Metodika prepodavaniya astronomii

---

<< Predydushaya

Soderzhanie

Sleduyushaya >>

Metodika provedeniya 1 uroka
"Solnce"

Cel': formirovanie fundamental'nogo astronomicheskogo ponyatiya "zvezda" na primere rassmotreniya fizicheskoi prirody i osnovnyh harakteristik Solnca kak blizhaishei i naibolee izuchennoi zvezdy.

Zadachi obucheniya:

Obsheobrazovatel'nye - formirovanie ponyatii:

- ob osnovnyh harakteristikah Solnca kak kosmicheskogo tela: masse, razmerah, plotnosti, svetimosti i solnechnoi postoyannoi, dvizhenii, vrashenii, himicheskom sostave i sostoyanii veshestva, magnitnom pole, vozraste i t.d.
- o vnutrennem stroenii Solnca (yadre, zonah luchistogo perenosa i konvekcii) i solnechnoi atmosfere (fotosfere, hromosfere, korone);
- ob osnovnyh parametrah vnutrennego stroeniya (temperature, davlenii, plotnosti gaza i t.d.) i vozmozhnosti rascheta etih parametrov na osnove zakonov molekulyarno-kineticheskoi teorii i termodinamiki;
- ob energetike Solnca i mehanizmah perenosa energii iz zony termoyadernyh reakcii v kosmicheskoe prostranstvo;
- o kosmicheskih yavleniyah, nablyudaemyh v atmosfere Solnca (granulyaciya, pyatna, fakel'nye polya, protuberancy, vspyshki, solnechnyi veter).

Vospitatel'nye:

1) Formirovanie nauchnogo mirovozzreniya uchashihsya:

- v hode znakomstva s opredelennym tipom kosmicheskih ob'ektov – zvezdami i pri rassmotrenii osnovnyh fizicheskih harakteristik Solnca kak blizhaishei iz zvezd;
- pri izuchenii materiala ob energetike Solnca.

2) Ateisticheskoe vospitanie uchashihsya v rezul'tate oproverzheniya mifa o "sotvorenii mira" v svete dannyh o prirode i vozraste Solnca kak zvezdy, ryadovoi po svoim parametram.

Razvivayushie - formirovanie umenii:

- analizirovat' informaciyu, ob'yasnyat' svoistva kosmicheskih ob'ektov na osnove vazhneishih fizicheskih teorii;
- reshat' zadachi na raschet osnovnyh parametrov Solnca s ispol'zovaniem zakonov mehaniki, molekulyarnoi fiziki i termodinamiki.

Ucheniki dolzhny znat':

- ob osnovnyh fizicheskih harakteristikah Solnca (priblizhennye znacheniya sootvetstvuyushih chislovyh velichin;);
- o vnutrennem stroenii (yadre, zonah luchistogo perenosa i konvekcii) i strukture atmosfery (fotosfere, hromosfere, korone) Solnca;
- o vozmozhnosti rascheta parametrov vnutrennego stroeniya Solnca (temperature, davlenii, plotnosti gaza i t.d.) na osnove zakonov fiziki;
- osnovnye svedeniya o termoyadernyh reakciyah v nedrah Solnca kak osnove zvezdnoi energetiki;
- astronomicheskie velichiny (solnechnaya postoyannaya, temperatura fotosfery, temperatura i davlenie v centre Solnca, massu i razmery Solnca v sravnenii s zemnymi).

Ucheniki dolzhny umet':

- analizirovat' uchebnyi material, ispol'zovat' obobshennyi plan dlya izucheniya kosmicheskih ob'ektov, delat' vyvody;
- reshat' zadachi na raschet osnovnyh parametrov Solnca s ispol'zovaniem zakonov mehaniki, molekulyarnoi fiziki i termodinamiki.

Naglyadnye posobiya i demonstracii:

- fotografii, shemy i risunki teleskopicheskogo vida Solnca, ego vnutrennego stroeniya, ob'ektov i yavlenii v atmosfere Solnca (granulyaciya, pyatna, fakel'nye polya, protuberancy, vspyshki);
- diapozitivy iz seriya slaid-fil'mov "Illyustrirovannaya astronomiya": "Solnce"; "Solnce i ego sem'ya";
- diafil'my (fragmenty diafil'mov): "Solnce i zhizn' na Zemle";
- kinofil'my (kinofragmenty): "Solnce"; "Solnce – glavnyi istochnik energii na Zemle";
- tablicy: "Solnce"; "Stroenie Solnca"; "Solnechnaya sistema".

Zadanie na dom:

1) Izuchit' materiala uchebnikov:
- B.A. Voroncov-Vel'yaminova: § 22 (1, 2); upr. 19.
- E.P. Levitana: §§ 18,19 (1-3), 20; voprosy-zadaniya.
- A.V. Zasova, E.V. Kononovicha: § 26 (1-2); upr. 26.5 (1-3).

2) Vypolnit' zadaniya iz sbornika zadach Voroncova-Vel'yaminova B.A. [28]: 332; 333.

Plan uroka

Etapy uroka	Soderzhanie	Metody izlozheniya	Vremya, min
1	Aktualizaciya astronomicheskih znanii; povtorenie materiala po prirodovedeniyu (estestvoznaniyu), fizike i astronomii	Frontal'nyi opros, beseda	10
2	Izlozhenie novogo materiala: 1) Osnovnye fizicheskie harakteristiki Solnca. 2) Vnutrennee stroenie i struktura atmosfery; ob'ekty i yavleniya, nablyudaemye v solnechnoi atmosfere. 3) Energetika Solnca. 4)Raschet parametrov veshestva v nedrah Solnca	Lekciya, beseda, rasskaz uchitelya	20-25
3	Zakreplenie izuchennogo materiala. Reshenie zadach	Rabota u doski, samostoyatel'noe reshenie zadach v tetradi	10-12
4	Podvedenie itogov uroka. Domashnee zadanie		3

Metodika provedeniya uroka:

Urok nachinaetsya s ob'yavleniya o nachale izucheniya novoi, odnoi iz vazhneishih v kurse astronomii, temy "Solnce i zvezdy". Uchitel' ob'yasnyaet shkol'nikam cel' i zadachi izucheniya novoi temy: izuchenie fizicheskoi prirody zvezd i zvezdnyh sistem. Vnimanie uchashihsya obrashaetsya na sleduyushie polozheniya:

1. Zvezdy - otdel'nyi samostoyatel'nyi tip kosmicheskih tel, kachestvenno otlichayushiisya ot drugih kosmicheskih ob'ektov.
2. Zvezdy – odin iz naibolee rasprostranennyh (vozmozhno, naibolee rasprostranennyi) tip kosmicheskih tel.
3. Zvezdy sosredotachivayut v sebe do 90% vidimogo veshestva v toi chasti Vselennoi, v kotoroi my zhivem i kotoraya dostupna nashim issledovaniyam.
4. Atomy veshestva, iz kotorogo sostoit nasha planeta i my sami obrazovalis' svyshe 6 milliardov let nazad v nedrah zvezd.
5. Ot blizhaishei iz zvezd – Solnca - zavisit sushestvovanie i razvitie zhizni na Zemle.

Zatem v hode frontal'nogo oprosa i besedy s uchenikami my povtoryaem i aktualiziruem znaniya o prirode Solnca i zvezd, obretennye shkol'nikami ranee na urokah prirodovedeniya, estestvoznaniya, fiziki srednego i starshego zvena, i astronomii pervogo polugodiya XI klassa. Sleduet proverit' ponimanie ponyatii "kosmicheskie ob'ekty", "kosmicheskie tela" i "kosmicheskie sistemy". Vazhnuyu rol' igraet vyyasnenie urovnya i osobennostei "donauchnyh" predstavlenii uchenikov. Uchitel' vnimatel'no slushaet otvety uchenikov, zapisyvaet (fiksiruet) naibolee tipichnye iz nih (eto pozvolyaet ustanovit' obshii uroven' znanii i harakternye oshibki (zabluzhdeniya) uchashihsya) i dopolnyaet, ispravlyaet i obobshaet skazannoe uchenikami.

Uchenikam zadayut voprosy:

1. Chto takoe zvezdy? Kakova ih fizicheskaya priroda (massy, razmery, temperatura poverhnosti)? Chem oni otlichayutsya ot planet i drugih klassov (grupp) kosmicheskih tel?
2. Pochemu zvezdy yavlyayutsya samosvetyashimisya telami? Kakie processy sluzhat istochnikami energii zvezd? Kakie zvezdy samye goryachie: krasnye ili golubye?
3. Pochemu my vidim zvezdy kak malen'kie svetyashiesya tochki na nochnom nebe? Kakovy istinnye masshtaby mezhzvezdnyh rasstoyanii?
4. V kakih edinicah izmeryayut mezhzvezdnye rasstoyaniya? Opredelite ponyatiya "svetovoi god" i "parsek".
5. Chto takoe Solnce? Kakovo rasstoyanie ot Zemli do Solnca? Kakovy osnovnye harakteristiki Solnca - massa, razmery (v sravnenii s zemnymi), cvet, temperatura poverhnosti, himicheskii sostav, sostoyanie veshestva i t.d. Chem Solnce otlichaetsya ot Zemli i drugih planet Solnechnoi sistemy?
6. Daite opredelenie ponyatiyam "zvezda" i "Solnce".

Dalee sleduet lekcionnoe izlozhenie novogo materiala. Ono nachinaetsya s rassmotreniya osnovnyh fizicheskih harakteristik i vnutrennego stroeniya Solnca kak blizhaishei i naibolee podrobno izuchennoi zvezdy. Stroenie Solnca mozhno prodemonstrirovat' pri pomoshi sootvetstvuyushei tablicy (pri etom ekonomitsya uchebnoe vremya), no dlya bolee kachestvennogo usvoeniya materiala uchenikami luchshe poetapno, s sootvetstvuyushimi poyasneniyami, vosproizvesti ego na doske (a ucheniki pererisovyvayut ee v svoi tetradi).

Solnce

Massa Solnca 1,989× 10³⁰ kg, v 333434 raz prevyshaet massu Zemli i v 750 raz - vseh planetnyh tel Solnechnoi sistemy. Radius Solnca 695990 km, v 109 raz bol'she zemnogo. Srednyaya plotnost' solnechnogo veshestva 1409 kg/m³, v 3,9 raza nizhe plotnosti Zemli. Uskorenie sily tyazhesti na ekvatore 279,98 m/s² (28 g). Ekvator Solnca naklonen pod uglom 7,2œ k ploskosti ekliptiki. Sidericheskii period vrasheniya na ekvatore raven 25,38 sutok i uvelichivaetsya po napravleniyu k polyusam (do 32 sutok na shirote 60œ ). Vneshnim sloyam Solnca prisushe differencirovannoe vrashenie, svoistvennoe zhidkim i gazoobraznym telam. Solnce obladaet magnitnym polem so slozhnoi strukturoi srednei napryazhennost'yu 1-2 Gs.

Vozrast Solnca okolo 5 mlrd. let.

Vidimaya zvezdnaya velichina (blesk) Solnca -26,6^m. Moshnost' obshego izlucheniya Solnca 374× 10²¹ kVt, srednee znachenie solnechnoi postoyannoi 0,13 Dzh/s× sm². Svetimost' Solnca 4× 10²⁰ Vt. Zemlya poluchaet 1/2000000000 chast' solnechnoi energii: na ploshadku v 1 m², perpendikulyarnuyu solnechnym lucham za predelami zemnoi atmosfery prihoditsya 1,36 kVt luchistoi energii.

Temperatura vidimoi poverhnosti (fotosfery) Solnca 5770 K. Spektral'nyi klass Solnca G2, absolyutnaya zvezdnaya velichina + 4,96^m.

Himicheskii sostav Solnca: vodorod - 71 %, gelii - 26,5 %, ostal'nye elementy 2,5 %. Solnce ne soderzhit v svoem sostave neizvestnyh na Zemle himicheskih elementov.

Agregatnoe sostoyanie solnechnogo veshestva – ionizirovannyi atomarnyi gaz (plazma). Vglub' Solnca, s uvelicheniem temperatury i davleniya, stepen' ionizacii rastet vplot' do polnogo razrusheniya atomov v yadre Solnca.

Vnutrennee stroenie Solnca:

Ris. 22. Vnutrennee stroenie Solnca

1. Yadro (zona termoyadernyh reakcii) - central'naya oblast', prostirayushayasya na 1/3 radiusa Solnca ot ego centra, vblizi kotorogo pri davlenii do 2× 10¹⁸ Pa, temperature 1,5- 1,6× 10⁷ K i plotnosti plazmy do 16 g/sm³ protekayut termoyadernye reakcii prevrasheniya yader atomov vodoroda v yadra atomov geliya, soprovozhdayushiesya vydeleniem kolossal'noi energii. Yadro vrashaetsya kak edinoe tverdoe telo s periodom 22-23 sutok.

2. Zona luchistogo perenosa (rasstoyaniya ot 1/3 do 2/3 R¤ ) – oblast', v kotoroi vydelyayushayasya v solnechnom yadre energiya peredaetsya naruzhu, ot sloya k sloyu, v rezul'tate posledovatel'nogo poglosheniya i pereizlucheniya elektromagnitnyh voln. Plavno raspredelyayas' po vozrastayushemu ob'emu veshestva, energiya (i, v sootvetstvii s zakonom Vina, dlina) elektromagnitnyh voln postepenno umen'shayutsya ot 10^-11-10^-12 Dzh (g - i zhestkoe rentgenovskoe izluchenie) na granice s yadrom do 10^-16 Dzh (zhestkii ul'trafiolet) na granice s konvektivnoi zonoi, gde plotnost' plazmy sostavlyaet okolo 0,16 g/sm³ pri davlenii do 10¹³ Pa i temperature do 10⁶ K.

3. Zona konvekcii (0,29 R¤ ) prostiraetsya pochti do samoi vidimoi poverhnosti Solnca. V nei proishodit nepreryvnoe peremeshivanie (konvekciya) solnechnogo veshestva so skorost'yu ot 1 m/s v glubine zony do 2-3 m/s na granice s fotosferoi. Pomimo vertikal'nyh, voshodyashih i nishodyashih potokov plazmy, v konvektivnoi zone nablyudayutsya lokal'nye, zonal'nye i meridional'nye techeniya ot ekvatora k polyusam so skorost'yu do 30 m/s. Vzaimodeistvie etih dvizhenii solnechnogo veshestva porozhdaet effekt dinamo-mehanizma, porozhdayushego magnitnoe pole Solnca. V energiyu magnitnogo polya preobrazuetsya do 0,1 % ot vsei postupayushei v konvektivnuyu zonu teplovoi energii Solnca. Na dne konvektivnoi zony s 22-letnei periodichnost'yu nakaplivaetsya namagnichennaya plazma, obrazuyushaya moshnyi magnitnyi sloi. Ryad uchenyh predpolagaet sushestvovanie vyshe nego eshe neskol'kih zon generacii magnitnyh polei; samaya verhnyaya obladaet kvazidvuhletnei periodichnost'yu. U granicy s fotosferoi formiruyutsya yacheiki supergranulyacii; v oblasti intensivnogo peremeshivaniya veshestva generiruyutsya moshnye akusticheskie (zvukovye) kolebaniya. Na glubiny 0,8-0,9 R¤ poyavlyayutsya pervye neitral'nye atomy – snachala geliya, zatem vodoroda, vyshe ih koncentraciya uvelichivaetsya.

Vyshe prostiraetsya atmosfera Solnca, v kotoroi vydelyaetsya ryad sleduyushih oblastei:

Fotosfera (4) - sloi gazov tolshinoi 350-700 km. V nizhnem sloe fotosfery, obladayushem temperature 8000 K pri davlenii solnechnogo veshestva do 10⁶ Pa nablyudaetsya granuly - yacheiki verhnego yarusa konvektivnoi zony razmerami okolo 700 km i vremenem sushestvovaniya do 8 minut - voshodyashie potoki raskalennyh gazov. Granuly razdelyayutsya temnymi promezhutkami shirinoi do 300 km. V "obrashayushem sloe" - "vidimoi poverhnosti" Solnca pri temperature 5770 K formiruetsya vse prihodyashee k Zemle solnechnoe elektromagnitnoe izluchenie v intervale dlin voln ot 10^-13 do 5× 10^-2 m s maksimumom energeticheskoi svetimosti v oblasti l = 5,55× 10^-7 m (zheltaya chast' spektra). Na fone nepreryvnogo spektra izlucheniya glubin Solnca nablyudayutsya chernye linii poglosheniya atomarnyh gazov solnechnoi fotosfery, nazyvaemyh fraungoferovymi liniyami. Umen'shenie temperatury v verhnih sloyah fotosfery do 4000 K porozhdaet potemnenie solnechnogo diska k krayam svetila. Svetlye uchastki fotosfery (6), na kotoryh poverhnost' Solnca razogreta do 7000-10000 K, nazyvayutsya fakel'nymi polyami (flokkulami). Otdel'nye uchastki fotosfery s ponizhennoi do 4000-4500 K temperaturoi po kontrastu s raskalennoi okruzhayushei poverhnost'yu vosprinimayutsya kak chernye solnechnye pyatna (7).

Fotosfera uslovno schitaetsya "vidimoi poverhnost'yu" Solnca (hotya na samom dele eto tonkii sloi raskalennogo ionizirovannogo gaza) potomu, chto v vyshelezhashih sloyah solnechnoi atmosfery plotnost' veshestva umen'shaetsya nastol'ko, chto my vidim fotosferu Solnca skvoz' eti sloi, kotorye mozhem nablyudat' lish' v osobyh obstoyatel'stvah ili pri pomoshi special'nyh priborov.

Hromosfera (5) tolshinoi okolo 10⁴ km nablyudaetsya vo vremya polnyh solnechnyh zatmenii kak krasnovatoe kol'co vokrug Solnca. Temperatura veshestva povyshaetsya ot nizhnei hromosfere padaet do 5000 K (pri davlenii gaza okolo 0,1 Pa), a zatem v srednei i verhnei hromosfere vozrastaet do 10000 K (pri davlenii 6× 10^-2 Pa). Vyshe 1500 km hromosfera predstavlyaet soboi sovokupnost' sravnitel'no plotnyh i goryachih (6000-15000 K) gazovyh strui i volokon. Na vysotu 4000-5000 km so skorost'yu 20 km/s podnimayutsya redkie izolirovannye stolby solnechnogo veshestva – hromosfernye spikuly diametrom 500-3000 km, zanimayushie do 0,5 % solnechnoi poverhnosti. Na vysotu ot 10⁴–10⁵ km vzdymayutsya protuberancy (8) - sravnitel'no holodnye plotnye oblaka solnechnogo veshestva raznoobraznoi, chasto prichudlivoi formy. Vremya ot vremeni nablyudayutsya hromosfernye vspyshki – termoyadernye vzryvy s vydeleniem energii do10²⁵ Dzh (9).

V uzkom perehodnom sloe mezhdu hromosferoi i koronoi ionizirovannye chasticy solnechnogo veshestva uskoryayutsya v magnitnom pole, i harakterizuyushaya ih skorost' kineticheskaya temperatura bystro vozrastaet do 10⁶ K.

Korona (10) – vneshnyaya, naibolee razrezhennaya chast' solnechnoi atmosfery, obladaet ochen' slozhnoi i postoyanno izmenyayusheisya strukturoi. Korona razdelyaetsya na vnutrennyuyu (T <1,5× 10⁶ K) i vneshnyuyu (T <3× 10⁶ K), obrazuyushuyu na rasstoyanii v neskol'ko radiusov Solnca potok solnechnogo veshestva - zaryazhennyh chastic (e^-, r) i elektromagnitnogo izlucheniya - solnechnyi veter, "duyushii" so skorost'yu ot 350-400 km/s na ekvatore do 700 km/s na polyusah Solnca.

Dalee mozhno v obshih chertah oznakomit' uchenikov s energetikoi Solnca (ili rassmotret' etot material pozzhe na uroke "Evolyuciya zvezd"). K sozhaleniyu, izlozhenie materiala temy "Solnce i zvezdy" operezhaet po vremeni izuchenie osnov atomnoi i yadernoi fiziki. Eto oblegchaet izuchenie materiala o termoyadernyh reakciyah v kurse fiziki, no sil'no zatrudnyaet formirovanie ponyatii ob energetike zvezd.

Nizhe my predlagaem 2 varianta izlozheniya materiala s oporoi na svedeniya ob osnovnyh fizicheskih harakteristikah i himicheskom sostave Solnca. Rasskazyvaya o termoyadernyh reakciyah prevrasheniya yader atomov vodoroda v yadra atomov geliya v nedrah Solnca, nuzhno postoyanno ogovarivat'sya, chto rodstvennye im termoyadernye reakcii proishodyat v nedrah vseh ostal'nyh zvezd. Ucheniki dolzhny osoznat', chto energetike Solnca i zvezd imeet odnu prirodu.

1. Uproshennyi variant izlozheniya materiala, rasschitannyi na uchashihsya "obychnyh" i gumanitarnyh klassov:

Solnce i zvezdy svetyat potomu, chto v ih nedrah proishodyat termoyadernye reakcii prevrasheniya yader atomov vodoroda v yadra atomov geliya.

Vy uzhe znaete, chto massy zvezd v sotni tysyach raz, v milliony raz prevyshayut massu Zemli. Takaya ogromnaya massa porozhdaet ochen' sil'noe davlenie verhnih sloev veshestva zvezdy na veshestvo vblizi ee centra. Temperatura i davlenie vglub' zvezdy ochen' bystro rastut: tak, esli temperatura vidimoi poverhnosti Solnca sostavlyaet okolo 6 000 K, to k centru Solnca ona vozrastaet do 15 000 000 K pri davlenii do 2× 10¹⁸ Pa! V nedrah bolee massivnyh zvezd temperatura i davlenie eshe vyshe.

Zvezdy pochti celikom sostoyat iz vodoroda i geliya: Solnce soderzhit 71% vodoroda, 26,5% geliya i lish' 2,5% drugih, bolee tyazhelyh himicheskih elementov.

Pod deistviem vysokih temperatur i davlenii v centrah zvezd yadra atomov vodoroda - protony - sblizhayutsya tak tesno, chto sily yadernogo prityazheniya preodolevayut sily elektricheskogo ottalkivaniya. V rezul'tate etogo vzaimodeistviya protony ob'edinyayutsya, obrazuya yadra atoma geliya. Process idet v 3 etapa s ogromnym vydeleniem energii (ris. 23).

Ris. 23. Termoyadernye reakcii v nedrah Solnca

Eti termoyadernye reakcii nosyat nazvanie proton-protonnogo cikla. V bolee massivnyh zvezdah pomimo reakcii proton-protonnogo cikla protekayut bolee moshnye termoyadernye reakcii azotno-uglerodnogo cikla, v kotoryh yadra atomov azota i ugleroda yavlyayutsya katalizatorami termoyadernyh reakcii prevrasheniya vodoroda v gelii.

Vodorod – "zvezdnoe toplivo", "sgorayushee" v nedrah zvezd dlya togo, chtoby oni mogli zhit' i svetit'. S techeniem vremeni bliz centra Solnca i drugih zvezd stanovitsya vse men'she vodoroda i vse bol'she geliya.

Chem men'she massa zvezdy, tem nizhe davlenie i temperatura v ee nedrah, tem slabee, s men'shim vydeleniem energii idut termoyadernye reakcii, tem dol'she "sgoraet", prevrashayas' v gelii, vodorod v yadre zvezdy i tem dol'she ona zhivet. U krasnyh tusklyh zvezd-karlikov dolgii vek - oni zhivut desyatki milliardov let.

Chem bol'she massa zvezdy, tem vyshe davlenie i temperatura v ee nedrah, tem sil'nee, s moshnym vydeleniem energii idut termoyadernye reakcii, tem skoree "sgoraet", prevrashayas' v gelii, vodorod v yadre zvezdy i tem men'she ona zhivet. U golubyh zvezd-sverhgigantov nedolgii vek - oni zhivut vsego lish' desyatki millionov let.

Nashe Solnce - zheltaya, srednyaya po svoim harakteristikam zvezda klassa G zhivet uzhe 5 milliardov let, i budet svetit' eshe pochti 8 milliardov let.

2. Slozhnyi variant izlozheniya materiala, rasschitannyi na uchashihsya fiziko-matematicheskih klassov, predusmatrivayushii ispol'zovanie ponyatiinogo apparata yadernoi fiziki:

Energetika Solnca i zvezd osnovana na termoyadernyh reakciyah - processah prevrasheniya odnih elementarnyh chastic v drugie, soprovozhdayushihsya sintezom bolee tyazhelyh atomnyh yader iz bolee legkih, protekayushih pri vysokih (T>10⁷ K) temperaturah i davleniyah, s vydeleniem ogromnogo kolichestva energii.

V nedrah normal'nyh zvezd proishodyat termoyadernye reakcii prevrasheniya yader atomov vodoroda v yadra atomov geliya. Obshee znachenie vydelivsheisya energii, unosimoi voznikshimi v hode vzaimodeistviya atomnyh yader elementarnymi chasticami (g -kvantami, neitrino i t.d.), ekvivalentno raznosti mezhdu summoi mass vstupayushih v reakciyu yader atomov vodoroda i massoi obrazuyushegosya yadra atoma geliya.

Osnovnymi tipami reakcii, proishodyashih v nedrah zvezd, yavlyayutsya:

1. Proton-protonnyi cikl, protekayushii pri temperaturah T <= 1,8 * 10⁷K (pri opisanii hoda termoyadernyh reakcii soobshayutsya znacheniya energii, vydelyayusheisya v hode kazhdoi otdel'noi reakcii (1 MeV = 1,6× 10^-13 Dzh) i, v skobkah, prodolzhitel'nost' reakcii - vremya, za kotoroe chislo chastic umen'shaetsya vdvoe):

2. Azotno-uglerodnyi cikl (CNO), v kotorom yadra atomov azota i ugleroda igrayut rol' katalizatorov reakcii i protekayushei pri temperaturah svyshe 1,8× 10⁷ K s ustanovleniem ravnovesnyh koncentracii izotopov ¹⁴N (95 %), ¹²S (4 %), i ¹³S (1 %) po masse:

Dlya zvezd s massoi M ~ M¤ osnovnym yavlyayutsya proton-protonnyi cikl, dlya massivnyh zvezd (M > M¤ ) osnovnym yavlyayutsya azotno-uglerodnyi cikl, protekayushii s bol'shei skorost'yu i bol'shim vydeleniem energii, chem proton-protonnyi cikl.

Izlozhenie svedenii ob energetike Solnca i zvezd pozvolyaet sformirovat' ponyatie o kosmicheskom processe sushestvovaniya zvezd. Material mozhet izuchat'sya kak na dannom zanyatii, tak i na 6 uroke, pri izuchenii svedenii ob osnovnyh parametrah vnutrennego stroeniya i evolyucii zvezd.

Vnachale uchenikam napominaetsya opredelenie ponyatiya "sushestvovanie kosmicheskih ob'ektov":

Sushestvovanie kosmicheskih ob'ektov - kvazistacionarnoe sostoyanie ravnovesiya, v kotorom oni prebyvayut na otdel'nyh, naibolee prodolzhitel'nyh vo vremeni etapah svoego razvitiya i kotoroe obespechivaetsya tem, chto vse vnutrennie i vneshnie sily, deistvuyushie na kazhduyu otdel'nuyu chasticu ob'ekta i ves' ob'ekt v celom, vzaimno uravnoveshivayut drug druga. Sushestvovanie kosmicheskih ob'ektov obuslovleno vnutrennimi dinamicheskimi processami; vse kosmicheskie ob'ekty, ot pylinok mezhplanetnoi sredy i tumannostei do zvezd i galaktik yavlyayutsya otkrytymi neravnovesnymi sistemami, obmenivayushimisya s okruzhayushei sredoi veshestvom i energiei.

Sushestvovanie zvezd obuslovleno ravnovesiem sil tyagoteniya i uprugosti (gazovogo davleniya) (ris. 24).

Ris. 24. Ravnovesie sil v nedrah zvezd

Uproshennye poyasneniya dlya uchashihsya "obychnyh" i gumanitarnyh klassov:

Nashe Solnce i drugie zvezdy mozhno sravnit' so sverhmoshnymi - moshnost'yu v milliardy milliardov zemnyh vodorodnyh bomb! – estestvennymi, prirodnymi termoyadernymi bombami, nepreryvno vzryvayushimisya v techenie millionov i milliardov let.

Pochemu zhe etot sverhmoshnyi vzryv ne razryvaet, ne raspylyaet zvezdu v kosmicheskom prostranstve? Etomu meshaet sila vsemirnogo tyagoteniya.

Massa zvezd nastol'ko velika, chto sila tyagoteniya meshaet veshestvu zvezdy razletat'sya v okruzhayushem prostranstve, prityagivaet ego k centru zvezdy.

Na kazhduyu chasticu veshestva vnutri zvezdy postoyanno deistvuyut dve sily: odna iz nih - sila davleniya svetovyh luchei i raskalennogo gaza, voznikayushaya v hode termoyadernyh reakcii v nedrah zvezdy, ottalkivaet etu chasticu veshestva proch' ot zvezdy; drugaya - sila tyagoteniya - stremitsya prityanut' ee obratno. Eti sily ravny po velichine, no protivopolozhny po napravleniyu. Oni uravnoveshivayut drug druga milliony i milliardy let.

Solnce i zvezdy - estestvennye termoyadernye reaktory s gravitacionnym uderzhaniem plazmy. Termoyadernye reakcii v nedrah Solnca i zvezd "samoreguliruyutsya": rost temperatury v centre zvezdy za schet usileniya moshnosti termoyadernyh reakcii vedet k vozrastaniyu gazovogo (luchevogo) davleniya i rasshireniyu zvezdy v prostranstve. Uvelichenie razmerov zvezdy snizhaet davlenie vyshelezhashih sloev veshestva na nizhelezhashie pod deistviem sily tyazhesti, chto v svoyu ochered' umen'shaet temperaturu i intensivnost' termoyadernyh reakcii v centre zvezdy.

Dlya uchashihsya sil'nyh i fiziko-matematicheskih klassov podrobnoe rassmotrenie osnovnyh osobennostei kosmicheskogo processa sushestvovaniya zvezd privoditsya v materiale uroka "Evolyuciya zvezd".

Dalee mozhno poznakomit' uchashihsya s metodami rascheta vnutrennih parametrov Solnca i zvezd na osnove gazovyh zakonov. Material mozhet soobshat'sya kak v forme rasskaza uchitelya, tak i v vide problemnogo zadaniya, reshaemogo soobsha vsem klassom pod obshim rukovodstvom pedagoga. Dannyi vopros izlozheniya podrobno izlagaetsya ne tol'ko vo vseh uchebnikah astronomii i sootvetstvuyushih metodicheskih posobiyah [166, 167 i t.d.], no i v nekotoryh uchebnikah fiziki dlya X-XI klassov [A.A. Pinskogo i t.d.]. V nashem posobii eti svedeniya soderzhatsya v materiale uroka "Evolyuciya zvezd".

Pri izlozhenii etogo materiala polezno ispol'zovat' shemy, demonstriruyushie izmenenie temperatury i davleniya v nedrah Solnca (ris. 25). Ih primenenie pomogaet ob'yasnit' vozniknovenie konvekcii, ee rol' v perenose energii ot yadra zvezdy k vneshnim sloyam, a takzhe, na sleduyushem uroke, prirodu i mehanizm vozniknoveniya solnechnyh pyaten i fakel'nyh polei.

Ris. 25. Temperatura i davlenie v nedrah i atmosfere Solnca

Na zaklyuchitel'nom etape uroka mozhno predlozhit' uchenikam vypolnit' 1-3 zadaniya uprazhneniya 3:

Uprazhnenie 14.

Zadachi, predlozhennye V.B. Drozdovym [55] (neobhodimye dlya resheniya dannye ucheniki dolzhny naiti v uchebnoi i spravochnoi literature):

1. Za kakoe vremya massa Solnca vsledstvie izlucheniya umen'shitsya na velichinu massy Zemli? (Otvet: pri izvestnoi svetimosti L¤ = E¤ (moshnosti izlucheniya) Solnca v sootvetstvie s STO massa zvezdy ezhesekundno umen'shaetsya na velichinu: = 4,26× 10⁹ kg - cherez 45 mln. let).
2. K kakim posledstviyam privedet umen'shenie massy Solnca? (Otvet: iz II zakona N'yutona i zakona Vsemirnogo tyagoteniya: i Þ . Po zakonu sohraneniya momenta impul'sa Þ i . Rasstoyanie do planety uvelichivaetsya, a skorost' umen'shaetsya. Period obrasheniya planety Þ ).

3. Zadacha, predlozhennaya E.V. Kononovichem [107]:

Opredelit' srednyuyu plotnost' Solnca (Reshenie:).

4. Kak po Solncu uznayut o "geofizicheskih opasnyh" dnyah?

5. Opredelite temperaturu i davlenie v nedrah Solnca: a) na granice zon termoyadernyh reakcii i luchistogo perenosa; b) na granice zon luchistogo perenosa i konvekcii.

Zamechaniya, rekomendacii i dopolneniya k metodike provedeniya uroka:

V silu mirovozzrencheskoi i nauchnoi znachimosti materiala metodika formirovaniya znanii o Solnce podrobno rassmatrivalas' v rabotah mnogih uchenyh, astronomov, pedagogov vuzov i uchitelei.

1. V posobii "Metodika prepodavaniya astronomii" [173] rekomenduetsya nachat' izlozhenie materiala o Solnce istoricheskoi spravkoi o rezul'tatah pervyh issledovanii Solnca G. Galileem. Dalee predpolagaetsya upomyanut' o tom, chto solnechnoe veshestvo prebyvaet v sostoyaniyah, malo- ili vovse nedostupnyh dlya vosproizvedeniya v zemnyh laboratoriyah i ukazat' sootvetstvuyushie parametry. Metodika izlozheniya materiala neskol'ko inaya, nezheli v nashem proekte uroka: po mneniyu avtorov, "metodicheski polezno nachat' formirovanie obshih predstavlenii o Solnce s rassmotreniya zadachi: znaya radius i massu Solnca, naiti temperaturu, davlenie i plotnost' v tochke, udalennoi na polovinu radiusa ot centra" (s. 171). Dalee sleduet izlozhenie materiala ob energetike Solnca, itogom chego dolzhen stat' vyvod "Solnce i zvezdy – eto svoeobraznye samoupravlyaemye termoyadernye reaktory". Zatem po sheme ris. rassmatrivaetsya izmenenie temperatury v Solnce i formiruyutsya "obshie predstavleniya" o solnechnoi atmosfere; obrashaetsya vnimanie na neobhodimost' pravil'nogo ponimaniya termina "vidimaya poverhnost'" Solnca i ob'yasnenie rosta temperatury v korone.

2. Po mneniyu G.I. Malahovoi [24, s. 57-64], izuchenie temy "Fizicheskaya priroda Solnca" sleduet nachinat' s opredeleniya obshih harakteristik Solnca. Rasstoyanie ot Zemli do Solnca i ego razmery rasschityvaetsya na osnove dannyh o solnechnom parallakse i vidimyh uglovyh razmerah diska; massa i srednyaya plotnost' Solnca – iz III obobshennogo zakona Keplera [po nashemu mneniyu, eto mogut sdelat' sami ucheniki v forme domashnego zadaniya, zadannogo na predshestvuyushem uroke; v klasse uchitel' lish' proveryaet i obobshaet rezul'taty raboty uchashihsya]. Opredelenie temperatury i svetimosti Solnca po velichine solnechnoi postoyannoi na osnove zakona Stefana-Bol'cmana provoditsya uchitelem na doske, a uchenikami v tetradi. Uchitel' rasskazyvaet o drugih sposobah opredeleniya temperatury kosmicheskih ob'ektov. Ucheniki prihodyat k vyvodu o tom, chto veshestvo na Solnce nahoditsya v plazmennom sostoyanii.

Ispol'zuya fotografii spektrov Solnca, vodoroda, geliya i drugih himicheskih elementov, uchitel' ob'yasnyaet principy opredeleniya himicheskogo sostava kosmicheskih tel na osnove dannyh kachestvennogo i kolichestvennogo spektral'nogo analiza. Ucheniki prihodyat k vyvodu o tom, chto Solnce sostoit v osnovnom iz vodoroda i geliya; na doske i v tetradyah zapisyvaetsya ih procentnoe sootnoshenie.

Dalee rassmatrivaetsya vnutrennee stroenie Solnca, istochniki ego energii i stroenie atmosfery. Parametry sostoyaniya veshestva v nedrah Solnca rasschityvayutsya na osnove zakonov molekulyarno-kineticheskoi teorii i termodinamiki.

Uchitel' daet opredelenie solnechnoi aktivnosti, perechislyaet ee proyavleniya s demonstraciei sootvetstvuyushih risunkov i fotografii, ob'yasnyaet mehanizm ih vozniknoveniya i protekaniya.

Mozhno predlozhit' uchashimsya vypolnit' zadaniya, svyazannye s rabotoi po opredeleniyu skorosti vrasheniya Solnca i lineinyh razmerov proyavlenii solnechnoi aktivnosti (pyaten, fakel'nyh polei, protuberancev) na osnove fotografii Solnca, chast' kotoryh mozhet byt' sdelana samimi shkol'nikami (sm. material prakticheskih rabot na s. 144-145). Posle vypolneniya raboty uchitel' predlagaet sdelat' obshie vyvody o skorosti i differencirovannom haraktere vrasheniya Solnca, masshtabah proyavlenii solnechnoi aktivnosti. Bolee podrobnye svedeniya uchashiesya poluchayut doma pri samostoyatel'nom izuchenii materiala uchebnikov.

Dalee formiruyutsya ponyatiya o periodichnosti proyavlenii solnechnoi aktivnosti i harakterizuyushem uroven' solnechnoi aktivnosti chisle Vol'fa. Srednyuyu prodolzhitel'nost' ciklov solnechnoi aktivnosti ucheniki opredelyayut na osnove analiza dannyh ob urovne solnechnoi aktivnosti: uchitel' razdaet kazhdomu iz uchenikov (ili neskol'kim nebol'shim gruppam uchashihsya) kartochki s rezul'tatami podscheta chisel Vol'fa za neskol'ko desyatkov let, ucheniki stroyat grafiki i vydelyayut 11-letnii i 22-letnii cikly; ob'ediniv svoi dannye, oni prihodyat k vyvodu o sushestvovanii "vekovogo" cikla. Poluchennye znaniya dopolnyayutsya pri rabote s solnechnymi fotografiyami: trebuetsya opredelit', v kakuyu epohu solnechnoi aktivnosti byl sdelan kazhdyi snimok i proverit' vyvod o zavisimosti chisla i razmerov pyaten, fakel'nyh polei, formy korony i t.d. ot urovnya solnechnoi aktivnosti.

V zavershenie izucheniya temy sleduet rasskazat' uchenikam o solnechno-zemnyh svyazyah i vazhnosti prognozov urovnya solnechnoi aktivnosti, rabote Sluzhby Solnca.

3. V stat'e T.Zh. Stefanovoi "Urok na temu "Solnce" [275] rassmatrivalas' metodika provedeniya sootvetstvuyushego uroka v shkolah Bolgarii, ob'edinyavshego material, soobshaemyi na urokah "Obshee stroenie i atmosfera Solnca" i "Solnechnaya aktivnost' i ee vliyanie na Zemlyu" v rossiiskoi shkole. Struktura uroka v celom sootvetstvuet predlozhennoi nami v dannom posobii:

1. Obshie svedeniya o Solnce.
2. Stroenie Solnca (yadro, zona luchistogo ravnovesiya, konvektivnaya zona, poverhnostnyi sloi – fotosfera, hromosfera, korona).
3. Himicheskii sostav Solnca.
4. Istochnik solnechnoi energii.
5. Proyavleniya solnechnoi aktivnosti (pyatna, fakely, hromosfernye vspyshki, protuberancy).
6. Cikly solnechnoi aktivnosti.
7. Solnechno-zemnye svyazi i problemy solnechnoi aktivnosti.

V nachale uroka ucheniki sravnivayut razmery Solnca i planet Solnechnoi sistemy. Dlya sozdaniya sootvetstvuyushego emocional'nogo nastroya i zritel'nogo obraza svetila ispol'zuetsya material knigi Ya.I. Perel'mana "Zanimatel'naya astronomiya" i stihi M.V. Lomonosova; pod zvuki muzyki uchenikam demonstriruyut cvetnye slaidy o Solnce. Stavitsya problema: "znaniya o central'nom tele nashei sistemy neobhodimy… poskol'ku oni ob'yasnyayut polyarnye siyaniya, magnitnye buri, izmeneniya v seismicheskoi aktivnosti Zemli " [poslednee ne dokazano].

Obsuzhdayutsya voprosy, svyazannye s dvizheniem Solnca: vrasheniem vokrug svoei osi, peremesheniem otnositel'no blizhaishih zvezd i obrasheniem vokrug centra Galaktiki.

Shema vnutrennego stroeniya Solnca demonstriruetsya pri pomoshi proektora (epidiaskopa ili kodoskopa). Dlya rasskaza o temperature v nedrah i atmosfere Solnca ispol'zuetsya shema, podobnaya privedennoi na ris. 26.

Ucheniki zapolnyayut tablicu 4:

Stroenie Solnca	T, K	Strukturnye elementy	Formy solnechnoi aktivnosti	Deistvie Solnca na Zemlyu
				Dostigayut Zemli	vyzyvayut
Yadro	13*106
Zona luchistogo ravnovesiya
Konvektivnaya zona		Konvektivnye elementy
Fotosfera	6* 103	Granuly	Pyatna, fakely	Vidimoe izluchenie	Izmeneniya v klimate
Hromosfera	105	Spikuly	Flokkuly, hromosfernye vspyshki	Rentgenovskoe izluchenie, kosmicheskie luchi	Ionizaciyu verhnih sloev, magnitnye buri
Korona	2* 106	Koronal'nye luchi, koronal'nye kondensacii	Protuberancy	Korpuskulyarnye potoki, solnechnyi veter	Polyarnye siyaniya

Pri izuchenii harakteristik atmosfery Solnca pered uchenikami stavitsya problema ob'yasneniya povysheniya temperatury v korone. Uchashimsya soobshaetsya o tom, chto orbity Zemli i nizhnih planet lezhat vnutri solnechnoi korony. "Iz skazannogo ob atmosfere Solnca delaetsya vyvod, chto oni tesno svyazany s processami v konvektivnoi zone. Pri vyyasnenii himicheskom sostave Solnca demonstriruetsya diapozitiv, illyustriruyushii otnositel'noe chislo elementov v nem i obrashaetsya vnimanie na to, chto Solnce soderzhit te zhe himicheskie elementy, kakie est' na Zemle. Etot rezul'tat interpretiruetsya kak fakt, podtverzhdayushii material'noe edinstvo Vselennoi".

Kratko rassmatrivayutsya istoricheskie gipotezy o solnechnoi energetike. Termoyadernye reakcii rassmatrivayutsya ochen' negluboko, v chisto oznakomitel'nom plane. Tak zhe na chisto kachestvennom urovne izlagaetsya material o proyavleniyah solnechnoi aktivnosti, mehanizme ih vozniknoveniya i, s demonstraciei sootvetstvuyushego diafil'ma, o solnechno-zemnyh svyazyah. Poverhnostnost' izlozheniya etih vazhnyh voprosov – osnovnoi nedostatok dannogo uroka, ob'yasnyaemyi nehvatkoi uchebnogo vremeni. V zaklyuchenie uroka uchenikam predlagaetsya spisok literatury dlya samostoyatel'nogo izucheniya voprosov, svyazannyh s evolyuciei Solnca.

4. Stat'yu E.V. Kononovicha "Solnce kak zvezda" ob istorii rascheta vnutrennih parametrov Solnca mozhno ispol'zovat' kak vspomogatel'nyi material.

5. V stat'e E.Yu. Dirkova "K izucheniyu temy "Zvezdy i Solnce" [50] opisyvaetsya formirovanie ponyatii o zakonah Vina i Stefana-Bol'cmana (s vyvodom zakonov). Dlya uchashihsya XI klassa material slozhen, on bolee podhodit dlya studentov V kursa fizicheskih fakul'tetov. Astronomicheskih svedenii kak takovyh stat'ya ne soderzhit.

<< Predydushaya

Soderzhanie

Sleduyushaya >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: metodika prepodavaniya - prepodavanie astronomii - nablyudeniya - laboratornye raboty - prakticheskie raboty - uchebnaya programma - uchebnye posobiya - lekcii - pedagogicheskii eksperiment - didaktika - kontrol'nye raboty - zadacha Publikacii so slovami: metodika prepodavaniya - prepodavanie astronomii - nablyudeniya - laboratornye raboty - prakticheskie raboty - uchebnaya programma - uchebnye posobiya - lekcii - pedagogicheskii eksperiment - didaktika - kontrol'nye raboty - zadacha

Sm. takzhe: Illyuziya odinakovyh cvetov Ochnye kursy dopolnitel'nogo obrazovaniya "Astronomiya v sovremennoi shkole" Zagadochnye zelenye pyatna v oblakah Asteroidno-kometnaya opasnost' – grozit li nam "Armageddon" ? Lektorii Planetariya otkryvaet dveri Syfy Poehali Party v Politehnicheskom muzee Issledovanie komety 2010 goda po nablyudeniyam s kosmicheskoi orbital'noi observatorii SOHO. Vse publikacii na tu zhe temu >>