 |
Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter4_0.html |
| << Предыдущая |
ОСНОВЫ НЕБЕСНОЙ
МЕХАНИКИ
(5 + 1 ч.)
Небесная механика – раздел астрономии, изучающий движение космических тел в их общем гравитационном поле с учетом действия давления излучения, сопротивления среды, изменения массы и других факторов. Исследование движения небесных объектов предусматривает установление общих закономерностей движения и определение для произвольного момента времени положения и скорости изучаемого объекта по отношению к избранной системе координат. Опираясь на данные астрометрии, законы классической механики и математические методы исследования, небесная механика определяет траектории и характеристики движения космических тел, значение ряда астрономических постоянных, составление эфемерид, служит теоретической основой космонавтики.
Небесная механика как астрономическая наука основана на физической теориях Всемирного тяготения. Почти все рассматриваемые небесной механикой космические явления могут объясняться в рамках трех разделов механики: кинематики, динамики и статики. В небесной механике как и в классической механике – разделе физики основной задачей является определение положения материальной точки при известных начальных координатах и скорости в любой последующий момент времени. Поскольку расстояния между космическими объектами во много раз больше их размеров, понятие "космического тела" в небесной механике часто заменяется понятием "небесного тела" – астрономическим аналогом понятия "материальная точка" в физике.
Методика преподавания основ небесной механики подробно разрабатывалась на протяжение полутора столетий. Цели и задачи ее преподавания на протяжении ХХ века неоднократно изменялись. В начале века основы небесной механики были вторым по значимости (после астрометрии) разделом астрономии, изучавшемся в средних учебных заведениях России; на его изучение отводилось до 30-40% учебного времени курса космографии. В рамках данного раздела ученики получали понятие о научных методах исследования космических объектов, их физической природе, строении, структуре и свойствах Вселенной. В современной школе данную "экологическую нишу" занимает материал по астрофизике. Основной акцент делался на углубленное изучение как теоретических, так и практических основ науки; материал излагался подробно и математизировано.
В первые годы Советской власти, в Советском Союзе 20-30-х годов объем изучаемого материала по небесной механике несколько уменьшился и стал менее математизированным, но более "идеологичным", имеющим особое значение для формирования материалистического мировоззрения и антирелигиозной пропаганды.
В 50-80-е годы бурное развитие астрофизики, космогонии и космологии привело к дальнейшему сокращению объема материала по небесной механике – до 20% курса астрономии средней школы. Однако его структура и методика изложения не претерпели существенных изменений; на это не повлияло даже начало эры космических исследований. Основные требования к качеству его усвоения учащимися снизились, но не столь значительно, как это произошло с астрометрией.
Цель сообщения знаний по небесной механике в курсе астрономии современных средних учебных заведений: объяснение гравитационно-обусловленных космических явлений, связанных с движением космических тел, на основе сведений по астрометрии, законов физики (кинематики, динамики, статики), теории Всемирного тяготения с опорой на систему основных понятий небесной механики (небесное тело; орбита; законы Кеплера; возмущения) с генерализацией учебного материала вокруг понятия "космическое явление".
Задачи обучения:
Общеобразовательные: формирование понятий:
- о небесной механике (о предмете,
методах и инструментах небесной механики,
ее связи с другими науками и основных
этапах развития);
- о гравитационно-обусловленных космических
процессах: существовании гравитационно-связанных
звездных и планетных космических систем,
движении космических тел вокруг центра
масс системы, существовании спутников,
сферичности формы и существование атмосфер
у массивных космических тел;
- о космических явлениях, порожденных
гравитационным взаимодействием
космических тел: движении космических тел в
центральном поле тяготения, возмущениях и
их следствиях (изменении характеристик
орбитального движения, аккреции, захвате);
- о невозмущенном и возмущенном движении
космических тел и задачах 2-х, 3-х и n–тел;
- о масштабах и основных физических
характеристиках (массе, размерах, средней
плотности) объектов Солнечной системы.
- об явлениях, порожденных гравитационным
воздействием космических тел на Землю (приливах
и отливах, прецессии и нутациях, изменении
скорости вращения Земли);
- о законах движения космических тел в
центральных полях тяготения (законах
Кеплера);
- о связи между формой орбиты и скоростью
движения космических тел и о космических
скоростях;
- об астрономических единицах измерения
межпланетных и межзвездных расстояний (астрономической
единице, световом годе, парсеке);
- об основных способах определения основных
физических характеристик космических тел:
расстояния и размеров (параллактическим и
радиолокационным методами), массы и
плотности (на основе уточненного III закона
Кеплера) и соответствующие формулах;
- о теоретических и практических
предпосылках, задачах и методах
космических исследований и связи
космонавтики с естественно-математическими
науками и с техникой;
- о практическом применении средств
космонавтики в науке, технике, культуре,
промышленности и сельском хозяйстве;
- о средствах космонавтики - космических
летательных аппаратах (КЛА),
ракетоносителях (РН), искусственных
спутниках Земли (ИСЗ); космических кораблях
(КК), орбитальных станциях (ОС),
автоматических межпланетных станциях (АМС)
и основных типах ракетных двигателей (РДТТ,
ЖРД, ЭРД, ЯРД);
- о траекториях, скоростях и особенностях
движения КЛА, особенностях межпланетной и
межзвездной навигации.
- об истории космических исследований в
России и за рубежом.
Воспитательные:
1) Формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания (создания и проверки теории Всемирного тяготения и законов классической механики, открытии планет Нептуна и Плутона, исследования основных характеристик объектов Солнечной системы и ее структуры), масштабами космических расстояний, основными физическими характеристиками космических тел и причинами космических и небесных явлений, обусловленных движением космических тел, объяснения причин явлений, обусловленных гравитационным воздействием космических объектов на Землю и о роли гравитационно-обусловленных космических процессов во Вселенной.
2) Патриотическое воспитание при ознакомлении с выдающейся ролью российской науки и техники в развитии космонавтики.
3) Политехническое и трудовое воспитание в ходе изложения материала о практических способах применения знаний небесной механики и космонавтики.
Развивающие: формирование умений:
1) анализировать и систематизировать изучаемый материал, классифицировать понятия, делать обобщения и выводы, отстаивать свою точку зрения,
2) решать задачи на применение: законов движения космических тел Кеплера; формул космических скоростей; формулы Циолковского для расчета космических расстояний, размеров, масс и плотностей космических тел и описания движения КЛА.
3) готовить доклады и сообщения, выступать перед аудиторией и отстаивать свою точку зрения.
Школьники должны усвоить, что в изучении ими курса астрономии наступает новый этап, связанный с переходом от описания видимых небесных явлений и их причин – космических явлений к подробному рассмотрению физической природы и основных характеристик самих космических явлений и, отчасти, связанных с ними космических объектов и процессов. При этом происходит не только расширение, но и значительное углубление астрономических знаний учащихся.
В разделе "Небесная механика" ученики знакомятся с гравитационно-обусловленными космическими процессами существовании гравитационно-связанных звездных и планетных космических систем, движении космических тел вокруг центра масс системы, существовании спутников, сферичности формы и существование атмосфер у массивных космических тел. Изучение данного материала может осуществляться согласно обобщенному плану:
1. Определение космического процесса.
2. Качественные и количественные характеристики и условия протекания.3. Физическая сущность космического процесса (какие физические явления и процессы обусловили его возникновение и протекание).
4. Следствия космического процесса (влияние на возникновение и эволюцию космических объектов и их систем и на возникновение и протекание космических явлений).
5. Влияние космического процесса на основные геосферные процессы, возникновение и эволюцию жизни и разума на Земле и во Вселенной.
Желательно ознакомить учеников с обобщенным планом изучения космических процессов, но требовать от них работы по этому плану еще рано.
Формирование системы основных понятий небесной механики может осуществляться различными путями, в зависимости от интересов учащихся и уровня их физико-математической подготовки, с генерализацией всего учебного материала вокруг закона Всемирного тяготения.
В классах со слабой физико-математической подготовкой, гуманитарным или химико-биологическим уклоном материал излагается упрощенно, с минимальной математизацией, почти без формул. Основной упор делается на описание физической природы космических явлений.
В сильных и физико-математических классах материал излагается на более глубоком научном уровне: основной упор делается на рассмотрение физических характеристик и причин космических явлений.
Формирование понятий о космических явлениях осуществляется на основе обобщенного плана их изучения с применением простейших геометрических схем.
Одним из основных недостатков современных учебников астрономии средних учебных заведений является почти полное отсутствие материала о теоретических и практических основах космонавтики и достижениях Советского Союза (России) в области исследования и освоения космического пространства. Ни в одном из отечественных учебников астрономии нет ни одного отдельного параграфа по космонавтике (в учебниках ГДР они были!), хотя астрономическая общественность и ученые-астрономы и педагоги обращают внимание на это 40 лет подряд! Учителю следует отвести на изучение основ космонавтики не менее одного урока.
При изложении сведений по небесной механике следует помнить, что постоянное развитие технических возможностей наблюдательной астрономии с каждым годом увеличивает число ее объектов исследований: ежегодно открываются новые астероиды, кометы и объекты пояса Койпера; большой интерес вызывает изучение структуры и характеристик колец планет-гигантов. В будущем объектами небесной механики станут компоненты двойных и кратных звездных систем и планетных систем у других звезд и проблемы звездной и галактической динамики.
Ученики должны знать:
- о небесной механике (предмете ее исследований, связи с другими науками, основных этапах истории и ученых, внесших наибольший вклад в развитие небесной механики);- основные понятия небесной механики: небесное тело; орбита и основные параметры орбиты; космические скорости; законы Кеплера; возмущения; задачи 2-х, 3-х и n–тел; спутники; захват; аккреция; приливы (приливное ускорение); прецессия и нутации.
- о роли гравитации в космических процессах существования космических систем, звезд и планет;
- космические явления, порожденные гравитационным взаимодействием космических тел: движение космических тел в центральном поле тяготения, возмущения и их следствия (изменении характеристик орбитального движения, аккреции, захвате);
- объяснение явлений, обусловленных гравитационным воздействием космических тел на Землю (приливы, прецессия, изменение скорости вращения Земли);
- основные способы определения основных физических характеристик космических тел (расстояния, размеров, массы, плотности) и соответствующие формулы;
- основные астрономические величины, изучавшиеся в теме "Основы небесной механики": формы орбит космических тел; значения I, II, III космических скоростей (для Земли); значение единиц измерения космических расстояний (астрономической единицы, светового года и парсека) и формулы, выражающие связь между этими величинами;
- теоретические и практические основы космонавтики (о ее предмете, задаче и методах исследований, связи с другими науками, основных этапах истории космонавтики и ученых, внесших наибольший вклад в ее развитие и о практическом применении космонавтики; о средствах космонавтики: основных типах КЛА и РД, их устройстве и характеристиках; основных типах, формуле Циолковского, траекториях полета КЛА и особенностях межпланетной и межзвездной навигации).
Ученики должны уметь:
- анализировать и
систематизировать изучаемый материал,
классифицировать понятия,
- использовать обобщенные планы изучения
космических и небесных явлений;
- выполнять упражнения на применение
основных формул небесной механики,
астрометрии и космонавтики при решении
расчетных задач (определения характеристик
движения (орбит и скоростей) космических
тел и КЛА в центральных полях тяготения (в
рамках задачи 2-х тел), космических
расстояний, размеров, масс и плотностей
космических объектов);
- готовить доклады и сообщения, выступать
перед аудиторией и отстаивать свою точку
зрения.
Основы небесной механики объединяют в себе материал разделов наиболее распространенных в современной российской школе школьных учебников астрономии:
1. Тему "Движение небесных тел"
учебника Б.А. Воронцова-Вельяминова.
2. Тему "Строение Солнечной системы"
учебника Е.П. Левитана.
3. Тему "Законы движения небесных тел"
учебника А.В. Засова, Э.В. Кононовича.
План изучения темы и краткое содержание каждого урока:
1. Законы движения космических тел (небесная механика; движение космических тел в центральном поле тяготения; космические скорости; законы Кеплера).
2. Определение физических характеристик космических тел (способы определения космических расстояний, размеров и масс космических тел; единицы измерения космических расстояний).
3. Космические следствия закона Всемирного тяготения (космические явления: возмущения, аккреция, захват, существование спутников, сферичность космических тел; задачи 2-х, 3-х и n–тел; космические процессы существования космических систем, звезд и планет; явления, порожденных гравитационным воздействием космических тел на Землю: приливы, прецессия, изменение скорости вращения Земли).
4. Основы космонавтики (теоретические и практические предпосылки; средства космонавтики (основные типы КЛА и РД); особенности межпланетной и межзвездной навигации).
5. Внеклассное мероприятие "История космонавтики" (основные этапы космических исследований в России и за рубежом; практическое применение космонавтики).
6. Повторение материала раздела "Основы небесной механики". Решение задач. Контрольная работа.
Альтернативные варианты поурочного планирования, разработанные другими российскими астрономами-методистами, приводятся на с. .
По мнению Е.К. Страута, Ю.П. Сергиенко [281] данный раздел учебника астрономии должен иметь структуру, ориентированную на раскрытие взаимосвязи отдельных сторон исследования Солнечной системы и демонстрацию логики научного познания. Вывод о значении борьбы сторонников гелиоцентрической теории за научное мировоззрение открывает большие возможности в ходе изучения материала об изучении структуры и масштабов Солнечной системы, законов движения планет и открытия закона Всемирного тяготения показать, что все эти достижения стали прямым следствием "революционного переворота, начатого Коперником".
Дополнительные сведения по истории небесной механики учитель может почерпнуть из параграфа "История астрономии" (с. 88).
Рекомендуемая литература:
1. Астрономический календарь.
Постоянная часть / Под ред. В.К. Абалакина. - М.:
Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. – 704 с.
2. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс
общей астрономии: Учебник для пед. вузов. - М.:
Наука, 1986.
3. Гребенников Е.А., Рябов Ю.А. Поиски и
открытия планет. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат.
лит., 1984. – 224 с.
4. Глушко В.П. Развитие ракетостроения и
космонавтики в СССР. – М.: Машиностроение,
1987. – 304 с.
5. Гурштейн А.А. Извечные тайны неба. М.:
Просвещение, 1990. – 272 с.
6. Еремеева А.И. Астрономическая картина
мира и ее творцы. - М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат.
лит., 1984. – 224 с.
7. Космонавтика: Маленькая энциклопедия.
– М.: "Советская энциклопедия", 1968.
– 528 с.
8. Космос – Земле. М.: Наука, 1981. – 152 с.
9. Левантовский В.И. Механика космического
полета в элементарном изложении. - М.: Наука:
Гл. ред. физ.-мат. лит., 1980. – 512 с.
10. Куликов К.А. Астрономия в народном
хозяйстве. - М.: Наука, 1981. –168 с.
11. Физика космоса: Маленькая энциклопедия /
Редкол.: Р.А. Сюняев и др. – М.: Сов.
Энциклопедия, 1986. – 783 с.
| << Предыдущая |