План-конспект урока по § 36 главы «Строение и эволюция вселенной» учебника В.М.Чаругина «Астрономия. 10-11 кл.»

Урок «Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение».

Основное содержание: общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной, Обилие гелия во Вселенной и необходимость образования его на ранних этапах эволюции Вселенной. Необходимость не только высокой плотности вещества, но и его высокой температуры на ранних этапах эволюции Вселенной.

Тип урока - урок «открытия» нового знания.

Ресурсы урока: Учебник, § 36, интерактивное учебное пособие «Наглядная физика. Эволюция Вселенной», версия 3.0. Цели урока:

образовательные: узнать какие наблюдения привели к созданию расширяющейся модели Вселенной, о высокой температуре вещества в начальные периоды жизни Вселенной и о природе реликтового излучения, ввести понятие «горячая Вселенная»;

воспитательные: способствовать воспитанию нравственных качеств, содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира; развивающие: способствовать повышению интереса к изучению дисциплины “Физика”, необходимости  привлечения общей теории относительности для построения модели Вселенной, способствовать развитию логического мышления (анализу, обобщению полученных знаний).

Планируемые результаты:

предметные: 

- понять, как из наблюдаемого красного смещения в спектрах далёких галактик пришли к выводу о расширении Вселенной, и, что в прошлом она была не только плотной, но и горячей и, что наблюдаемое реликтовое излучение подтверждает этот важный вывод современной космологии;

-необходимость общей теории относительности для построения модели Вселенной;

-понятие «горячая Вселенная»; 

-использовать знания по физике и астрономии для описания и объяснения современной научной картины мира; личностные:

-формирование положительного отношения к учению, готовности и способности, обучающихся к саморазвитию и самообразованию; метапредметные:

-умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формировать для себя новые задачи в учебе и познавательной деятельности;

-умение самостоятельно планировать пути достижения целей;

-умение соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата; 

-умение оценивать правильность выполнение учебной задачи, собственные возможности ее решения.

Мотивационный этап

В 1965 году было зарегистрировано микроволновое излучение, максимум которого приходится на длину волны 1 мм. Это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или систем. 

Изучение нового материала

Наиболее распространенными элементами во Вселенной являются водород и гелий. Гелий образуются в результате термоядерных реакций синтеза легких ядер водорода. Естественно предположить, что весь наблюдаемый во Вселенной гелий (его около 30 % по массе) образовался в недрах звезд, сформировавшихся из простейшего водорода. 

                Но    данное    предположение    опровергают    простейшие    расчеты.

Светимость Солнца (выделяющаяся энергия за секунду времени) составляет L=4*10²⁶ Дж энергии.

При образовании одного ядра гелия выделяется ΔЕ=4,8*10^-12 Дж энергии. Следовательно, каждую секунду в Солнце образуется n=^𝐿⁄𝛥𝐸=10³⁸ ядер гелия. Это составляет m=4,0026 * 10³⁸ а.е.м.= 6, 7 *10¹¹ кг гелия. Считая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной 1,3*10¹⁰ лет = 3,9*10¹⁷ с, можно подсчитать массу М гелия, которая могла бы образоваться во всех

N=10¹¹ звездах за этот промежуток времени M=m*N*t = 6,7*10¹¹ * 10¹¹ * 3,9*10¹⁷ с = 2,6*10⁴⁰ кг.

Но это лишь 13% от всей массы галактики (масса всех звезд Галактики 2*10⁴¹ кг): 2,6*10⁴⁰ кг/2*10⁴¹ кг = 0,13 = 13%.

Исходя из этого астрофизик Г. Гамов пришел к выводу, что основная масса гелия образовалась не в звездах, а на ранних стадиях расширения Вселенной, еще до формирования в ней звезд. Если учесть, что образование гелия в термоядерных реакциях возможно лишь при температуре свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних этапах расширения Вселенная была не только плотной, но и горячей. Поэтому принятая в настоящее время модель расширяющейся Вселенной получила название модели горячей Вселенной. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к тому времени должна была снизиться до 3 К (-270 ⁰С). Согласно закону Вина, длина волны, на которую приходится максимум излучения нагретого тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре λ=2.9*10^-3/Т=2,9*10^-3/3=0.97 мм.

Это соответствует длине волны обнаруженного излучения в 1965 году. Это излучение равномерно заполняет видимую вселенную, т.е. характеризует горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения. Поэтому это излучение получило название реликтового излучения, т.е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.

Обобщение изученного материала

1.                 Так как основная масса вещества состоит из водорода и гелия, которые взаимосвязаны в процессе термоядерных реакций, происходящих при очень высоких температурах, астрофизик Г. Гамов предположил, что Вселенная в прошлом была плотной и горячей.

2.                 Следствием горячего состояния вещества в начале расширения Вселенной является реликтовое излучение.

3.                 Это подтвердилось открытием в 1965 г. микроволнового излучения с длиной волны 1 мм, что соответствует температуре 2,7 К.

Рефлексия

1.                 Объясните, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью горячей Вселенной.

2.                 Что такое реликтовое излучение?

3.                 Полагая, что радиус вселенной возрастает в зависимости от времени, оцените, когда во Вселенной стали образовываться галактики?

4.                 Задача. Полагая, что все масштабы Вселенной меняются пропорционально радиусу Вселенной R, а максимум реликтового излучения приходится на длину волны λ=1 мм, оцените, на какой диапазон длин волн приходится максимум излучения и какой была температура излучения вселенной в момент образования галактик.

Решение. Используя закон смещения Вина и современное значение температуры реликтового излучения Т₀=2,7 К, а также, что λ͂R, имеем в момент образования галактик: λ=λ_max(R_г/R₀)=1мм/20=0,05 мм, где R_г-радиус современной галактики, R₀-радиус начальной галактики т.е. максимум излучения приходился на оптический диапазон длин волн. Так как Т͂ 1/λ, то Т=Т₀*(R₀/R)=2,7*20=54 К.

Домашнее задание

Читать § 36 учебника; 

Книги для дополнительного чтение:

1.     Дагаев М.М., Чаругин В.М. Астрофизика. Книга для чтения по астрономии: Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1988.

2.     Ефремов Ю.Н. Звездные острова: Галактики звезд и Вселенная галактик. – Фрязино: Век 2, 2007.

3.     Энциклопедия для детей. Т.8. Астрономия. – М.: Аванта+, 2013.