вращение земной оси с периодом 26 000 лет под действием сил тяготения со стороны Луны и Солнца называется прецессией (рис. 22).

Прецессия меняет положение небесных полюсов. 2700 лет назад вблизи Северного полюса мира находилась звезда a Дракона, названная китайскими астрономами Царственной звездой. В настоящее время Полярной звездой является a Малой Медведицы. К 10 000 году Северный полюс мира сблизится со звездой Денеб, a Лебедя. В 13 600 году полярной звездой станет Вега, a Лиры (рис. 23).

В результате прецессии точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний медленно перемещаются по созвездиям зодиакальным. 5000 лет назад точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца, затем переместилась в созвездие Овна, а сейчас находится в созвездии Рыб. Не знающие азов астрономии астрологи предлагают своим доверчивым читателям сведения, устаревшие на 2000 лет.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой