Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 1 урока
"Солнце"

Цель: формирование фундаментального астрономического понятия "звезда" на примере рассмотрения физической природы и основных характеристик Солнца как ближайшей и наиболее изученной звезды.

Задачи обучения:

Общеобразовательные - формирование понятий:

- об основных характеристиках Солнца как космического тела: массе, размерах, плотности, светимости и солнечной постоянной, движении, вращении, химическом составе и состоянии вещества, магнитном поле, возрасте и т.д.
- о внутреннем строении Солнца (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и солнечной атмосфере (фотосфере, хромосфере, короне);
- об основных параметрах внутреннего строения (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) и возможности расчета этих параметров на основе законов молекулярно-кинетической теории и термодинамики;
- об энергетике Солнца и механизмах переноса энергии из зоны термоядерных реакций в космическое пространство;
- о космических явлениях, наблюдаемых в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер).

Воспитательные:

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:

- в ходе знакомства с определенным типом космических объектов – звездами и при рассмотрении основных физических характеристик Солнца как ближайшей из звезд;
- при изучении материала об энергетике Солнца.

2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о "сотворении мира" в свете данных о природе и возрасте Солнца как звезды, рядовой по своим параметрам.

Развивающие - формирование умений:

- анализировать информацию, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.

Ученики должны знать:

- об основных физических характеристиках Солнца (приближенные значения соответствующих числовых величин;);
- о внутреннем строении (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и структуре атмосферы (фотосфере, хромосфере, короне) Солнца;
- о возможности расчета параметров внутреннего строения Солнца (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) на основе законов физики;
- основные сведения о термоядерных реакциях в недрах Солнца как основе звездной энергетики;
- астрономические величины (солнечная постоянная, температура фотосферы, температура и давление в центре Солнца, массу и размеры Солнца в сравнении с земными).

Ученики должны уметь:

- анализировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, схемы и рисунки телескопического вида Солнца, его внутреннего строения, объектов и явлений в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки);
- диапозитивы из серия слайд-фильмов "Иллюстрированная астрономия": "Солнце"; "Солнце и его семья";
- диафильмы (фрагменты диафильмов): "Солнце и жизнь на Земле";
- кинофильмы (кинофрагменты): "Солнце"; "Солнце – главный источник энергии на Земле";
- таблицы: "Солнце"; "Строение Солнца"; "Солнечная система".

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 22 (1, 2); упр. 19.
- Е.П. Левитана: §§ 18,19 (1-3), 20; вопросы-задания.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 26 (1-2); упр. 26.5 (1-3).

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 332; 333.

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Актуализация астрономических знаний; повторение материала по природоведению (естествознанию), физике и астрономии	Фронтальный опрос, беседа	10
2	Изложение нового материала: 1) Основные физические характеристики Солнца. 2) Внутреннее строение и структура атмосферы; объекты и явления, наблюдаемые в солнечной атмосфере. 3) Энергетика Солнца. 4)Расчет параметров вещества в недрах Солнца	Лекция, беседа, рассказ учителя	20-25
3	Закрепление изученного материала. Решение задач	Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради	10-12
4	Подведение итогов урока. Домашнее задание		3

Методика проведения урока:

Урок начинается с объявления о начале изучения новой, одной из важнейших в курсе астрономии, темы "Солнце и звезды". Учитель объясняет школьникам цель и задачи изучения новой темы: изучение физической природы звезд и звездных систем. Внимание учащихся обращается на следующие положения:

1. Звезды - отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов.
2. Звезды – один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел.
3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.
4. Атомы вещества, из которого состоит наша планета и мы сами образовались свыше 6 миллиардов лет назад в недрах звезд.
5. От ближайшей из звезд – Солнца - зависит существование и развитие жизни на Земле.

Затем в ходе фронтального опроса и беседы с учениками мы повторяем и актуализируем знания о природе Солнца и звезд, обретенные школьниками ранее на уроках природоведения, естествознания, физики среднего и старшего звена, и астрономии первого полугодия XI класса. Следует проверить понимание понятий "космические объекты", "космические тела" и "космические системы". Важную роль играет выяснение уровня и особенностей "донаучных" представлений учеников. Учитель внимательно слушает ответы учеников, записывает (фиксирует) наиболее типичные из них (это позволяет установить общий уровень знаний и характерные ошибки (заблуждения) учащихся) и дополняет, исправляет и обобщает сказанное учениками.

Ученикам задают вопросы:

1. Что такое звезды? Какова их физическая природа (массы, размеры, температура поверхности)? Чем они отличаются от планет и других классов (групп) космических тел?
2. Почему звезды являются самосветящимися телами? Какие процессы служат источниками энергии звезд? Какие звезды самые горячие: красные или голубые?
3. Почему мы видим звезды как маленькие светящиеся точки на ночном небе? Каковы истинные масштабы межзвездных расстояний?
4. В каких единицах измеряют межзвездные расстояния? Определите понятия "световой год" и "парсек".
5. Что такое Солнце? Каково расстояние от Земли до Солнца? Каковы основные характеристики Солнца - масса, размеры (в сравнении с земными), цвет, температура поверхности, химический состав, состояние вещества и т.д. Чем Солнце отличается от Земли и других планет Солнечной системы?
6. Дайте определение понятиям "звезда" и "Солнце".

Далее следует лекционное изложение нового материала. Оно начинается с рассмотрения основных физических характеристик и внутреннего строения Солнца как ближайшей и наиболее подробно изученной звезды. Строение Солнца можно продемонстрировать при помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно, с соответствующими пояснениями, воспроизвести его на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради).

Солнце

Масса Солнца 1,989× 10³⁰ кг, в 333434 раз превышает массу Земли и в 750 раз - всех планетных тел Солнечной системы. Радиус Солнца 695990 км, в 109 раз больше земного. Средняя плотность солнечного вещества 1409 кг/м³, в 3,9 раза ниже плотности Земли. Ускорение силы тяжести на экваторе 279,98 м/с² (28 g). Экватор Солнца наклонен под углом 7,2њ к плоскости эклиптики. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 суток и увеличивается по направлению к полюсам (до 32 суток на широте 60њ ). Внешним слоям Солнца присуще дифференцированное вращение, свойственное жидким и газообразным телам. Солнце обладает магнитным полем со сложной структурой средней напряженностью 1-2 Гс.

Возраст Солнца около 5 млрд. лет.

Видимая звездная величина (блеск) Солнца -26,6^m. Мощность общего излучения Солнца 374× 10²¹ кВт, среднее значение солнечной постоянной 0,13 Дж/с× см². Светимость Солнца 4× 10²⁰ Вт. Земля получает 1/2000000000 часть солнечной энергии: на площадку в 1 м², перпендикулярную солнечным лучам за пределами земной атмосферы приходится 1,36 кВт лучистой энергии.

Температура видимой поверхности (фотосферы) Солнца 5770 К. Спектральный класс Солнца G2, абсолютная звездная величина + 4,96^m.

Химический состав Солнца: водород - 71 %, гелий - 26,5 %, остальные элементы 2,5 %. Солнце не содержит в своем составе неизвестных на Земле химических элементов.

Агрегатное состояние солнечного вещества – ионизированный атомарный газ (плазма). Вглубь Солнца, с увеличением температуры и давления, степень ионизации растет вплоть до полного разрушения атомов в ядре Солнца.

Внутреннее строение Солнца:

Рис. 22. Внутреннее строение Солнца

1. Ядро (зона термоядерных реакций) - центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2× 10¹⁸ Па, температуре 1,5- 1,6× 10⁷ К и плотности плазмы до 16 г/см³ протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.

2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R¤ ) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн. Плавно распределяясь по возрастающему объему вещества, энергия (и, в соответствии с законом Вина, длина) электромагнитных волн постепенно уменьшаются от 10^-11-10^-12 Дж (g - и жесткое рентгеновское излучение) на границе с ядром до 10^-16 Дж (жесткий ультрафиолет) на границе с конвективной зоной, где плотность плазмы составляет около 0,16 г/см³ при давлении до 10¹³ Па и температуре до 10⁶ К.

3. Зона конвекции (0,29 R¤ ) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. Помимо вертикальных, восходящих и нисходящих потоков плазмы, в конвективной зоне наблюдаются локальные, зональные и меридиональные течения от экватора к полюсам со скоростью до 30 м/с. Взаимодействие этих движений солнечного вещества порождает эффект динамо-механизма, порождающего магнитное поле Солнца. В энергию магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону тепловой энергии Солнца. На дне конвективной зоны с 22-летней периодичностью накапливается намагниченная плазма, образующая мощный магнитный слой. Ряд ученых предполагает существование выше него еще нескольких зон генерации магнитных полей; самая верхняя обладает квазидвухлетней периодичностью. У границы с фотосферой формируются ячейки супергрануляции; в области интенсивного перемешивания вещества генерируются мощные акустические (звуковые) колебания. На глубины 0,8-0,9 R¤ появляются первые нейтральные атомы – сначала гелия, затем водорода, выше их концентрация увеличивается.

Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:

Фотосфера (4) - слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 10⁶ Па наблюдается гранулы - ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут - восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. В "обращающем слое" - "видимой поверхности" Солнца при температуре 5770 К формируется все приходящее к Земле солнечное электромагнитное излучение в интервале длин волн от 10^-13 до 5× 10^-2 м с максимумом энергетической светимости в области l = 5,55× 10^-7 м (желтая часть спектра). На фоне непрерывного спектра излучения глубин Солнца наблюдаются черные линии поглощения атомарных газов солнечной фотосферы, называемых фраунгоферовыми линиями. Уменьшение температуры в верхних слоях фотосферы до 4000 К порождает потемнение солнечного диска к краям светила. Светлые участки фотосферы (6), на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна (7).

Фотосфера условно считается "видимой поверхностью" Солнца (хотя на самом деле это тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых обстоятельствах или при помощи специальных приборов.

Хромосфера (5) толщиной около 10⁴ км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Температура вещества повышается от нижней хромосфере падает до 5000 К (при давлении газа около 0,1 Па), а затем в средней и верхней хромосфере возрастает до 10000 К (при давлении 6× 10^-2 Па). Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества – хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной поверхности. На высоту от 10⁴–10⁵ км вздымаются протуберанцы (8) - сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до10²⁵ Дж (9).

В узком переходном слое между хромосферой и короной ионизированные частицы солнечного вещества ускоряются в магнитном поле, и характеризующая их скорость кинетическая температура быстро возрастает до 10⁶ К.

Корона (10) – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т <1,5× 10⁶ К) и внешнюю (Т <3× 10⁶ К), образующую на расстоянии в несколько радиусов Солнца поток солнечного вещества - заряженных частиц (е^-, р) и электромагнитного излучения - солнечный ветер, "дующий" со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700 км/с на полюсах Солнца.

Далее можно в общих чертах ознакомить учеников с энергетикой Солнца (или рассмотреть этот материал позже на уроке "Эволюция звезд"). К сожалению, изложение материала темы "Солнце и звезды" опережает по времени изучение основ атомной и ядерной физики. Это облегчает изучение материала о термоядерных реакциях в курсе физики, но сильно затрудняет формирование понятий об энергетике звезд.

Ниже мы предлагаем 2 варианта изложения материала с опорой на сведения об основных физических характеристиках и химическом составе Солнца. Рассказывая о термоядерных реакциях превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия в недрах Солнца, нужно постоянно оговариваться, что родственные им термоядерные реакции происходят в недрах всех остальных звезд. Ученики должны осознать, что энергетике Солнца и звезд имеет одну природу.

1. Упрощенный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся "обычных" и гуманитарных классов:

Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.

Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2× 10¹⁸ Па! В недрах более массивных звезд температура и давление еще выше.

Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода, 26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.

Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода - протоны - сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются, образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии (рис. 23).

Рис. 23. Термоядерные реакции в недрах Солнца

Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.

Водород – "звездное топливо", "сгорающее" в недрах звезд для того, чтобы они могли жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все меньше водорода и все больше гелия.

Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых звезд-карликов долгий век - они живут десятки миллиардов лет.

Чем больше масса звезды, тем выше давление и температура в её недрах, тем сильнее, с мощным выделением энергии идут термоядерные реакции, тем скорее "сгорает", превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем меньше она живет. У голубых звезд-сверхгигантов недолгий век - они живут всего лишь десятки миллионов лет.

Наше Солнце - желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5 миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.

2. Сложный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся физико-математических классов, предусматривающий использование понятийного аппарата ядерной физики:

Энергетика Солнца и звезд основана на термоядерных реакциях - процессах превращения одних элементарных частиц в другие, сопровождающихся синтезом более тяжелых атомных ядер из более легких, протекающих при высоких (Т>10⁷ К) температурах и давлениях, с выделением огромного количества энергии.

В недрах нормальных звезд происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Общее значение выделившейся энергии, уносимой возникшими в ходе взаимодействия атомных ядер элементарными частицами (g -квантами, нейтрино и т.д.), эквивалентно разности между суммой масс вступающих в реакцию ядер атомов водорода и массой образующегося ядра атома гелия.

Основными типами реакций, происходящих в недрах звезд, являются:

1. Протон-протонный цикл, протекающий при температурах T <= 1,8 * 10⁷К (при описании хода термоядерных реакций сообщаются значения энергии, выделяющейся в ходе каждой отдельной реакции (1 МэВ = 1,6× 10^-13 Дж) и, в скобках, продолжительность реакции - время, за которое число частиц уменьшается вдвое):

2. Азотно-углеродный цикл (CNO), в котором ядра атомов азота и углерода играют роль катализаторов реакции и протекающей при температурах свыше 1,8× 10⁷ К с установлением равновесных концентраций изотопов ¹⁴N (95 %), ¹²С (4 %), и ¹³С (1 %) по массе:

Для звезд с массой М ~ М¤ основным являются протон-протонный цикл, для массивных звезд (M > M¤ ) основным являются азотно-углеродный цикл, протекающий с большей скоростью и большим выделением энергии, чем протон-протонный цикл.

Изложение сведений об энергетике Солнца и звезд позволяет сформировать понятие о космическом процессе существования звезд. Материал может изучаться как на данном занятии, так и на 6 уроке, при изучении сведений об основных параметрах внутреннего строения и эволюции звезд.

Вначале ученикам напоминается определение понятия "существование космических объектов":

Существование космических объектов - квазистационарное состояние равновесия, в котором они пребывают на отдельных, наиболее продолжительных во времени этапах своего развития и которое обеспечивается тем, что все внутренние и внешние силы, действующие на каждую отдельную частицу объекта и весь объект в целом, взаимно уравновешивают друг друга. Существование космических объектов обусловлено внутренними динамическими процессами; все космические объекты, от пылинок межпланетной среды и туманностей до звезд и галактик являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией.

Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового давления) (рис. 24).

Рис. 24. Равновесие сил в недрах звезд

Упрощенные пояснения для учащихся "обычных" и гуманитарных классов:

Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными - мощностью в миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и миллиардов лет.

Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.

Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.

На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них - сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая - сила тяготения - стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и миллиарды лет.

Солнце и звезды - естественные термоядерные реакторы с гравитационным удержанием плазмы. Термоядерные реакции в недрах Солнца и звезд "саморегулируются": рост температуры в центре звезды за счет усиления мощности термоядерных реакций ведет к возрастанию газового (лучевого) давления и расширению звезды в пространстве. Увеличение размеров звезды снижает давление вышележащих слоев вещества на нижележащие под действием силы тяжести, что в свою очередь уменьшает температуру и интенсивность термоядерных реакций в центре звезды.

Для учащихся сильных и физико-математических классов подробное рассмотрение основных особенностей космического процесса существования звезд приводится в материале урока "Эволюция звезд".

Далее можно познакомить учащихся с методами расчета внутренних параметров Солнца и звезд на основе газовых законов. Материал может сообщаться как в форме рассказа учителя, так и в виде проблемного задания, решаемого сообща всем классом под общим руководством педагога. Данный вопрос изложения подробно излагается не только во всех учебниках астрономии и соответствующих методических пособиях [166, 167 и т.д.], но и в некоторых учебниках физики для X-XI классов [А.А. Пинского и т.д.]. В нашем пособии эти сведения содержатся в материале урока "Эволюция звезд".

При изложении этого материала полезно использовать схемы, демонстрирующие изменение температуры и давления в недрах Солнца (рис. 25). Их применение помогает объяснить возникновение конвекции, ее роль в переносе энергии от ядра звезды к внешним слоям, а также, на следующем уроке, природу и механизм возникновения солнечных пятен и факельных полей.

Рис. 25. Температура и давление в недрах и атмосфере Солнца

На заключительном этапе урока можно предложить ученикам выполнить 1-3 задания упражнения 3:

Упражнение 14.

Задачи, предложенные В.Б. Дроздовым [55] (необходимые для решения данные ученики должны найти в учебной и справочной литературе):

1. За какое время масса Солнца вследствие излучения уменьшится на величину массы Земли? (Ответ: при известной светимости L¤ = E¤ (мощности излучения) Солнца в соответствие с СТО масса звезды ежесекундно уменьшается на величину: = 4,26× 10⁹ кг - через 45 млн. лет).
2. К каким последствиям приведет уменьшение массы Солнца? (Ответ: из II закона Ньютона и закона Всемирного тяготения: и Þ . По закону сохранения момента импульса Þ и . Расстояние до планеты увеличивается, а скорость уменьшается. Период обращения планеты Þ ).

3. Задача, предложенная Э.В. Кононовичем [107]:

Определить среднюю плотность Солнца (Решение:).

4. Как по Солнцу узнают о "геофизических опасных" днях?

5. Определите температуру и давление в недрах Солнца: а) на границе зон термоядерных реакций и лучистого переноса; б) на границе зон лучистого переноса и конвекции.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

В силу мировоззренческой и научной значимости материала методика формирования знаний о Солнце подробно рассматривалась в работах многих ученых, астрономов, педагогов вузов и учителей.

1. В пособии "Методика преподавания астрономии" [173] рекомендуется начать изложение материала о Солнце исторической справкой о результатах первых исследований Солнца Г. Галилеем. Далее предполагается упомянуть о том, что солнечное вещество пребывает в состояниях, мало- или вовсе недоступных для воспроизведения в земных лабораториях и указать соответствующие параметры. Методика изложения материала несколько иная, нежели в нашем проекте урока: по мнению авторов, "методически полезно начать формирование общих представлений о Солнце с рассмотрения задачи: зная радиус и массу Солнца, найти температуру, давление и плотность в точке, удаленной на половину радиуса от центра" (с. 171). Далее следует изложение материала об энергетике Солнца, итогом чего должен стать вывод "Солнце и звезды – это своеобразные самоуправляемые термоядерные реакторы". Затем по схеме рис. рассматривается изменение температуры в Солнце и формируются "общие представления" о солнечной атмосфере; обращается внимание на необходимость правильного понимания термина "видимая поверхность" Солнца и объяснение роста температуры в короне.

2. По мнению Г.И. Малаховой [24, с. 57-64], изучение темы "Физическая природа Солнца" следует начинать с определения общих характеристик Солнца. Расстояние от Земли до Солнца и его размеры рассчитывается на основе данных о солнечном параллаксе и видимых угловых размерах диска; масса и средняя плотность Солнца – из III обобщенного закона Кеплера [по нашему мнению, это могут сделать сами ученики в форме домашнего задания, заданного на предшествующем уроке; в классе учитель лишь проверяет и обобщает результаты работы учащихся]. Определение температуры и светимости Солнца по величине солнечной постоянной на основе закона Стефана-Больцмана проводится учителем на доске, а учениками в тетради. Учитель рассказывает о других способах определения температуры космических объектов. Ученики приходят к выводу о том, что вещество на Солнце находится в плазменном состоянии.

Используя фотографии спектров Солнца, водорода, гелия и других химических элементов, учитель объясняет принципы определения химического состава космических тел на основе данных качественного и количественного спектрального анализа. Ученики приходят к выводу о том, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия; на доске и в тетрадях записывается их процентное соотношение.

Далее рассматривается внутреннее строение Солнца, источники его энергии и строение атмосферы. Параметры состояния вещества в недрах Солнца рассчитываются на основе законов молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

Учитель дает определение солнечной активности, перечисляет ее проявления с демонстрацией соответствующих рисунков и фотографий, объясняет механизм их возникновения и протекания.

Можно предложить учащимся выполнить задания, связанные с работой по определению скорости вращения Солнца и линейных размеров проявлений солнечной активности (пятен, факельных полей, протуберанцев) на основе фотографий Солнца, часть которых может быть сделана самими школьниками (см. материал практических работ на с. 144-145). После выполнения работы учитель предлагает сделать общие выводы о скорости и дифференцированном характере вращения Солнца, масштабах проявлений солнечной активности. Более подробные сведения учащиеся получают дома при самостоятельном изучении материала учебников.

Далее формируются понятия о периодичности проявлений солнечной активности и характеризующем уровень солнечной активности числе Вольфа. Среднюю продолжительность циклов солнечной активности ученики определяют на основе анализа данных об уровне солнечной активности: учитель раздает каждому из учеников (или нескольким небольшим группам учащихся) карточки с результатами подсчета чисел Вольфа за несколько десятков лет, ученики строят графики и выделяют 11-летний и 22-летний циклы; объединив свои данные, они приходят к выводу о существовании "векового" цикла. Полученные знания дополняются при работе с солнечными фотографиями: требуется определить, в какую эпоху солнечной активности был сделан каждый снимок и проверить вывод о зависимости числа и размеров пятен, факельных полей, формы короны и т.д. от уровня солнечной активности.

В завершение изучения темы следует рассказать ученикам о солнечно-земных связях и важности прогнозов уровня солнечной активности, работе Службы Солнца.

3. В статье Т.Ж. Стефановой "Урок на тему "Солнце" [275] рассматривалась методика проведения соответствующего урока в школах Болгарии, объединявшего материал, сообщаемый на уроках "Общее строение и атмосфера Солнца" и "Солнечная активность и ее влияние на Землю" в российской школе. Структура урока в целом соответствует предложенной нами в данном пособии:

1. Общие сведения о Солнце.
2. Строение Солнца (ядро, зона лучистого равновесия, конвективная зона, поверхностный слой – фотосфера, хромосфера, корона).
3. Химический состав Солнца.
4. Источник солнечной энергии.
5. Проявления солнечной активности (пятна, факелы, хромосферные вспышки, протуберанцы).
6. Циклы солнечной активности.
7. Солнечно-земные связи и проблемы солнечной активности.

В начале урока ученики сравнивают размеры Солнца и планет Солнечной системы. Для создания соответствующего эмоционального настроя и зрительного образа светила используется материал книги Я.И. Перельмана "Занимательная астрономия" и стихи М.В. Ломоносова; под звуки музыки ученикам демонстрируют цветные слайды о Солнце. Ставится проблема: "знания о центральном теле нашей системы необходимы… поскольку они объясняют полярные сияния, магнитные бури, изменения в сейсмической активности Земли " [последнее не доказано].

Обсуждаются вопросы, связанные с движением Солнца: вращением вокруг своей оси, перемещением относительно ближайших звезд и обращением вокруг центра Галактики.

Схема внутреннего строения Солнца демонстрируется при помощи проектора (эпидиаскопа или кодоскопа). Для рассказа о температуре в недрах и атмосфере Солнца используется схема, подобная приведенной на рис. 26.

Ученики заполняют таблицу 4:

Строение Солнца	Т, К	Структурные элементы	Формы солнечной активности	Действие Солнца на Землю
				Достигают Земли	вызывают
Ядро	13*106
Зона лучистого равновесия
Конвективная зона		Конвективные элементы
Фотосфера	6* 103	Гранулы	Пятна, факелы	Видимое излучение	Изменения в климате
Хромосфера	105	Спикулы	Флоккулы, хромосферные вспышки	Рентгеновское излучение, космические лучи	Ионизацию верхних слоев, магнитные бури
Корона	2* 106	Корональные лучи, корональные конденсации	Протуберанцы	Корпускулярные потоки, солнечный ветер	Полярные сияния

При изучении характеристик атмосферы Солнца перед учениками ставится проблема объяснения повышения температуры в короне. Учащимся сообщается о том, что орбиты Земли и нижних планет лежат внутри солнечной короны. "Из сказанного об атмосфере Солнца делается вывод, что они тесно связаны с процессами в конвективной зоне. При выяснении химическом составе Солнца демонстрируется диапозитив, иллюстрирующий относительное число элементов в нем и обращается внимание на то, что Солнце содержит те же химические элементы, какие есть на Земле. Этот результат интерпретируется как факт, подтверждающий материальное единство Вселенной".

Кратко рассматриваются исторические гипотезы о солнечной энергетике. Термоядерные реакции рассматриваются очень неглубоко, в чисто ознакомительном плане. Так же на чисто качественном уровне излагается материал о проявлениях солнечной активности, механизме их возникновения и, с демонстрацией соответствующего диафильма, о солнечно-земных связях. Поверхностность изложения этих важных вопросов – основной недостаток данного урока, объясняемый нехваткой учебного времени. В заключение урока ученикам предлагается список литературы для самостоятельного изучения вопросов, связанных с эволюцией Солнца.

4. Статью Э.В. Кононовича "Солнце как звезда" об истории расчета внутренних параметров Солнца можно использовать как вспомогательный материал.

5. В статье Е.Ю. Диркова "К изучению темы "Звезды и Солнце" [50] описывается формирование понятий о законах Вина и Стефана-Больцмана (с выводом законов). Для учащихся XI класса материал сложен, он более подходит для студентов V курса физических факультетов. Астрономических сведений как таковых статья не содержит.

<< 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 >>