План-конспект урока

План­конспект урока астрономии по теме: «Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии» Предмет Астрономия Класс 10­11 Общая часть Тема урока Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии Цель и задачи урока Цель   как   формулировка   конечного   результата   урока:  получить   представление   об   уникальном   объекте   — Вселенной в целом, узнать как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной,  о строении и масштабах Вселенной о понятии космической космологии, особенности наблюдений, изучить строение и эволюцию Вселенной как целого, рассмотреть решение задач на нахождение разрешающей способности, увеличения и светосила телескопа,  о парадоксах,   связанных   с   этим,   о   теоретических   положениях   общей   теории   относительности,   лежащих   в   основе построения космологических моделей Вселенной. Задачи как пути реализации цели урока: ­Обучающая:  ввести   понятия   астрономии,   как   науке   и   основных   разделах   астрономии,   объектах   познания астрономии:  космических  объектах, процессах  и  явлениях;  методах  астрономических  исследований  и  их  особенностях; повторить,   как   формулируется   закон   всемирного   тяготения,   вспомнить,   из   каких   объектов   состоит   Вселенная; объяснить,   как   наукой   доказывается   связь   закона   всемирного   тяготения   с   представлениями   о   конечности   и бесконечности Вселенной; изучить противоречия фотометрического парадокса; объяснить необходимость привлечения общей теории относительности для построения модели Вселенной. ­Воспитывающая:  историческая роль астрономии в формировании представления человека об окружающем мире и развитии других наук, формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с некоторыми философскими и общенаучными идеями и понятиями (материальности, единства и познаваемости мира, пространственно­временными масштабами и свойствами Вселенной, универсальностью действия физических законов во Вселенной), ­ с помощью закона Хаббла   вычислить   с   учащимися   радиус   метагалактики   и   выяснить   расширяется   или   сжимается   Вселенная; Патриотическое   воспитание   при   ознакомлении   с   ролью   российской   науки   и   техники   в   развитии   астрономии   и космонавтики.   Политехническое   образование   и   трудовое   воспитание   при   изложении   сведений   о   практическом применении астрономии и космонавтики. ­Развивающая:  развитие познавательных интересов к предмету, наблюдательности, логического мышления путём систематизации   фактов,   формирование   мировоззрения,   умений   делать   выводы,   применять   полученные   знания   для объяснения явлений. Показать, что мысль человеческая всегда стремится к познанию неизвестного. Формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы. Оборудование   к уроку,  а также  необходимые   дополнительные материалы:  презентация, иллюстрации, таблицы и т.п.: ­компьютер   с   проектором,   интерактивная   доска,   дополнительные   материалы:   презентация,   сопровождающая   по материалу темы урока, видеофрагменты к уроку; ­комплект учебников по астрономии, дополнительная литература; ­таблицы: Метагалактика (наша Вселенная), Эволюция Вселенной; ­ воздушный шарик для иллюстрации расширения Вселенной; ­раздаточный материал для учащихся: проверочный тест по теме.  Структура урока (план, отражающий этапы урока): ­Организационный этап; ­Мотивационный этап: начало параграфа (постановка проблемы); ­Этап изучения нового материала: материал, изложенный в учебнике + дополнительный материал и просмотр учебно­познавательного видеофильма; ­Закрепление изученного материала; ­Рефлексия; ­Домашнее задание.  Раскрытие содержания этапов урока: Подготовка к уроку учащихся. Отметить отсутствующих. Ход урока. Организационный этап Астрономия   –   счастливая   наука:   она,   по   выражению   французского   ученого   Араго,   не   нуждается   в   украшениях. Достижения её настолько захватывающи, что не приходится прилагать особых забот для привлечения к ним внимания. Однако наука о небе состоит не только из удивительных откровений и смелых теорий. В этой науке, как и в любой другой, есть свои противоречия. С ними мы сегодня и познакомимся. Вспомним, как формулируется закон всемирного тяготения? Из каких объектов состоит Вселенная? (Ответы учащихся). Учащимся предлагается прочитайть стихотворение Самуила Маршака и проанализировать его строки. Актуализация знаний Только ночью видишь ты вселенную... Только ночью видишь ты вселенную. Тишина и темнота нужна, Чтоб на эту встречу сокровенную, Не закрыв лица, пришла она.  Вопросы для анализа стихотворения: о чём размышлял человек, написавший эти строки? (почему только ночью можно увидеть Вселенную? Как может Вселенная «закрыть свое лицо»?) назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной что возникает перед твоими глазами, когда ты читаешь эти строки? слышится ли тебе музыка, когда ты читаешь эти строки? Какая музыка? в какой ситуации ты мог захотеть прочитать эти строки?  Мотивационный этап. Постановка проблемы (стр. 126, п.34) «Астрономия   изучает   не   только   отдельные   небесные   тела   и   их   группы:   звёзды,   планеты,   скопления   звёзд, галактики и их скопления, объектом её изучения является Вселенная как единое целое. При изучении небесных тел мы можем сравнивать их между собой, проследить их эволюцию. При изучении Вселенной мы этого делать не можем, так как Вселенная уникальна, мы не можем посмотреть на неё со стороны и сравнить с другой Вселенной». Изучение нового материала. Ребята, сегодня мы работаем с параграфом №34 нашего учебника. Какая тема сегодняшнего урока? (Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии). Какие задачи перед нами сегодня стоят? (Узнать, как связан закон Всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной, какие противоречия раскрывает фотометрический парадокс, почему необходимо привлечение общей теории относительности для построения модели Вселенной?) Внимательно читаем параграф, после его прочтения мы с вами заполним таблицы: (время на чтение 15 минут, в это время вывод на интерактивную доску заготовок таблиц для заполнения). Составьте свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства Свойства Вселенной Аргументы Конечна Бесконечна № п/п 1. 2. 3. Ограничена  Статична  Безгранична  Нестационарная  Определите основные свойства Вселенной Конечна (ограничена сферой неподвижных звезд) Бесконечна Вселенная Н.Коперник Т.Браге Согласно закону всемирного тяготения И.Ньютон А.Энштейн Все вещество Вселенной за ограниченный промежуток времени  должно стянуться в единую тесную систему. Вещество Вселенной под действие тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах – «островах»,  равномерно заполняющих Вселенную. Этап изучения нового материала:  Просмотр фрагмента фильма 100 величайших открытий: Астрономия (5­я серия) об общей теории относительности и расширении Вселенной. Рассказ­объяснение учителя с использованием мультимедийной презентации (за основу материал, изложенный в учебнике, параграф 34). Просмотр видео https://www.youtube.com/watch?v=k5vbxdb­TpQ, чтение статьи из Интернета:   (используется   мобильный   компьютерный   класс)  https://hi­news.ru/science/konechna­ili­beskonechna­ vselennaya.html  Таблицы для заполнения, после изучения параграфа (учащиеся озвучивают (написано курсивом), учитель заполняет на компьютере): Новое понятие Космология Фотометрический  парадокс Определение, раскрытие понятия. Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом. (От греч. космос – мир, Вселенная и логос – учение). Объясняет распределение галактик и их движение (разбегание).  Противоречие   между   предположениями   о   конечности   и   бесконечности   Вселенной. Формулируется в виде вопрос: почему ночью небо темное? Если Вселенная бесконечна, значит в ней бесконечное число звёзд, а если звёзды похожи на Солнце, то любой участок неба должен быть таким же ярким, как Солнце, но этого нет. Если Вселенная конечна, то в ней было бы конечное   число   звёзд   и   небо   не   было   бы   столь   ярким.   Но   предположение   о   конечности Вселенной   противоречит   равномерному   распределению   звёзд.   Согласно   теории   тяготения Ньютона, все звёзды в ограниченной Вселенной рано или поздно собрались бы в одном месте, но этого не происходит. Выступают учащиеся с небольшими сообщениями «Космология» и Фотометрический парадокс». Учитель (презентация   для   наглядности).   В   зависимости   от   средней   плотности   вещества   Вселенная   должна   либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию  до  них –  вывод,  подтвержденный  Э.Хабблом  открытием  красного  смещения  в  спектрах   галактик.  Характер движения и геометрия Вселенной определяется критическим значением плотности вещества: ρкр= , где G­гравитационная постоянная, Н=75 км/с*Мпк – постоянная Хаббла. В   небольших   масштабах   Вселенной   применима   теория   тяготения   Ньютона.   Рассмотрим   далекую   галактику   на расстоянии R от нас (слайд). На ее движение оказывает притяжение только вещество внутри сферы этого радиуса. Масса π 3.   Галактика   движется   по   закону   Хаббла   со вещества   внутри   сферы   радиусом R и   плотностью   скоростью   =Н*R.  Если  эта скорость  меньше  второй  космической,  то  удаление  галактики  сменится  приближением,  т.е. расширение   Вселенной   сменится   сжатием.   Если   больше   или   равна   –   расширение   Вселенной   носит   неограниченный характер. ,   равна   М= *(4/3 )R υ ρ ρ Согласно   закону   всемирного   тяготения:  Всё   вещество   Вселенной   за   ограниченный   промежуток   времени   должно стянуться   в   единую   тесную   систему.  Вещество   Вселенной   под   действие   тяготения   собирается   в   некоторых ограниченных объемах – «островах», равномерно заполняющих Вселенную. Закрепление изученного материала:: Теперь ребята, давайте посмотрим на наши таблицы и на задачи к уроку и ответим, все ли задачи выполнены? (Нет, не все. Осталось ответить на вопрос – почему необходимо привлечение общей теории относительности для построения модели Вселенной?). Что такое фотометрический парадокс? Что представляет собой общая теория относительности и какое значение она имеет для астрономии? Ответ:   Общая   теория   относительности   А.Энштейна   обобщает   теорию   тяготения   Ньютона   для   массивных   тел   и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света, накладывает определенные ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно теории А.Энштейна время не имеет абсолютного характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени.  Данные знания будут нам нужны на следующем уроке для построения космологической модели Вселенной. Рефлексия: Можно предложить учащимся оценить свою деятельность на уроке по пятиступенчатой шкале (шкала выводится на экран): 1) Я ничего не достиг на уроке; 2) Я понял не всё, мне нужно подумать, изучить материал самостоятельно; 3) Я в целом понял всё, но у меня были затруднения; 4) Я всё понял, но не всё успел записать; 5) Я всё понял, всё успел сделать. Ответ пишется на маленьких листочках и сдаётся учителю. Домашнее задание  § 34, решить задачу № 33, стр 131 учебника, привести ещё 2­3 примера парадоксов классической космологии, кроме  фотометрического парадокса, используя другие источники.   Дополнительный материал    : Решение задач: 1. Первые грубые оценки постоянной Хаббла привели к ошибочному значению Н = 530 км/(с×Мпк). Как давно должно было начаться расширение Вселенной при таком значении? 2. Действительно ли постоянная Хаббла постоянна во времени? Считая, что скорости галактик друг относительно друга не меняются, найдите, чему будет равно Н через 6 млрд. лет. Современное значение Н принять равным 75 км/(с×Мпк). 3. Задача № 32, стр. 130 учебника. 4. Усреднённая  плотность  вещества   во Вселенной     = 3×10­28  кг/м3.  Рассчитайте критическое  значение  плотности вещества  и  сравните  его  с  усреднённой  плотностью   вещества  во  Вселенной.  Проанализируйте  полученный  результат и сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная. Вопросы: 1. Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика; 2. Определить содержание  космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса; 3. Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и  бесконечности Вселенной; 4. Описать космологическую модель «горячей Вселенной». 5. Как классифицируются Галактики? 6. Сформулируйте Закон Хаббла. Чему равна постоянная Хаббла? 7. Сформулируйте закон Всемирного тяготения. Чему равна гравитационная постоянная? 8. В каких единицах измеряются расстояния до далеких объектов Вселенной. Какова связь пк, км и св.г.? Эффе́кт   До́плера   —   изменение   частоты   и   длины   волн,   регистрируемых   приёмником,   вызванное   движением   их источника и/или движением приёмника. Эффект Доплера для звуковых волн Эффект Доплера для световых волн  пример Результаты наблюдения   Движение машины с включенной сиреной Когда машина не движется относительно  наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, к оторый издаёт сирена. Но если   машина будет  приближаться к наблюдателю, то частота звуков ых волн увеличится, и   наблюдатель услышит  более высокий тон, чем на самом деле издаёт си рена. А когда машина проедет  дальше  и  будет  уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдат ель услышит более низкий тон (или красное смещение) Движение далеких Галактик Красное   смещение   для   галактик   было   обнаружено американским   астрономом   В.   Слайфером   в   1912— 1914; в 1929 Э. Хаббл открыл, что Красное смещение для   далёких   галактик   больше,   чем   для   близких,   и возрастает   приблизительно   пропорционально расстоянию   (закон   К.   с.,   или   закон   Хаббла).  В результате   красного   смещения   происходит уменьшении энергии приходящих фотонов. Вопросы для обсуждения: 1. Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры. 2. Почему линии в спектрах далеких галактик смещены в красную сторону? 3. Почему красное смещение, определенное по большому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием? 4. Почему несколько ближайших галактик имеет фиолетовое смещение? Ответы: 1. Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение  тона звука свистка проносящегося мимо платформы поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад — больше. 2. Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно принципу Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям, огромный взрыв, происшедший 10—20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик. 3. Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики. 4. Пекулярные скорости этих галактик больше скоростей разбегания галактик. Сформулируйте ответ на вопрос после рассмотрения содержания  фотометрического и гравитационного  парадоксов (работа   производится   в   группах;  каждая   группа   изучает   один   из   парадоксов,  в   дальнейшем  один   из   представителей группы  пересказывает его суть,  решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).  Фотометрический парадокс  (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году): в бесконечной Вселенной, заполненной звездами в хаотичном порядке, наблюдатель с Земли должен постоянно натыкаться взглядом на поверхность звезды (яркость объекта не зависит от расстояния до него). В действительности этого нет.  Для  объяснения   парадокса   Ольберс   предположил,   что  в   межзвездном   пространстве   имеется   рассеянное   вещество, которое поглощает свет далеких звезд.                                                                 Вопросы для обсуждения:                     1.Поясните   невозможность   объяснения   фотометрического   парадокса наличием во Вселенной темной поглощающей материи. 2.Можно ли объяснить парадокс на основе существования красного смещения? Если да, то как?                   3.Поясните   истинность   высказывания   советского   космолога   А.Л. Зельманова, утверждавшего, что сжатие Вселенной будет происходить  без свидетелей. Ответы: 1. Хотя   спустя   столетие   межзвездное   поглощение   света   действительно было обнаружено, оно не смогло разрешить фотометрический парадокс, т.к. сами пылинки   в   безграничной   и   вечной   Вселенной,   однородно   заполненной   звездами, нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.  Фотометрический   парадокс   существует   только   в   однородной   и   расширяющейся   Вселенной, изотропной   статической   Вселенной.   В   теории   разработанной   Александром   Фридманом   и   Эдвином   Хабблом,   фотометрического парадокса  не возникает из­за существования красного смещения. В результате красного смещения происходит уменьшении энергии приходящих фотонов. 2. 3. В   результате   фиолетового   смещения   происходит   увеличении   энергии   приходящих   фотонов   и   как   следствие тепловая смерть человечества. Гравитационный   парадокс  (сформулирован   в   1895г   немецким   астрономом   Х.   Зеелигером):   пользуясь   законом Ньютона, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной   точке.   Если   ее   вычислять,   суммируя   силы,   действующие   на   точку   с   массой  m,   которые   создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль. Если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние г от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом г притягивает точку, расположенную на его поверхности. Вопросы для обсуждения: 1. Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?  2. Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните. 3. Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса. Некоторые предложения по решению проблемы: Конечная масса вещества. Проще всего предположить, что во Вселенной существует лишь конечное количество веще­ ства. Эту гипотезу рассматривал ещё Исаак Ньютон в письме Ричарду Бентли. Анализ показал, что подобный «звёздный ост­ ров» со временем, под действием взаимовлияния звёзд, либо соединится в одно тело, либо рассеется в бесконечной пустоте.  Современная трактовка. Ньютоновская  теория тяготения, как выяснилось в начале XX века, неприменима для расчё­ та сильных полей тяготения. В  общей теории относительности гравитационный парадокс отсутствует, поскольку сила тяго­ тения в ОТО есть локальное следствие неевклидовой геометрии, поэтому сила всегда однозначно определена и конечна. Основы этой теории были заложены в 1916 г А. Эйнштейном (для частного случая статической Вселенной). В общем, виде космологические решения были найдены А.А. Фридманом 1922 г, который показал, что однородная изотропная Вселенная должна быть нестационарной. Свойства   нестационарной   Вселенной  (Метагалактики)  заполнив   пропуски   в   предложении   (подготовленный   текст выдается каждому ученику, работая с текстом учебника, ученик заполняет пропуски):  В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение красного смещения для далеких галактик .  Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла:  , где Н=72 rH  . Использование   закона Хаббла позволяет определить расстояние до далеких объектов и возраст Метагалактики: км  Мпс с ,   t M r   H  13 910 1 H .   Теория   расширяющейся   метагалактики   дает   законы   изменения   температуры   и   плотности: лет T  10  102,1 t   K ,  5105,4  2 t г 3 см , t – время, выраженное в секундах.  Химический состав Метагалактики: водород ­  около 75%, гелия – около 25%.   Выполнение   антропогенного   принципа,   согласно   которому   эволюция   Метагалактики   идет   в   направлении, обуславливающем возникновение разумных существ. ρ плотности вещества ( Эта   зависимость   определяется   значением   критической   плотности    Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью: в зависимости от значения средней ) расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем сменится сжатием. .   Поведения     Метагалактики   в   будущем  3 2 H кр  G 8  неопределенно     из­за   наличия  тёмной   материи,  существование   которой   сложно   обнаружить   по   ее   излучению   и включающей до 95 % от всего вещества, – черные дыры,  маломассивные звезды малой светимости, нейтрино и т.д. 4.Может ли быть бесконечное расширение Вселенной? 5.Каких химических элементов больше всего во Вселенной и когда они образовались?              Ответы:  «Модель «горячей Вселенной»: в прошлом излучение и вещество эффективно взаимодействовали между собой, между ними существовало термодинамическое взаимодействие. Температура вещества и излучения была одинаковой и высокой – Вселенная была «горячей».           Вопросы для фронтального обсуждения: 1.Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало? 2.Почему Вселенная нестационарна? 3.Влияет   ли   космологическое   расширение   Метагалактики   на   расстояние   между   Землей   и:   а)   Луной;   б)   центром Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андромеды; г)  центром местного сверхскопления галактик? 1. Галактики образовались из разлетающегося вещества и сохранили его импульс. 2. Основная сила в космосе — это гравитация, которая стремится собрать все вещество. Равновесие при действии только   сил   тяготения   невозможно.   В   зависимости   от   величины   начальной   скорости   вещество   может   неограниченно расширяться или расширяться с замедлением 3. В космологическом расширении не участвуют гравитационно­связанные системы (Солнечная система, галактика, скопления   галактик).   Поэтому   в   этих   случаях   космологическое   расширение   не   влияет   на   расстояния   между   Землей   и указанными объектами. 4. Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности ркр= 3  10­27 кг/м3, то Вселенная будет  бесконечно   расширяться.  Современные   оценки  средней  плотности  видимого  вещества   дают  значение   р  =  3  ­10­28 кг/м3. Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен. 5. По массе во Вселенной больше всего водорода (77,4%) и гелия (20,8%). Водород и гелий образовались через 5 минут после начала Большого взрыва. Примерное содержание таблицы «Этапы эволюции Вселенной» Эры Время от «начала», с Этапы эволюции Температура, К Плотность, г/см3 Планковская Рождение реликтовых гравитонов ? ? Андронная до 10 5 Граница применимости релятивистской теории  тяготения Возникновение зарядовой ассиметрии Аннигиляция нуклонов и антинуклонов Лептонная 10 4 Граница применимости экспериментально проверенных законов физики Аннигиляция мезонов Образование реликтового нейтрино Излучения Вещества 10   3 10 10 2 10 10 6 9 10 10 Аннигиляция электронов и позитронов Образование первичного гелия Отрыв реликтового излучения Начало возникновения звезд и галактик Современная эпоха 10 10 32 28 3*10 12 10 12 3*10 2*10 11 10 10 10 10 9 4*10 3 30 2,7 10 10 10 10 94 78 16 14 10 12 10 10 10 7 4 2 10 21 10 27 10 30