План-конспект урока астрономии «Строение Солнца, солнечной атмосферы. Солнечно-земные связи»

Предмет: астрономия

Тема: «Строение Солнца, солнечной атмосферы. Солнечно-земные связи»

Тип урока: изучение и первичное закрепление новых знаний и способов деятельности.

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

Задачи обучения:

Общеобразовательные - формирование понятий:

- об основных характеристиках Солнца как космического тела: массе, размерах, плотности, движении, химическом составе и состоянии вещества, магнитном поле, возрасте и т.д.
- о внутреннем строении Солнца (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и солнечной атмосфере (фотосфере, хромосфере, короне); - об основных параметрах внутреннего строения (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) - об энергетике Солнца; - о космических явлениях, наблюдаемых в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер).

Воспитательные:

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:

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

Развивающие - формирование умений:

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

Ученики должны знать:

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

Ученики должны уметь:

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

Ход урока:

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

1. Звезды - отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов.

2. Звезды – один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел.

3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.

4. Атомы вещества, из которого состоит наша планета и мы сами образовались свыше 6 миллиардов лет назад в недрах звезд.

5. От ближайшей из звезд – Солнца - зависит существование и развитие жизни на Земле.

Солнце

Масса Солнца 1,989× 10³⁰ кг, в 333434 раз превышает массу Земли и в 750 раз - всех планетных тел Солнечной системы. Радиус Солнца 695990 км, в 109 раз больше земного. Средняя плотность солнечного вещества 1409 кг/м³, в 3,9 раза ниже плотности Земли. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 суток и увеличивается по направлению к полюсам (до 32 суток на широте 60). Солнце обладает магнитным полем со сложной структурой. Возраст Солнца около 5 млрд. лет.

Земля получает 1/2000000000 часть солнечной энергии: на площадку в 1 м^2.

Лучистая энергия - электромагнитная энергия, обычно понимаемая как распространяющаяся в виде волн. 

Температура видимой поверхности (фотосферы) Солнца 5770 К. Спектральный класс Солнца G2.

Детям раздаётся расшифровка спектра разных звёзд, затем даётся спектр Солнца. Дети решают, какие химические элементы есть на Солнце.

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

Уточняется, что сплошным спектром обладают плотные, жидкие или твердые тела, притом тела горячие, нагретые достаточно, чтобы тепловое взаимодействие их молекул создавало множественные энергетические зоны. 

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

Внутреннее строение Солнца:

1. Ядро (зона термоядерных реакций) - центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.

2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн.

3. Зона конвекции простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. В энергию магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону тепловой энергии Солнца.

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

Фотосфера (сфера света) - слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К  наблюдается гранулы - ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут - восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. Убывание температуры в наружных слоях фотосферы приводит к тому, что в спектре видимого излучения Солнца, почти полностью возникающего в фотосфере, наблюдаются темные линии поглощения. Они называются фраунгоферовыми в честь немецкого оптика Й. Фраунгофера (1787-1826), впервые зарегистрировавшего в 1814г. несколько сотен таких линий. По той же причине (падение температуры от центра Солнца) солнечный диск с края кажется более темным.

Хромосфера толщиной около 10⁴ км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Её температура составляет десятки и сотни тысяч кельвин. Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дети просматривают видео про Солнце