 |
Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter8_02.html |
| << Предыдущая |
Методика проведения 1
урока
"Наша Галактика"
Цель: формирование понятия о нашей Галактике.
Задачи обучения:
Общеобразовательные - формирование астрономических понятий:
1) о галактиках как одной из
основных типов космических систем на
примере рассмотрения физической природы и
основных характеристик нашей Галактики:
- основных физических характеристик нашей
Галактики (массы, размеров, формы,
светимости, возраста, образующих ее
космических объектов и их числа);
- строения Галактики и основных типов
галактического населения.
2) о межзвездной среде, ее газовой и пылевой
составляющих и о космических лучах.
3) о взаимосвязи эволюции космической среды
в Галактике с эволюцией звезд.
Воспитательные:
1) Формирование научного
мировоззрения учащихся:
- в ходе знакомства с историей изучения и
природой Галактики и ее основными
физическими характеристиками, строением и
составом;
- на основе раскрытия философских положений
о материальном единстве и познаваемости
мира при изложении астрономического
материала о природе Галактики;
2) Политехническое образование и трудовое
воспитание при повторении и углублении
знаний о методах и инструментах,
применяемых для изучения Галактики (спектральный
анализ, радиоастрономия (радиотелескопы),
ИК – астрономия и т.д.).
Развивающие: формирование умений
анализировать информацию, объяснять
свойства космических систем на основе
важнейших физических теорий, использовать
обобщенный план для изучения космических
объектов, делать выводы.
Ученики должны знать: основные признаки понятия "галактика" как отдельного типа космических систем и главные физические характеристики, строение и состав нашей Галактики.
Ученики должны уметь: анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы.
Наглядные пособия и демонстрации:
- фотографии, схемы и рисунки
спиральных галактик, подобных нашей
Галактике; Млечного Пути, рассеянных и
шаровых скоплений; строения нашей
Галактики;
- диапозитивы из серий слайд-фильма
"Иллюстрированная астрономия: "Звезды
и галактики"; "Галактики, эволюция
Вселенной";
- диафильмы и фрагменты диафильмов:
"Развитие представлений о Вселенной";
"Галактики"; "Строение Вселенной";
- фрагменты кинофильма "Вселенная";
- таблицы: "Радиоастрономия"; "Звездные
скопления, туманности, Галактика"; "Млечный
Путь"; "Галактики";
- наглядные пособия и ТСО: настенная и
подвижные карты звездного неба.
План урока
|
Этапы урока |
Содержание |
Методы изложения |
Время, мин |
|
1 |
Повторение и актуализация астрономических знаний |
Фронтальный опрос, беседа |
10 |
|
2 |
Изложение нового материала: |
Лекция, беседа, рассказ учителя |
20-25 |
|
3 |
Закрепление изученного материала. Решение задач |
Работа у доски, решение задач в тетради |
10-12 |
|
4 |
Подведение итогов урока. Домашнее задание |
3 |
|
Задание на дом: по материалу учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова:
изучить §§ 27, 28; вопросы к параграфам.
- Е.П. Левитана: изучить § 28; вопросы к
параграфу.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: изучить
§§ 28-30; вопросы к параграфам; упр. 28.4, 29.4
(4)
Методика проведения урока:
Учитель объявляет школьникам цель и задачи данного урока: изучение нашей Галактики. Производится актуализация "донаучных" познаний о природе нашей Галактики и других галактик и повторение материала о космических (звездных) системах. Ученикам задают вопросы:
1. Что такое космическая система?
Какие космические системы вы знаете? Какими
характеристиками и свойствами они обладают?
2. По каким признакам классифицируются
известные вам космические системы?
3. Что такое Галактика? Являются ли
синонимами слова "Галактика" и "Млечный
Путь"?
4. Что вы знаете о нашей Галактике? Каковы ее
размеры? Форма? Какие космические объекты
входят в ее состав?
5. Существуют ли во Вселенной другие
галактики? Что вы о них знаете?
Далее в форме лекции (рассказа учителя), сопровождаемом соответствующими демонстрациями, излагается новый материал.
При сообщении сведений об основных физических характеристиках Галактики необходимо обратить внимание учеников на трудности ее исследования, обусловленные тем, что мы наблюдаем Галактику "изнутри". В пособии [174] рекомендуется использовать аналогию, задав ученикам вопрос: как легче и точнее составить план вашего города: из при наблюдениях из окна своего одного дома или по данным аэрофотосъемки? Нужно объяснить ученикам, как основные детали структуры Галактики (галактический диск, ядро) наблюдаются на звездном небе Земли. Строение Галактики можно продемонстрировать при помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно с соответствующими пояснениями воспроизвести ее на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради). Количественные характеристики Галактики желательно сообщать как в числовой форме, так и в сравнении с размерами известных им объектов.
Ученики должны понимать, что Галактика является гравитационно-связанной космической системой: силы тяготения играют решающую роль в ее существовании и наряду с силами инерции и силами электромагнитной природы определяют структуру и основные свойства Галактики.
Наша Галактика
Наша Галактика - спиральная система массой от 2× 1011 М¤ до 8,5-11,5× 1011 М¤ (2,3× 1042 кг), радиусом около 1,5-2× 104 пк и светимостью 2-4× 1010 L¤ . Галактика состоит из 150-200 миллиардов звезд и множества других космических объектов: более 6000 галактических молекулярных облаков, содержащих в себе до 50% межзвездного газа, туманностей, планетных тел и их систем, нейтронных звезд, белых и коричневых карликов, черных дыр, космической пыли и газа. Диск Галактики пронизан крупномасштабным магнитным полем, удерживающим частицы космических лучей и заставляющим их двигаться вдоль магнитных линий по винтовым траекториям. 85-95% массы Галактики сосредоточено в звездах, 5-15% - в межзвездном диффузном газе. Массовая доля тяжелых элементов в химическом составе Галактики составляет 2%. Возраст Галактики 14,4 ± 1,3 млрд. лет. Большая часть звезд Галактики образовалась свыше 9 млрд. лет назад.
Основная часть образующих Галактику звезд наблюдается с Земли как опоясывающая все небо белесая, слабосветящаяся полоса неправильных очертаний - Млечный путь, в котором сливается сияние миллиардов слабосветящихся звезд.
Мы наблюдаем свою Галактику изнутри, что затрудняет определение ее формы, структуры и некоторых физических характеристик. Телескопическим наблюдениям доступно лишь 109 звезд - до 1% всех звезд Галактики.
Ядро Галактики наблюдается в созвездии Стрельца (a = 17h38m, d = -30њ ), занимая часть созвездий Щита, Скорпиона и Змееносца. Ядро полностью скрыто за мощными темными газопылевыми облаками (ГМО) общей массой 3× 108 М¤ в 700 пк от центра Галактики, поглощающими видимое, но пропускающими радио- и инфракрасное излучение. В их отсутствие ядро Галактики было бы самым ярким после Солнца и Луны небесным светилом.
В центре ядра наблюдается сгущение - керн. Всего в 400 св. годах от центра, в недрах газопылевой туманности Стрелец А массой 105 М¤ скрывается черная дыра массой около 4,6× 106М¤ . В самом центре в области размерами менее 1 пк и массой 5× 106 М¤ , вероятно, находится очень плотное скопление голубых сверхгигантов (до 50000 звезд).
Рис. 67. Строение нашей Галактики:
1 - Керн
2 - Ядро Галактики
3 - Балдж ("вздутие"): сферическое
население центра Галактики
4 - Бар – галактическая "перемычка".
5 - Молодая плоская подсистема (звезды
классов О, В, ассоциации)
6 - Старая плоская подсистема (звезды класса
А)
7 - Диск Галактики (звезды главной
последовательности, Новые, красные гиганты,
планетарные туманности)
8 - Промежуточная сферическая составляющая (старые
звезды, долгопериодические переменные)
9 - Спиральные рукава (диффузные газопылевые
туманности, молодые звезды классов О, В, А, F)
10 - Зоны концентрации ГМО вблизи ядра (9А) и в
"молекулярном кольце" (9В)
11 - Древнейшая сферическая подсистема (гало)
(шаровые скопления, короткопериодические
цефеиды, субкарлики)
12 - Шаровые скопления
13 - Солнечная система
14 - Газовая корона Галактики.
Наша Галактика имеет перемычку – бар, из концов которого в 4 тысячах парсек от центра Галактики начинают закручиваться 3 спиральные рукава; вблизи одного из них - рукава (ветви) Ориона находится Солнечная система. Вторая - ветвь Персея - наблюдается в направлении от центра Галактики на расстоянии 1,5-2,4 кпк от Солнца. Третья - ветвь Стрельца находится в направлении центра Галактики в 1,2-1,8 кпк от Солнца.
 |
| Рис. 68. Кривая вращения Галактики |
Галактика обладает сложным дифференцированным характером вращения вокруг своей оси (рис. 68). Собственные скорости звезд в ядре достигает 1000-1500 км/с. Скорость обращения галактических рукавов ниже скорости движения отдельных звезд на том же расстоянии от центра Галактики.
Солнечная система располагается вблизи экваториальной плоскости Галактики в 34000 св. лет от ее центра (на расстоянии совпадения скорости вращения Галактики и движения ее спиральных рукавов). Из анализа собственных движений 300000 звезд по смещению линий в спектрах благодаря эффекту Доплера установлено, что Солнечная система перемещается относительно ближайших звезд со скоростью 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса и вместе с ними вращается вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/c в направление созвездий Лебедя и Цефея. Точка небесной сферы, в направлении которой движется Солнечная система, называется апексом.
 |
| Рис. 69. Распределение
плотности нейтрального водорода в плоскости Галактики: А – ГМО в ядре; Б - ГМО в "молекулярном кольце" Галактики |
Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 195-220 миллионов лет. Средняя продолжительность галактического года (ТG) равна 213 млн. лет.
Концентрация вещества межзвездной среды весьма неравномерна. Она резко возрастает в плоскости вращения Галактики и в слое толщиной 500 св. лет диаметром 100000 св. лет составляет 10-21 кг/м3. Облака поглощающей звездный свет темной, плотной пылевой материи видны на фоне Млечного пути невооруженным глазом в созвездиях Лебедя, Змееносца, Щита, Стрельца. Наибольшую плотность она приобретает в направлении ядра Галактики. На расстоянии от 4 до 8 тысяч парсек от галактического центра располагается "молекулярное кольцо" Галактики - скопление ГМО массой до 3× 109 М¤ .
Разреженный нейтральный газ вдали от звезд прозрачен для оптического излучения. Изучению распределения и характеристик газа в межзвездной среде и ГМО способствует радиоизлучение молекулярного водорода (l = 0,21 м) и гидроксила ОН (l = 0,18 м) (рис. 69).
Турбулентная межзвездная плазма сконцентрирована в облаках, занимающих около 20% межзвездной среды. Вне спиральных рукавов редкие плазменные облака размерами менее 26 пк и плотностью электронов 0,1-0,3 частиц/см3 обнаруживаются на расстояниях до ± 900 кпк от плоскости Галактики. Облака в спиральных рукавах (± 200 пк от плоскости Галактики) имеют размеры до 50 пк, электронную плотность 0,2-1,0 частиц/см3. В зонах звездообразования в плоскости Галактики электронная плотность облаков размерами 10-50 пк достигает 1-10 частиц/см3.
Относительный возраст и порядок образования звезд в Галактике определяются из анализа химического состава звездных областей - подсистем Галактики. Рождение звезд в Галактике на протяжении миллиардов лет уменьшает концентрацию межзвездного газа и замедляет темпов звездообразования до полного его прекращения из-за "нехватки сырья" на формирование звезд последующих поколений. В прошлом темп звездообразования был значительно выше. Сейчас во всей Галактике ежегодно в звезды превращается межзвездный газ массой от 4 М¤ до 10М¤ . Он должен возобновляться, иначе полностью исчерпался бы в первые 1-2 миллиарда лет жизни Галактики.
Основным "поставщиком" межзвездного газа являются звезды, особенно на последних стадиях своей эволюции: голубые и красные гиганты и сверхгиганты, Новые и Сверхновые порождают в год около 1 М¤ межзвездного газа. Вероятно, Галактика притягивает газ из окружающего ее пространства (до 1,2-2 М¤ в год). Поэтому количество межзвездного газа в Галактике уменьшается очень медленно.
Заметно изменяется его химический состав. В звездах I поколения возрастом 12-15 миллиардов лет концентрация тяжелых элементов составляет около 0,1%.
Звезды II поколения главной последовательности возрастом 5-7 миллиардов лет содержат до 2 % тяжелых элементов.
В современных диффузных туманностях довольно много пыли, различных газов, тяжелых химических элементов и сложных молекулярных соединений. Молодые звезды классов О, В, А возрастом 0,1-3 млрд. лет в рассеянных скоплениях относятся к новому III поколению звезд. Они содержат около 3-4% тяжелых элементов.
В гало Галактики наблюдаются "высокоскоростные" облака атомарного водорода, перемещающиеся независимо от ее вращения. Одни облака, в составе которых около 0,1 % тяжелых химических элементов, состоят из вещества, притянутого Галактикой из окружающего пространства. Другие облака образованы выбросами вещества из галактического диска при вспышках Сверхновых в звездных скоплениях и других космических явлениях; их состав включает до 1% тяжелых химических элементов.
Рис. 70. Ежегодный баланс межзвездной среды в Галактике
Важной составляющей межзвездной среды Галактики являются космические лучи -потоки заряженных элементарных частиц с энергией до 1021 эВ: протоны (91,7%), релятивистские электроны (0,92%), ядра атомов гелия (6,6%) и более тяжелых химических элементов (0,72%). Несмотря на низкую пространственную плотность космических лучей (у Земли – 1 частица/см3× с), плотность их энергии сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа и магнитного поля Галактики. Основным источником космических лучей являются вспышки Сверхновых.
Общее магнитное поле Галактики обладает индукцией около 10-10 Тл. Силовые линии в основном параллельны галактической плоскости и изгибаются вдоль ее спиральных рукавов. Взаимодействуя с заряженными частицами космических лучей, магнитное поле Галактики искривляет траектории их движения вдоль силовых линий и тормозит релятивистские электроны, порождая нетепловое (синхротронное) излучение радиоволн с длиной волны более 1 м. Изучение "вариаций" – пространственно-временных изменений характеристик космических лучей под влиянием различных процессов в межзвездном пространстве и космических объектах позволяет исследовать электромагнитные поля отдельных протяженных космических объектов и всей Галактики в целом. Высокая энергия космических лучей делает их незаменимыми помощниками физиков при изучении строения вещества и взаимодействий элементарных частиц.
В заключение урока можно предложить ученикам задачи на повторение и закрепление материала о звездах и звездных системах (определение межзвездных расстояний, характеристик компонентов двойных систем и т.д.), а также задания упражнения 18:
Упражнение 18:
- Как выглядел бы Млечный Путь, если бы Земля находилась: а) в центре Галактики; б) на краю галактического диска, в 50000 св. лет от центра Галактики; в) в одном из шаровых скоплений сферической составляющей; г) на расстоянии 10000 св. лет над северным полюсом Галактики; д) для наблюдателя в Большом Магеллановом Облаке?
- Оцените массу Галактики, лежащую внутри области орбитального движения Солнечной системы вокруг центра Галактики, если масса Солнечной системы М ~ 1 М¤ , а период ее обращения (галактический год) составляет 213 миллионов лет.
- Составьте схему, на которой будут указаны все основные типы, классы и группы космических объектов и их систем, входящих в состав Галактики (рис. 71):
Рис. 71
4. В 1974 году по программе SETI к шаровому звездному скоплению М13 в созвездии Геркулеса (расстояние 24000 св. лет) было отправлено радиосообщение о земной цивилизации. Как вы думаете, дождутся ли и, если "да", то когда дождутся наши потомки ответа?
5. В спектрах трех далеких галактик наблюдается красное смещение, равное: z1 = 0,1, z2 = 0,5, z3 = 3 длин волн спектральных линий. С какой лучевой скоростью движутся эти галактики? Определите расстояние до каждой из них, считая Н = 50км/с× Мпк.
6. Вычислите расстояние, линейные размеры и светимость квазара 3С48, если его угловой диаметр равен 0,56ќ , блеск 16,0m, а линия l 0 = 2298× 10-10 м ионизированного магния смещена в его спектре до положения l 1 = 3832× 10-10 м.
7. Как влияет поглощение света межзвездной средой на определение расстояний и размеров далеких галактик?
8. Классическая картина мира XIX века оказалась достаточно уязвимой в области космологии Вселенной, благодаря необходимости объяснения 3 парадоксов: фотометрического, термодинамического и гравитационного. Вам предлагается объяснить эти парадоксы с точки зрения современной науки.
Фотометрический парадокс (Ж. Шезо, 1744 г.; Г. Ольберс, 1823 г.) сводился к объяснению вопроса "Почему ночью темно?".
Если Вселенная бесконечна, то звезд в ней бесчисленно много. При сравнительно равномерном распределении звезд в пространстве число звезд, находящихся на данном расстоянии, возрастает пропорционально квадрату расстояния до них. Поскольку блеск звезды ослабевает пропорционально квадрату расстояния до нее, то ослабление общего света звезд из-за их удаленности должно в точности компенсироваться возрастанием числа звезд, и вся небесная сфера должна равномерно и ярко светится.
Термодинамический парадокс (Клаузиус, 1850 г.), связан с противоречием второго начала термодинамики и концепции вечности Вселенной. Согласно необратимости тепловых процессов, все тела во Вселенной стремятся к тепловому равновесию. Если Вселенная существует бесконечно долго, то почему же тепловое равновесие в природе до сих пор не наступило, и тепловые процессы продолжаются до сих пор?
Гравитационный парадокс (Зеелингер, 1895 г.) основан на положениях бесконечности, однородности и изотропности Вселенной.
Мысленно
выберем сферу радиуса R0 так, чтобы
ячейки неоднородности в распределении
вещества внутри сферы были несущественны и
средняя плотность была равна средней
плотности Вселенной r . Пусть
на поверхности сферы находится тело массой m,
например, Галактика. Согласно теореме
Гаусса о центрально-симметричном поле, сила
тяготения со стороны вещества массой М,
заключенного внутри сферы, будет
действовать на тело так, как если бы все
вещество было сосредоточено в одной точке,
расположенной в центре сферы. При этом
остальное вещество Вселенной никакого
вклада в эту силу не вносит. При этом:
Выразим массу через среднюю плотность r
: 
. Пусть 
Тогда 
-
ускорение свободного падения тела к центру
сферы зависит только от радиуса сферы R0.
Поскольку радиус сферы и положение центра
сферы выбраны произвольно, возникает
неопределенность в действии силы на
пробную массу m и направление ее
движения.
9. Проделайте путешествие на воображаемой машине времени в прошлое и будущее нашей Метагалактики и сделайте рисунки того, что вы увидели бы: а) в момент Большого Взрыва; б) спустя 1 секунду после него; в) через 1 миллион лет; г) через миллиард лет; д) через 10 миллиардов лет после Большого Взрыва; е) спустя 100 миллиардов лет; ж) через 1000 миллиардов лет.
10. Что отличает космологические модели Вселенной от религиозного объяснения Вселенной?
Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:
Методика изучения материала на первых 3 уроках данной темы рассматривается в статье Е.Ю Степановой, Ю.А. Купрякова "Изучение вопросов о Галактике в теме "Строение Вселенной" [274].
В физико-математических классах и при работе с сильными учащимися можно воспользоваться идеями, содержащимися в статье Л.П. Суркова, Н.В. Лисина "Элементы проблемности при обучении астрономии в педагогическом институте". По мнению авторов, "Основа и источник астрономических знаний – наблюдения, которые и становятся основным способом создания проблемной ситуации (на основе собственных наблюдений, жизненных ситуаций, работы с фотографиями, рисунками и т.д., в т.ч. при знакомстве с наблюдательными результатами, имеющими якобы необъяснимый характер и приведшими в истории науки к постановке научной проблемы).
Существование различных подходов к выбору стратегии исследования реализуется в виде конкурирующих научных гипотез. Это позволяет использовать для придания лекции проблемного характера показ различных точек зрения и позиций ученых к решению определенной проблемы". В качестве примеров предлагаются: 1) дискуссия о природе активности квазаров и ядер галактик, где в качестве источника активности предлагались: многопульсарная модель, с многочисленными взрывами при столкновениях звезд; модель аккрецирующей сверхмассивной черной дыры; модель сверхмассивного вращающегося магнитоплазменного тела – магнитоида. 2) Возникновение спиральной структуры Галактики (волновая теория Линдблада, Лина и Шу, идея Герола и Сейдена, Яанисте и Саара, формирования ветвей при выбросе газа из центра галактик).
Изложение темы "Строение Галактики" также целесообразно построить в историческом плане. Ставится задача мысленно пройти путь ученых. Вначале проводятся наблюдения (демонстрации, посещение планетария). Задается задание: на основании сопоставления числа звезд на отдельных участках неба и различия звезд по блеску попытаться представить картину окружающего мира с учетом упрощающих факторов (как Гершель). На лекции подводится итог этому заданию и ставится вопрос "Что и как должно измениться в представленной картине, если предположения Гершеля неверны?". Затем, сопровождаемые демонстрациями, рассматриваются современные методы и результаты исследования Галактики.
Авторы пособия [174] рекомендуют два пути знакомства учащихся с природой нашей Галактики:
Первый вариант "позволяет рассмотреть в исторической последовательности ряд задач, стоящих на пути исследователей и тем самым использовать преимущества, которые дает проблемный метод обучения: начать формирование сведений о структуре и размерах Галактики на основе изучения распределения звезд, постепенно дополняя и углубляя материал информацией о других объектах", предварительно ознакомив учеников с видимым распределением звезд по небу и со структурой Млечного Пути.
Второй вариант "нагляднее, но менее последователен, так как нарушает историческую хронологию": он основан на изучении фотографий соседних спиральных галактик, сходных с нашей Галактикой; при этом основное внимание должно уделяться не реальным различиям между галактиками, а видимым, обусловленным их разной ориентацией по отношению к наблюдателю" (с. 192-193).
| << Предыдущая |