Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 7 урока
"Видимое движение и конфигурации планет"

Цель урока: формирование понятий о космических и небесных явлениях, связанных с обращением планет вокруг Солнца и видимым движением других космических тел.

Задачи обучения:
Общеобразовательные:

1) систематизация понятий о небесных явлениях: видимом движении и конфигурациях планет, наблюдающихся в результате взаимного перемещения и расположения небесных светил относительно земного наблюдателя;

2) подробное рассмотрение причин и характеристик космического явления обращения планет вокруг Солнца и его следствий - небесных явлений: видимого движения внутренних и внешних планет на небесной сфере и их конфигураций (верхнего и нижнего соединений, элонгаций, противостояний, квадратур).

Воспитательные: формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания и объяснения повседневно наблюдаемых небесных явлений; борьба с религиозными предрассудками.

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

Ученики должны знать:

- причины и основные характеристики небесных явлений, порожденных обращением планет вокруг Солнца (видимое движение внутренних и внешних планет на небесной сфере и их конфигурации);
- основы классификации космических и небесных явлений и соответствующие геометрические схемы;
- понятия сферической астрономии: конфигурации планет (верхнее и нижнее соединения, элонгации, противостояния, квадратуры); сидерический и синодический периоды обращения и вращения планет;
- формулы, выражающие связь между сидерическими и синодическими периодами обращения и вращения планет;
- астрономические величины: сидерические и синодические периоды обращения и вращения планет.

Ученики должны уметь:

- использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений;
- использовать Астрономические календари, справочники и подвижную карту звездного неба для определения условий наступления и протекания данных небесных явлений;
- решать задачи, связанные с расчетом положения и условий видимости планет с учетом формул, выражающих связь сидерических и синодических периодов их обращения и вращения.

Наглядные пособия и демонстрации:

Кинофильмы и кинофрагменты: "Видимое и истинное движение планет", "Петля Марса".
Фрагменты слайд-фильма "Строение Солнечной системы".
Диафильм: "Видимое движение небесных светил".
Таблицы: "Солнечная система".
Приборы и инструменты: подвижные карты звездного неба; Астрономический календарь на данный год; демонстрационная модель планетной системы; карта движения планет.

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 8, 10; упражнение 7.
- Е.П. Левитана: §§ 7, 8; вопросы-задания.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: §§ 7, 8; упражнение 8.7 (1-3).

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 127, 134; 138.

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Проверка знаний и актуализация	Фронтальный опрос, беседа	5-7
2	Формирование понятий о космическом явления обращения планет вокруг Солнца и его следствиях - небесных явлениях: видимого движения планет на небесной сфере и их конфигурациях	Лекция, беседа	20
3	Решение задач	Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради	15-17
4	Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание		3

Методика изложения материала

В начале урока традиционно проводится проверка знаний, приобретенных на прошлом и предыдущих уроках и в ходе фронтального опроса актуализируется предназначенный к изучению материал. Часть учеников работает у доски, а часть выполняет письменные задания, решая задачи, аналогичные основным задачам упражнений 1-5. Дополнительными вопросами являются:

1. Какие небесные явления происходят в результате: вращения Земли вокруг своей оси; обращения Луны вокруг Земли; обращения Земли вокруг Солнца.

2. Дайте описание небесных явлений, порожденных обращением Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца (солнечных и лунных затмений; покрытий звезд и планет Луной; прохождений Венеры и Меркурия по диску Солнца; явлений в системах планет-гигантов; изменения блеска затменно-переменных звезд). Ответы строятся на основе обобщенного плана для изучения космических и небесных явлений с использованием соответствующих геометрических схем.

Рекомендуемые программируемые задания:

1. Укажите причины небесных явлений, отмечая напротив каждого варианта вопроса верный номер варианта ответа, например: А1; Б2; В3 и т.д.

Небесные явления	Космические явления
А. Видимое вращение звездного неба Б. Смена времен года В. Смена дня и ночи Г. Смена фаз Луны Д. Восход и заход небесных светил Е. Видимое движение Солнца по небу в течение дня Ж. Солнечные затмения З. Изменение высоты Солнца над горизонтом в течение года И. Лунные затмения	1) вращения Земли вокруг своей оси; 2) вращения Луны вокруг Земли; 3) вращения Земли вокруг Солнца. Правильные ответы: А1; Б3; В1; Г2; Д1; Е1; Ж 2; З 3; И 2

2. Страут Е.К. [276]: проверочные работы NN 3-4 темы "Практические основы астрономии" (преобразованные учителем в программированные задания).

На первом этапе урока учитель в форме лекции излагает материал о видимом движении и конфигурациях планет.

Характер видимого движения и условий видимости внутренних планет описывается с опорой на схему рис. 48. Сложный петлеобразный характер видимого движения внешних планет лучше всего объяснять с опорой на фрагмент "Видимое и истинное движение планет" или "Видимая петля Марса". В их отсутствие мы рекомендуем учителю построить на доске (а ученикам – в тетрадях) схему рис. 49, сопровождая каждый этап работы соответствующими пояснениями. Желательно сообщить учащимся, какие из планет они могут увидеть на небе в данное время года и объяснить им, как найти эти планеты среди созвездий.

Несовпадение продолжительности синодического и сидерического периодов обращения планет демонстрируют при помощи теллурия. Внутренняя планета совершает 1 оборот вокруг Солнца и возвращается к той же точке орбиты быстрее Земли, внешняя планета – медленнее Земли.

Видимое движение и конфигурации планет

Сложное видимое движение планет на небесной сфере обусловлено обращением планет Солнечной системы вокруг Солнца. Само слово "планета" в переводе с древнегреческого означает "блуждающая" или "бродяга".

Траектория движения небесного тела называется его орбитой. Скорости движения планет по орбитам убывают с удалением планет от Солнца.

По отношению к орбите и условиям видимости с Земли планеты разделяются на внутренние (Меркурий, Венера) и внешние (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон).

Внешние планеты всегда повернуты к Земле стороной, освещаемой Солнцем. Внутренние планеты меняют свои фазы подобно Луне.

Плоскости орбит всех планет Солнечной системы (кроме Плутона) лежат вблизи плоскости эклиптики, отклоняясь от нее: Меркурий на 7њ , Венера на 3,5њ ; у других наклон еще меньше.

Характерные взаимные положения Солнца, Земли и планет называются конфигурациями. Одинаковые конфигурации планет происходят в разных точках их орбит, в разных созвездиях, в разное время года.

Конфигурации, при которых внутренняя планета, Земля и Солнце выстраиваются по одной линии, называются соединениями (рис. 48).

Рис. 48. Конфигурации планет:
Земля в верхнем соединении с Меркурием,
в нижнем соединении с Венерой и в противостоянии с Марсом

Если А - Земля, В - внутренняя планета, С - Солнце, небесное явление называется нижним соединением. В "идеальном" нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.

Если А - Земля, В - Солнце, С - Меркурий или Венера, явление называется верхним соединением. В "идеальном" случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил.

Для системы Земля - Луна - Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, в верхнем соединении - полнолуние.

Рис. 49. Элонгация планет

Предельный угол между Землей, Солнцем и внутренней планетой называется наибольшим удалением или элонгацией и равен: для Меркурия - от 17њ30' до 27њ45' ; для Венеры - до 48њ. Внутренние планеты могут наблюдаться только вблизи Солнца и только по утрам или вечерам, перед восходом или сразу после захода Солнца. Видимость Меркурия не превышает часа, видимость Венеры - 4 часов (рис. 49).

Конфигурация, при которой Солнце, Земля и внешняя планета выстраиваются на одной линии, называется: 1) если А - Солнце, В - Земля, С - внешняя планета - противостоянием; 2) если А - Земля, В - Солнце, С - внешняя планета - соединением планеты с Солнцем (рис. 48).

Конфигурация, в которой Земля, Солнце и планета (Луна) образуют в пространстве прямоугольный треугольник называется квадратурой: восточной при расположении планеты в 90њ к востоку от Солнца и западной при расположении планеты в 90њ к западу от Солнца.

Видимое движение небесных светил целиком складывается из:

1) перемещения наблюдателя по поверхности Земли;
2) вращения Земли вокруг Солнца;
3) собственных движений небесных тел.

Для точных расчетов ученые учитывают движение Солнечной системы относительно ближайших звезд, вращение ее вокруг центра Галактики и движение самой Галактики.

Движение внутренних планет на небесной сфере сводится к их периодическому отдалению от Солнца вдоль эклиптики то к востоку, то к западу на угловое расстояние элонгации.

Рис. 50. Условия видимости внутренних планет

Движение внешних планет на небесной сфере носит более сложный петлеобразный характер. Скорость видимого движения планеты неравномерна, поскольку ее величина определяется векторной суммой собственных скоростей Земли и внешней планеты (рис. 50). Форма и размеры петли планеты зависит от скорости планеты по отношению к Земле и наклона планетной орбиты к эклиптике.

Сидерическим (звездным) периодом обращения планеты называется промежуток времени Т, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по отношению к звездам.

Синодическим периодом обращения планеты называется промежуток времени S между двумя последовательными одноименными конфигурациями.

Для нижних (внутренних) планет: . Для верхних (внешних) планет: .

Продолжительность средних солнечных суток s для планет Солнечной системы зависит от сидерического периода их вращения вокруг своей оси t, направления вращения и сидерического периода обращения вокруг Солнца Т.

Для планет, обладающих прямым направлением вращения вокруг своей оси (тем же, в котором они движутся вокруг Солнца):

Для планет, обладающих обратным направлением вращения (Венера, Уран): .

Формулы связи синодического и сидерического периодов выводят по аналогии с движением часовых стрелок. Аналогией синодического периода S будет промежуток времени между совпадениями часовой и минутной стрелок, аналогией сидерических - периоды вращения часовой стрелки (Т₁ = 12ч) и минутной стрелки (Т₂ = 1ч). Стрелки встречаются вновь в разных местах циферблата. Их угловые скорости равны: ; . За синодический период времени часовая стрелка описывает дугу , минутная стрелка .

=> .

Ученики дополняют табл. 6 сведениями об изученных на уроке космических и небесных явлениях:

 

Космические явления

Небесные явления, возникающие вследствие данных космических явлений

Обращение планет Солнечной системы вокруг Солнца

1. Видимое движение внутренних и внешних планет по небесной сфере. 2. Конфигурации планет: - соединения: верхнее и нижнее; - элонгации (наибольшие удаления); - квадратуры: восточная, западная; - противостояния. 3. Явления в системе Солнце – внутренняя планета: - прохождение Меркурия и Венеры по диску Солнца. - смена фаз внутренних планет (Меркурия и Венеры). 4. Явления в системах планет и их спутников: - изменение положения спутника относительно диска планеты; - прохождения спутников по диску планет; - затмения спутников диском планет. 5. Покрытия звезд дисками планет (планетных тел).

В качестве дополнительного материала можно в общих чертах ознакомить учащихся с рядом атмосферных небесных явлений:

На основе законов геометрической оптики - законов преломления света можно объяснить ряд небесных явлений.

Рис. 52. Астрономическая рефракция

Астрономическая рефракция - явление преломления (искривления) световых лучей при прохождении через атмосферу, вызванное оптической неоднородностью атмосферного воздуха. Вследствие уменьшения плотности атмосферы с высотой искривленный луч света обращен выпуклостью в сторону зенита (рис. 52). Рефракция изменяет зенитное расстояние (высоту) светил по закону: r = a * tg z, где: z - зенитное расстояние, a = 60,25" - постоянная рефракции для земной атмосферы (при t = 0њ С, p = 760 мм. рт. ст.).

Рис.53 Искажение формы и угловых размеров светил атмосферной рефракцией

В зените рефракция минимальна - она возрастает по мере наклона к горизонту до 35' и сильно зависит от физических характеристик атмосферы: состава, плотности, давления, температуры. Вследствие рефракции истинная высота небесных светил всегда меньше их видимой высоты: рефракция "поднимает" изображения светил над их истинными положениями. Искажаются форма и угловые размеры светил: на восходе и закате близ горизонта "сплющиваются" диски Солнца и Луны, поскольку нижний край диска поднимается рефракцией сильнее верхнего (рис. 53).

Искажается показатель преломления света в зависимости от длины волны: при очень чистой атмосфере человек может увидеть на заходе или восходе Солнца редкий "зеленый луч". Поскольку расстояния до звезд несравнимо превосходят их размеры, можно считать звезды точечными источниками света, лучи которых распространяются в пространстве по параллельным прямым. Преломление лучей звездного света в атмосферных слоях (потоках) разной плотности вызывает мерцание звезд - неравномерные усиления и ослабления их блеска, сопровождающиеся изменениями их цвета ("игрой звезд").

Земная атмосфера рассеивает солнечный свет. Рассеяние света происходит на случайных микроскопических неоднородностях плотности воздуха, сгущениях и разрежениях размерами 10^-3-10^-9 м.

Интенсивность рассеяния света обратно пропорциональна четвертой степени длины световой волны (закон Рэлея). Сильнее всего рассеиваются фиолетовые, синие и голубые лучи, слабее всего - оранжевые и красные.

Вследствие этого земное небо имеет днем голубой цвет: наблюдатель воспринимает рассеянный в атмосфере солнечный свет, спектр излучения которого сдвинут в сторону коротких волн. По той же причине далекие леса и горы кажутся нам голубыми и синими.

Диски Солнца и Луны на восходе и закате приобретают красный цвет: с приближением к горизонту удлиняется путь световых лучей, прошедших без рассеяния, спектр их сдвигается в сторону длинных волн. Обратите внимание на зори: вначале узенькая, кроваво-красная полоска утренней зари бледнеет, розовеет, наливается желтизной, а небо в зените из темного, почти черного становится густо-фиолетовым, потом сиреневым, синим и голубым, а вечером все происходит наоборот. Ночью на Земле никогда не бывает абсолютно темно: рассеянный в атмосфере свет звезд и давно зашедшего Солнца создает ничтожно малую освещенность в 0,0003 лк.

Продолжительность светового времени суток - дня всегда превышает промежуток времени от восхода до захода Солнца.

Рассеяние солнечных лучей в земной атмосфере порождает сумерки, плавный переход от светлого времени суток - дня к темному - ночи, и обратно. Сумерки возникают из-за подсвечивания верхних слоев атмосферы Солнцем, находящимся ниже линии горизонта. Продолжительность их определяется положением Солнца на эклиптике и географической широтой места.

Различают гражданские сумерки: период времени от захода Солнца (верхнего края солнечного диска) до его погружения на 6њ -7њ под горизонт; навигационные сумерки - до момента погружения Солнца под горизонт на 12њ и астрономические, - пока угол не составит 18њ . На высоких (± 59,5њ ) широтах Земли наблюдаются белые ночи - явление прямого перехода вечерних сумерек в утренние при отсутствии темного времени суток.
Сумеречные явления наблюдаются также в плотной атмосфере планеты Венера.
Ученики дополняют табл. 6 новыми сведениями:

Космические явления

Небесные явления, возникающие вследствие данных космических явлений

Атмосферные явления

1) Атмосферная рефракция: - искажение небесных координат светил; - необходимость поправки экваториальных координат небесных светил на рефракцию; - искажение формы и угловых размеров небесных светил по высоте на восходе и закате; - мерцание звезд; - "зеленый луч". 2) Рассеяние света в атмосфере Земли: - голубой цвет дневного неба; - синий, сиреневый цвет вечернего (утреннего) неба; - сумерки. - продолжительность светового времени суток (дня) всегда превышает промежуток времени от восхода до захода Солнца; - белые ночи; полярный день и полярная ночь на высоких широтах; - свечение ночного неба; - заря; красный цвет зари; - покраснение дисков Солнца и Луны на восходе и закате.

Материал об условиях видимости планет и продолжительность видимости в различных конфигурациях лучше всего осознается учащимися при решении соответствующих задач с применением подвижных карт звездного неба:

Упражнение 6:

1. 28 ноября 2000 года Юпитер в противостоянии с Солнцем. В каком созвездии находится планета?

2. В каком созвездии находится Меркурий (Венера), если планета сейчас в верхнем (нижнем) соединении с Солнцем?

3. 21 июля 2001 года Меркурий в наибольшей западной элонгации. В каком созвездии в какое время суток и сколько времени можно наблюдать эту планету?

4. Марс в противостоянии виден в созвездии Весов. В каком созвездии находится в это время Солнце?

5. За 2 суток до новолуния, 24 ноября 2000 года Луна проходит в 3њ севернее Меркурия. В каком созвездии в какое время (утром или вечером) следует искать планету?

6. Какова продолжительность года на Марсе, если между двумя противостояниями проходит 780,1^d?

7. Наиболее удобно наблюдать Меркурий вблизи его элонгаций. Почему? Как часто они повторяются, если год на Меркурии равен 58,6^d?

8. Какова продолжительность сидерического периода вращения Юпитера вокруг Солнца, если он в 5 раз дальше от Солнца, нежели Земля? Через какие промежутки времени повторяются его противостояния?

9. Во сколько раз отличаются продолжительности года на Меркурии, Венере, Марсе?

10. Каковы условия видимости Земли с поверхности Луны? Орбиты спутника Венеры? С поверхности Марса?

11. Изготовление модели Солнечной системы на базе модели теллурия: для изучения условий видимости и движения планет вы можете усложнить модель, заставив вращаться вокруг "Солнца" и другие пластилиновые шарики - "планеты": Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн.

12. Изготовление "линейной" модели Солнечной системы. Главным недостатком теллурия как модели Солнечной системы является несоответствие масштабов размеров космических тел и расстояний между ними. Мы предлагаем построить модель Солнечной системы, чтобы вы сами смогли увидеть и сопоставить размеры Солнца и планет с межпланетными расстояниями и размерами Солнечной системы в целом.

Выберем в качестве масштаба соотношение: 1 см размеров в нашей модели соответствует космическим расстояниям в 26 000 километров (табл. 4). Модели планет можно вылепить из разноцветного пластилина или вырезать их из раскрашенной бумаги и наклеить на картон.
Табл. 9
Размеры планет Солнечной системы

Названия планет	Размеры планет	Размеры планет в модели
Солнце	1 392 000 км	54 см 5 мм
Меркурий	4 900 км	2 мм
Венера	12 100 км	5 мм
Земля	12 756 км	5 мм
Марс	6 800 км	3 мм
Юпитер	142 000 км	6 см 5 мм
Сатурн	120 000 км	4 см 8 мм
Уран	50 000 км	2 см
Нептун	50 000 км	2 см
Плутон	2 800 км	1 мм

Поскольку космические расстояния, отделяющие одну планету от другой, в тысячи и десятки тысяч раз превышают размеры самих планет, данную модель нельзя разместить в комнате. Выйдите на улицу и установите модели планет на расстояниях, указанных в табл. 5.

Если вы хотите разместить модель Солнечной системы в своей комнате, уменьшите все указанные в ней размеры в 100 раз.
Табл. 10
Межпланетные расстояния

Название планеты	Расстояние от Солнца, млн. км	Расстояние планеты от Солнца в модели:
Меркурий	58	2 м 24 см
Венера	108	4 м 16 см
Земля	150	5 м 16 см
Марс	228	8 м 77 см
Юпитер	778	29 м 92 см
Сатурн	1 426	54 м 85 см
Уран	2 869	110 м 34 см
Нептун	4 496	172 м 92 см
Плутон	5 900	226 м 92 см
Ближайшая звезда, Проксима Центавра	40 788 000 000	1 557 километров

Г.С. Яхно [327] советует выбрать для межпланетных расстояний масштаб 1:2× 10¹² (в 1 см 20 млн. км), а для диаметров планет 1:1,25× 10⁸ (в 1 см 25000 км) планеты имеют размеры: 2, 5, 5, 3, 5, 48, 20, 20, 3 см; расстояния: 3, 6, 8, 12, 39, 71, 143, 225, 295 см. В более наглядной модели расстояния уменьшаются в 500 млрд. раз и равны12 см…. 12 м; размеры планет – в 1 млрд. раз: Земля – 1,3 см, Солнце – 140 см и т.д.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

В.Б. Нижник и Н.А. Гринченко в статье "К выявлению причины петлеобразного движения планет" [193] описывают изготовление и применение модели для демонстрации петлеобразного движения внешних планет на основе "заводской" вращающейся модели Солнечной системы.

Задания из сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина [289]:

4.10. На Земле солнечные сутки длиннее звездных, а на Венере – наоборот. Почему? (для решения нужно помнить, что Земля вращается вокруг своей оси в противоположном направлении от направления, в котором она обращается вокруг Солнца. Венера – единственная из планет Солнечной системы, вращающаяся в том же направлении, в котором она обращается вокруг Солнца. Солнце на Венере опускается за горизонт раньше звезд, одновременно с которыми оно взошло).

4.13. Считается, что у Венеры бывает либо утренняя, либо вечерняя видимость. А можно ли наблюдать Венеру в течение одних суток и утром и вечером? (Ответ: "да". Явление "двойной видимости" Венеры наблюдается в случае большого различия между склонениями Солнца и Венеры. В этом случае в средних и северных широтах Венера всходит чуть раньше Солнца, а заходит чуть позже Солнца).

Л.И. Селиванова [267] рекомендует нетрадиционный способ построения уроков в форме игры "Что? Где? Когда?" после урока-лекции на данную тему. Он включает в себя выступления учащихся, демонстрации сделанных ими моделей простейших астрономических инструментов с рассказом об их назначении и т.д. Вопросы к занятию готовит учитель вместе с учащимися.

План урока:

1.Все ученики разбиваются на команды по 4 человека; каждая объявляет свой номер и капитана, получает листы с номерами вопросов, записанных на доске.
2. Ведущий рассказывает об условиях игры и представляет право выбрать вопрос 1 команде.
3. Зачитывается вопрос; после 30-секундного обдумывания дается ответ.
4. Эксперты оценивают его и оглашают результат. При неверном (неполном) ответе команде помогают соперники, это им зачитывается.
5. Далее по 1 вопросу играют остальные команды; после музыкальной паузы игра идет по кругу.
6. По итогам игры выставляются отметки командам и игрокам.

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Публикации с ключевыми словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача Публикации со словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача

См. также: Иллюзия одинаковых цветов Очные курсы дополнительного образования "Астрономия в современной школе" Загадочные зелёные пятна в облаках Астероидно-кометная опасность – грозит ли нам "Армагеддон" ? Лекторий Планетария открывает двери Syfy Poehali Party в Политехническом музее Исследование кометы 2010 года по наблюдениям с космической орбитальной обсерватории SOHO. Все публикации на ту же тему >>