Астронет > Астрометрия - наука о небесных светилах и небесных явлениях

Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе
http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter3_2.html

Методика преподавания астрономии

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 1 урока
"Астрометрия – наука о небесных светилах и небесных явлениях"

Цель урока: формирование понятий о науке астрометрии, космических и небесных явлениях.

Задачи обучения:

Общеобразовательные: формирование понятий о:
- астрометрии как науке, методах и инструментах астрометрических исследований;
- небесных светилах, небесных явлениях и космических явлениях;
- основах классификации и систематизации космических явлений и общие сведения о вращении Земли вокруг своей оси, обращении Луны вокруг Земли, обращении Земли и других планет Солнечной системы вокруг Солнца и их следствиях – повседневно (часто) наблюдаемых небесных явлениях: смене дня и ночи, видимом движении и кульминациях светил, смене времен года и т.д.;
- истории развития астрономии в Древнем мире и средневековье, гео- и гелиоцентрических теориях и борьбе за научное мировоззрение;
- доказательствах сферичности формы Земли, вращения Земли вокруг своей оси и обращения Земли вокруг Солнца;
- общие сведения о структуре и составе Солнечной системы.

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 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:
- предмет астрометрии, основные методы и инструменты астрометрических наблюдений;
- основные этапы и особенности формирования астрономической картины мира в Древнем мире и в Средние века, исторические предпосылки создания гео- и гелиоцентрической систем мира;
- доказательства сферичности форму Земли, вращения Земли вокруг своей оси и обращения Земли вокруг Солнца;
- причины ряда повседневно (часто) наблюдаемых небесных явлений, порожденных вращением Земли вокруг своей оси, обращением Луны вокруг Земли и обращением Земли вокруг Солнца (смена дня и ночи, фаз Луны, времен года, видимое суточное и годичное движение светил и т.д.).

Ученики должны уметь:
- использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений;
- использовать подвижную карту звездного неба и Астрономические календари и справочники для определения условий видимости светил или созвездий в данном месте в заданный момент времени.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты из серии слайд-фильмов "Иллюстрированная астрономия": "Звездное небо"; "Земля, ее естественный и искусственные спутники"; "Солнце и его семья"; "Необыкновенные небесные явления".

Фрагменты из диафильмов "Что изучает астрономия"; "Звездное небо"; "Видимое движение небесных светил"; "Развитие представлений о Вселенной"; "Как астрономия опровергла религиозные представления о Вселенной"; "Развитие представлений о строении Солнечной системы".

Приборы и инструменты: 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:

Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 2(2); 8; 9.
- Е.П. Левитана: § 8; вопросы-задания.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 1 (4, 5).

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Проверка знаний и актуализация	Фронтальный опрос, беседа	5
2	Изложение нового материала по теме "Астрометрия. Практические применения астрометрических знаний. Методы и инструменты астрометрических исследований"	Повторение, беседа, лекция	7-10
3	Изложение нового материала по теме: "История астрономии. Гео- и гелиоцентрическая системы мира. Строение Солнечной системы. Борьба за научное мировоззрение"	Рассказ учителя, беседа, диспут	10-12
4	Знакомство учеников с доказательствами шарообразности Земли, вращения Земли вокруг своей оси и обращения Земли вокруг Солнца	Беседа, диспут, лекция	10-12
5	Изложение нового материала по теме: "Космические и небесные явления". Знакомство с обобщенным планом изучения космических и небесных явлений. Работа над таблицей "Космические и небесные явления"	Лекция, беседа, самостоятельная работа	10
6	Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание		3

Методика изложения материала

Урок проводится с опорой на астрономические познания учащихся, обретенные ими в курсах природоведения, естествознания, физической географии и физики и "донаучные" представления школьников. Важную роль играет повторение, закрепление и развитие их "старых" астрономических знаний, корректировка и исправление заблуждений и ошибок.

Астрономические знания формируются в свете знакомства с историей человеческого познания. В рамках этого подхода мы считаем возможным перенести в содержание данного урока материал по истории астрономии и угломерным астрометрическим инструментам, для изучения на первом уроке астрономии.

В начале урока следует в форме фронтального опроса, переходящего в беседу и даже массовую дискуссию провести проверку знаний, приобретенных на прошлом уроке, актуализируя предназначенный к изучению материал вопросами: "Что изучает наука астрономия?"; "Какие разделы астрономии вы знаете?" Что изучает астрометрия?"; "Как развивалась астрометрия? Какие ученые внесли наибольший вклад в ее развитие?"; "Как применяются людьми знания по астрометрии?"; "Какие угломерные инструменты вы знаете? Как они устроены и для чего предназначены?". Прояснив уровень познаний учеников, вызвав у них интерес к уроку, учитель сообщает (а если этот материал уже изучен, то напоминает) школьникам:

Астрометрия – исторически первый раздел классической астрономии, основы которого были разработаны уже к II веку н.э., но не потеряли значимости до настоящего времени.

Астрометрия объединяет в себе сферическую астрономию, практическую астрономию и фундаментальную астрометрию.

Сферическая астрономия изучает положение, видимое и собственное движение космических тел и решает задачи, связанные с определением положений светил на небесной сфере, составлением звездных каталогов и карт, теоретическими основами счета времени.

Фундаментальная астрометрия и практическая астрономия занимаются определением фундаментальных астрономических постоянных, времени и географических координат, обеспечивая Службу Времени, вычисление и составление календарей, географических и топографических карт; астрономические методы ориентации широко применяются в мореплавании, авиации и космонавтике.

Основными методами астрометрических исследований являются астрометрические наблюдения и измерения, выполняемые при помощи разнообразных угломерных приборов.

Необходимость измерения углов между небесными светилами и основными точками и линиями небесной сферы и точного определения моментов времени привела к созданию угломерных приборов астрометрии.

Рис. 6. Гномон

Гномон в простейшем варианте представляет собой вертикальный стержень, отбрасывающий тень на горизонтальную плоскость. Зная длину гномона L и измерив длину отбрасываемой им тени l. можно найти угловую высоту Солнца над горизонтом h по формуле: (рис. 6). Древние астрономы использовали гномон для измерения полуденной высоты Солнца в различное время года, главным образом для ведения календаря: гномон позволяет зафиксировать дни летнего и зимнего солнцестояний, определять продолжительность солнечного года, географические координат местности и может использоваться в качестве простейших солнечных часов. Измерения будут тем точнее, чем выше гномон и, следовательно, длиннее отбрасываемая им тень. Самый высокий гномон имел высоту 90 м (Флоренция, XV век).

Высотомер служил для измерения высоты светила над горизонтом (зенитного расстояния) и для измерения угловых расстояний между ними. К данному типу угломерных инструментов относятся простейший угломерный прибор, скафис, звездный посох, квадрант, секстант, октант и модель небесной сферы (армиллярная сфера).

Рис. 7 Простейший высотометр

Простейший высотомер состоит из деревянной линейки с визирами на концах к которым крепится транспортир и небольшой отвес. После наводки линейки на светило производится отсчет его высоты по шкале транспортира (рис. 7). Последовательное уменьшение "работающей" части дуги транспортира до 1/4, 1/6 и 1/8 части окружности соответственно превращает прибор в квадрант, секстант, октант.

Чем крупнее был угломерный инструмент, чем точнее была его градуировка и установка в вертикальной плоскости, тем более точные измерения можно было с ним проводить.

Изобретение телескопа позволило значительно повысить точность астрометрических наблюдений.

Современный угломерный инструмент состоит из вертикального и горизонтального кругов (лимбов) со шкалами измерений, соединенных с соответствующими осями вращения и служащих для отсчета углов, и небольшого телескопа ("астрономической трубы") в роли визира.

Универсальный инструмент предназначен для измерения горизонтальных координат светил с точностью до 5ќ -10ќ в любой точке земного шара и применяется для определения географических координат места наблюдения и азимутов наземных объектов. Для измерения горизонтальных и вертикальных углов в геодезии применяется разновидность универсального инструмента, называющаяся теодолитом. Менее точный, но портативный и простой в обращении секстант позволяет одновременно визировать объекты, между которыми измеряется угол при совмещении их изображения в поле зрения астрономической трубы.

Астрономические трубы меридианного круга и пассажного инструмента строго ориентированы и могут вращаться лишь в плоскости небесного меридиана. Данные инструменты служат для наблюдения светил вблизи кульминаций с целью определения их небесных координат с точностью до 0,1ќ - 1ќ и для определения точного времени по звездам.

Высокоточные приборы - зенит-телескоп (применяются для измерения малых разностей зенитного расстояния звезд вблизи зенита для определения точного значения географической широты обсерватории, изучения движения земных полюсов, определения времени с максимально возможной точностью и т.д.), призменная астролябия, фотографическая зенитная труба и т.д. - требуют стационарной установки на специализированных астрометрических обсерваториях.

Следует напомнить ученикам материал по истории астрономии, особенно положение о том, что:

Насущная практическая потребность в астрономических знаниях для определения времени и ориентации на местности, составления географических карт и календарей стимулировала развитие математики, особенно вычислительной, геометрии и тригонометрии. Изобретение угломерных приборов и создание собственного математического аппарата привело к выделению астрономии из общей суммы человеческих знаний об окружающем мире в отдельную, первую из естественных наук.

I астрономическая революция произошла в различных регионах мира в разное время в промежутке между 1,5 тыс. лет до н.э. и II век н.э. Она была обусловлена прогрессом математических знаний. Главными достижениями ее стало создание сферической астрономии и практической астрометрии, универсальных точных календарей и геоцентрической теории, ставшей итогом развития астрономии античного мира.

К началу XVI века прогресс научно-технических знаний сократил разрыв в степени развития астрономии и других естественных наук. Уровень знаний об окружающем мире стал выше уровня знаний почти не развивавшейся с начала нашей эры астрономии и перестал вписываться в прежние космологические рамки. Потребность приведения в единую систему всей суммы накопленных знаний вместе с первым мощным влиянием физики на астрономию - изобретением телескопа – привела к II астрономической революции XVI-XVII вв. Важнейшими достижениями астрономии Нового времени стали создание, объяснение и подтверждение гелиоцентрической теории.

Следует попросить учеников припомнить и изложить суть гео- и гелиоцентрических систем мира, рассказать об их создателях, предпосылках создания, содержании и следствиях теорий, их основных достоинствах и недостатках. Справочный материал содержится в дополнительном параграфе "История астрономии".

Еще лучше заранее дать задание нескольким ученикам подготовить краткие сообщения на эту тему и дополнительными вопросами вызвать обсуждение этой темы всем классом.

При изложение материала по теме "Борьба за научное мировоззрение" следует избегать штампов и проявить объективность в определении отношений науки и церкви. Учитель должен помнить, что все ученые XV-XVIII вв. были искренне и глубоко религиозными людьми. Н. Коперник (каноник, т.е. настоятель Фромборгского монастыря) никак не мог бояться преследований со стороны инквизиции: его труды были с интересом приняты в Ватикане и плохо – другими учеными, поскольку расчеты движения планет "по теории Коперника" давали меньшую точность в предвычислении положений планет, нежели расчеты "по теории Птолемея". (Следует спросить учеников: почему? Ответ: в теории Коперника планеты движутся равномерно по идеально круглым орбитам. На самом деле орбиты планет имеют форму эллипса, а скорости движения периодически изменяются). Дж. Бруно сожгли в 1600 г. как еретика и политического противника, когда церковь еще не могла юридически преследовать учение Коперника. Труды Коперника были запрещены лишь в 1618 г., через 75 лет после его смерти по чисто политическим причинам: форма Земли тогда уже ни у кого не вызывали сомнений. Идеи шарообразности Земли, движения Земли в пространстве, множественности обитаемых миров и бесконечности Вселенной за 100 лет до Коперника в середине XV века пропагандировал Н. Кребс (Кузанский), один из высших церковных чинов.

На втором этапе урока учащиеся в ходе беседы (фронтального обсуждения, диспута) знакомятся с доказательствами сферичности формы Земли, вращения Земли вокруг своей оси и обращения Земли вокруг Солнца.

Основой может стать проблемная ситуация, в которой учитель сообщает, что в США благоденствует общество сторонников плоской неподвижной Земли, вокруг которой вращается Солнце. В ФРГ (по данным Институтом демоскопии) 11% населения уверены, что Земля является центром Вселенной, а Солнце и другие космические тела вращаются вокруг нее и еще 6 затрудняются с ответом; теорию Коперника считают неверной 24% жителей. Учитель задает вопрос: а вы? Вы знаете, какую форму имеет Земля? Движется ли она в пространстве, а если "да", то как? Как вы можете доказать свое мнение?

Материал сообщается в ходе беседы или диспута, причем роль учителя будет двоякой. На начальном этапе учитель - "адвокат дьявола", показывающий ученикам, сферичность Земли и вращение ее вокруг своей оси и вокруг Солнца – вовсе не очевидные явления, их существование требует научного доказательства. В ходе обсуждения учитель должен комментировать и корректировать высказывания учеников, обобщать их, наталкивать на выводы. В завершении урока учитель становится лектором, сообщающим школьникам научную информацию:

Сферичность формы Земли косвенно доказывается: 1) округлой формой земной тени во время полного лунного затмения (Фалес Милетский, около 600 г. до н.э.); 2) кругосветными путешествиями (первое, под командованием Ф. Магеллана в 1519-22 гг.); 3) градусными измерениями на поверхности Земли при определении ее размеров (от Эратосфена во II в. до н.э. до В.Я. Струве и других ученых в XIX-ХХ вв.). Сферичность Земли окончательно доказывают ее фотографии из космоса.

Вращение Земли вокруг своей оси доказывается многими наблюдениями и физическими экспериментами, в том числе:

Рис. 8

1. "Маятник Фуко". Из раздела физики "Механические колебания и волны" вам известно, что плоскость колебаний математического маятника есть величина постоянная. Опыт с маятником Фуко заключается в наблюдении кажущегося изменения плоскости колебаний математического маятника вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Величина угла смещения маятника зависит от широты местности, увеличиваясь от 0њ в час на экваторе до 15њ в час на полюсах Земли;

. В Ленинграде в здании Исаакиевского собора демонстрировался маятник Фуко длиной 98 м (рис. 8).

2. Проявлениями действия силы инерции вращательного движения тел - силы Кориолиса F_К: при любом движении тел во вращающейся системе сила Кориолиса направлена перпендикулярно оси вращения и скорости тел.

, где R_Å- - радиус Земли, w - угловая скорость вращения Земли; u ₀ - скорость движения тела по поверхности Земли. Следствия:

Рис. 9

Отклонение падающих тел к востоку, объясняемое тем, что с удалением точки от оси вращения Земли возрастает ее линейная скорость. Величина отклонения падающих тел в направлении вращения Земли определяется по формуле: , где h - высота, с которой падает тело, j - широта местности (рис. 9).

Закон Бэра: В северном полушарии сильнее подмываются водой, становятся крутыми и обрывистыми правые берега рек; в южном полушарии сильнее подмываются водой, становятся крутыми и обрывистыми левые берега рек. Пассаты – ветры, дующие от тропиков к экватору, в северном полушарии отклоняются к западу, в южном – к востоку.

Воздушные массы в центре циклона и вода, вытекающая из ванны, закручиваются по спирали к центру: против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном полушарии.

Вращение Земли вокруг своей оси и обращение Земли вокруг Солнца доказывает существование явлений суточных и годичных аберраций и параллакса звезд.

Рис. 10

Аберрация - кажущееся смещение положения светила на небосводе, возникающее за счет движения наблюдателя. определяется как угол между видимым и истинным направлениями на светило вследствие сочетания скорости света и скорости наблюдателя. различают суточную аберрацию, возникающую в результате вращения Земли, и годичную аберрацию, возникающую в результате вращения Земли вокруг Солнца:

, где v - скорость наблюдателя, q - угловое расстояние видимого направления на светило от апекса - точки небосвода, в которую направлена скорость наблюдателя (рис. 10).

Апекс Солнечной системы находится в созвездии Геркулеса. Солнечная система перемещается относительно ближайших звезд со скоростью 20 км/с, и вместе с ними вращается вокруг центра Галактики, двигаясь со скоростью 250 км/с в направлении созвездия Цефея.

Параллактическим смещением называется изменение направления на объект при перемещении наблюдателя.

Рис. 11

Параллакс - видимое ритмичное смещение относительно близких космических тел на фоне относительно далеких вследствие перемещения наблюдателя по поверхности Земли, вращения Земли вокруг своей оси (суточный параллакс) и вращения Земли вокруг Солнца (годичный параллакс) (рис. 11).

Годичный или звездный параллакс заключается в видимом отображении годичного движения Земли небосводе. В геоцентрической теории Земля, являясь центром мира, неподвижна, и звезды сохраняют неизменным свое положение в небе; в гелиоцентрической теории при вращении Земли вокруг Солнца звезды на небе должны описывать крохотные окружности.

На третьем этапе урока мы обозначаем перед учениками главную цель изучения раздела "Основы астрометрии" – формирование системы знаний о космических и небесных явлениях. Напомним определение понятия "космическое явление", сформулируем определение понятия "небесное явление" и объясним ученикам связь между ними:

Космическими явлениями называются физические явления, возникающие при взаимодействии космических тел и протекании космических процессов.

Небесные явления - наблюдаемые с поверхности Земли космические явления, возникающие при взаимодействии космических тел или вследствие воздействия космических процессов и явлений на Землю.

Многие небесные явления - это видимые следствия космических явлений: вращения Земли вокруг своей оси, обращения Луны вокруг Земли и обращения Земли вокруг Солнца.

На данном уроке и ранее, в начальной и основной школе учащихся знакомили с объяснением ряда повседневно наблюдаемых небесных явлений. Для обобщения и систематизации этого материала, предлагаем ученикам объединить сведения об изученных на данном уроке космических и небесных явлениях в таблице и продолжить ее заполнение на последующих уроках по мере изучения соответствующего материала:

Табл. 6.

Космические явления	Небесные явления, возникающие вследствие данных космических явлений
Вращение Земли вокруг оси	Отображения истинного вращения Земли вокруг своей оси: 1) восход и заход светил; 2) смена дня и ночи; 3) суточная аберрация светил; 4) суточный параллакс светил. Физические явления: 1.отклонение падающих тел к востоку; 2.существование сил Кориолиса
Вращение Земли вокруг Солнца	Отображения истинного вращения Земли вокруг Солнца: 1) годичное изменение вида звездного неба 2) годичное движение Солнца по небу; 3) изменение полуденной высоты Солнца над горизонтом в течение года; 4) изменение продолжительности светового времени суток в течение года; 5) смена времен года 6) годичная аберрация светил; 7) годичный параллакс светил

Знакомим учащихся с обобщенным планом изучения космических и небесных явлений (с. ), объясняем правила его использования и то, что в дальнейшем мы будем требовать от них работы по этому плану.

В качестве примера можно предложить школьникам кратко разобрать одно или два известных небесных явления. Как правило, большинство из них выбирает смену дня ночи или смена времен года.

Объяснение и описание небесного явления смены дня и ночи как следствия космического явления вращения Земли вокруг своей оси не вызывает затруднений у выпускников средних школ.

Объяснение явления смены времен года лишь кажется им легким, но на практике вызывает сложности, поскольку школьники изучали этот материал в курсах природоведения и физической географии лишь в самых общих чертах 7-5 лет назад. Поэтому учителю желательно или перенести вопрос объяснения смены времен года на последующие уроки или воспользоваться этими затруднениями как основой для повышения познавательных интересов учащихся и создания проблемной ситуации и сформировать понятие о небесном явлении причины смены времен года на Земле (и других планетах Солнечной системы) с привлечением межпредметных связей с курсом физики, напомнив ученикам (или ознакомив их, если этот материал не изучался ими ранее) определения основных понятий фотометрии и законов освещенности:

Смена времен года

В зависимости от широты местности лучи Солнца падают на поверхность Земли с наклоном, увеличивающимся от экватора к полюсам. Освещенность поверхности Земли будет изменяться по закону:, где Е_э - освещенность Земли на экваторе, j - широта местности, d _¤ - угловое расстояние Солнца от небесного экватора (склонение Солнца).

Смена времен года происходит в результате сочетания вращения Земли вокруг Солнца с постоянством наклона земной оси к плоскости эклиптики.

Рис. 12

В дни весеннего (21 марта) и осеннего (23 сентября) равноденствий Солнце пересекает небесный экватор (рис. 12). d_¤ = 0

Рис. 13

В дни летнего солнцестояния (22 июня) Солнце поднимается над плоскостью небесного экватора в Северном полушарии Земли на наибольшую высоту, равную углу e (рис. 13).

d_¤ > 0, d_¤ = e ,

Рис. 14

В дни зимнего солнцестояния (22 декабря) в Северном полушарии Земли Солнце имеет наименьшую высоту над горизонтом, удаляясь от небесного экватора на наибольшее угловое расстояние, равное углу e (рис.14). d_¤ < 0; d_¤ = -e ; .

Таким образом в течение года в зависимости от широты местности поверхность Земли получает разное количество световой и тепловой энергии. Во время астрономической весны (с 21 марта по 22 июня) и астрономического лета (с 22 июня по 23 сентября) северное полушарие Земли получает больше солнечной энергии, чем астрономической осенью (с 23 сентября по 22 декабря) и астрономической зимой (с 22 декабря по 21 марта). В южном полушарии Земли все происходит наоборот.

Поскольку перигелий - ближайшую к Солнцу точку своей орбиты - Земля проходит 22 декабря, южное полушарие Земли получает солнечной энергии на 6% больше, чем северное полушарие.

Изученный материал закрепляется в ходе решения задач упражнения 1 с применением подвижных карт звездного неба, изготовленных и оформленных учениками в виде домашнего задания. Ввиду дефицита учебников и наглядных пособий, учителю следует иметь запас этих карт (30-35 шт.) в кабинете физики и астрономии, собирая их у оканчивающих школу учеников в конце учебного года. Перед началом выполнения заданий нужно проверить правильность изготовления подвижных карт звездного неба и объяснить правила их использования для определения условий видимости небесных светил.

Упражнение 1:

Пользуясь подвижной картой звездного неба, установите:

а) Как будет выглядеть звездное небо сегодня в 22 часа.
б) Какие из перечисленных ниже созвездий можно увидеть сегодня в данное время: Волопас, Орион, Возничий; Лира, Лебедь, Орел, Пегас, Андромеда, Кассиопея.

2. Установите, какие из нижеперечисленных звезд: a Возничего; g Лебедя; a Малого Пса; a Пегаса; a Большого Пса; a Змееносца; g Андромеды; a Льва; d Цефея можно увидеть:

а) 1 марта в 21 час; б) 10 июня в полночь; в) 20 октября в 3 часа ночи; г) 15 января в 6 часов.

Задачи городской астрономической олимпиады, проводившейся в 2000 г. в г. Магнитогорске:

3. В какой месяц года в полночь Млечный путь пересекает звездное небо с севера на юг?

4. В корейской сказке "Недостойный друг" герою приснилось: "Молодой месяц светил в далеком небе. Но темно было и нежный Скорпион как бриллиантами горел вокруг месяца своими звездами и все глубже, казалось, проникал в синеву темного неба". В какое время года это происходило?

5. Некий ученый (член жюри олимпиады) заявил, что в течении дня тень вокруг некоторых деревьев вращается по часовой стрелке, а вокруг других – против часовой стрелки. Прокомментируйте это заявление.

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>