Разработка плана-конспекта урока по учебнику В.М.Чаругина «Астрономия. 10-11 кл» Глава 8 «Строение и эволюция Вселенной». Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная.

Практическая работа "Разработка плана­конспекта урока" Глава 8 «Строение и эволюция Вселенной». Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная.  (урок 30) Цель Показать связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и  бесконечности Вселенной.  Рассмотреть фотометрический парадокс и объяснить противоречия между классическими  представлениями о строении Вселенной и наблюдениями.  Обосновать необходимость применения общей теории относительности для построения  модели Вселенной.  Учить объяснять современную научную картину мира с опорой на знания по физике и  астрономии,  формировать познавательный интерес к физике и астрономии, прививать  чувство уважения к достижениям науки; развивать любознательность, умение  анализировать, самостоятельно формулировать выводы.  Задачи урока:  Вести понятия космология, метагалактика, фотометрический парадокс. Дать  представление о бесконечности Вселенной. Показать связь средней плотности материи с  законом расширения и геометрическими свойствами Вселенной. Продемонстрировать  способ определения радиуса и возраста Вселенной. Побуждать учащихся познавать  окружающий мир, расширять кругозор, развивать тягу к знаниям, интерес к наукам. Тип урока: изучение нового материала.  Вид урока: комбинированный. Ресурсы:  учебник В.М. Чаругина «Астрономия» 10­11кл  §34, 35 http://www.uchportal.ru/load/39­1­0­16368­опорные конспекты по астрономии. 11 класс.  2010 Б.А.Воронцов­Вельяминов АСТРОНОМИЯ  КОНСПЕКТ № 9 «КОСМОЛОГИЯ»  Автор: Конев Владимир Викторович https://youtu.be/rve_x4nBpts       Фотометрический парадокс youtube.com http://gk170.ru/51/nuton­foto­15842.html ­портрет Ньютона http://uz.com.ru/wiki/Ольберс,_Генрих_Вильгельм#/media  ­ портрет Ольберса http://d977569s.beget.tech/pro/5143­Albert­Einstein.html ­ портрет Эйнштейна https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/Aleksandr_Fridman.png ­ портрет  А.Фридмана. https://multiurok.ru/img/312085/image_5a13279962c86.png ­портрет Э.Хаббла Познание человеком Вселенной происходило этапами: от столов и черепахи, поддерживающей Землю, к концентрическим сферам около Земли, центру Вселенной в Солнечной системе в Средневековье и к современной теории Большого Взрыва.  Оргмомент.  С давних времён человек хотел узнать, как устроен мир, как он появился, каково было начало всего того, что нас окружает. И вы, признайтесь, тоже задумывались над этим. К. Фламмарион. В последнее время возможности науки помогают далеко продвинуться в изучении этого вопроса. Причем первые реальные представления о Вселенной были получены только в 1990 году, когда на околоземную орбиту был запущен телескоп «Хаббл». Уже тогда ученые были поражены масштабами Вселенной. Теперь  хорошо известно, как устроена Вселенная в очень большой её области. Но чем  больше мы узнаём, тем больше возникает новых вопросов. Увы, на каждом этапе познания  учёные сталкиваются с пределами познавательных возможностей, возникающих из­за  несовершенства инструментов и методов исследования. Порой ограничения в познании с помощью эксперимента и наблюдения накладываются уже самими законами природы. И поэтому получить ответы на все вопросы мы пока не можем. Но сегодня на уроке мы  рассмотрим: 1. Чем  современные представления о Вселенной отличаются от античных? 2. Как закон всемирного тяготения Ньютона помогает доказать бесконечность  Вселенной? 3. Почему ночью небо тёмное? 4. Почему, изучая Вселенную, нужно учитывать  пространственно­временной  континуум? 5. Какие существуют модели эволюции Вселенной? 6. Как определили возраст Вселенной? Актуализация знаний. Вопросы учащимся Что вы понимаете под словом Вселенная? Ответ: Вселенная – это весь окружающий нас мир.  Расскажите, из каких объектов состоит Вселенная. Ответ: Вселенная состоит из галактик, из скоплений звезд, планет, комет,  астероидов, межгалактической пыли и газа. Можно ли изучать Вселенную, наблюдая со стороны за похожим объектом? Ответ: Объекта, похожего на Вселенную, с возможностью его детального изучения,   нет. Но изучив часть Вселенной, ученые предполагают, что полученные знания можно  распространить на всю Вселенную. Изучение нового материала (лекция учителя с элементами беседы и самостоятельной  работы учащихся). Знаете ли вы, что существуют раздел астрономии, посвященный изучению строения  и эволюции Вселенной? Называется он космология. Термин «космология» образован от  двух греческих слов: cosmos – Вселенная, мир и logos – закон, учение. Основой космологии являются астрономические наблюдения Галактики и других звездных систем, общая  теория относительности, физика микропроцессов и высоких плотностей энергии,  релятивистская термодинамика и ряд других новейших физических теорий. Многие положения современной космологии ­ понятия бесконечности, темной  материи, Большого взрыва ­ не поддаются наглядному физическому восприятию; такие  объекты и процессы нельзя зафиксировать непосредственно. Из­за этого складывается  впечатление, что речь идет о чем­то фантастическом. Современная космология – это  раздел астрономии, в котором объединены данные физики и математики, а также  универсальные философские принципы. Размышления о происхождении и устройстве  Вселенной нельзя проверить на опытах. По этой причине космологические модели  существенно различаются между собой – в их основе зачастую лежат противоположные исходные философские принципы. В свою очередь, любые космологические выводы также  влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т.е. изменяют  фундаментальные представления человека о мире и самом себе. Современная космология  базируется на том, что законы природы, установленные при изучении весьма ограниченной  части Вселенной, могут быть распространены на всю Вселенную.  С античных времен люди задумывались об устройстве Вселенной. Долгое время  считалось, что Вселенная ограничена в пространстве и постоянна во времени: звезды всегда находятся на одних и тех же местах. Таких взглядов придерживались Н.Коперник и Т.  Браге. До сих пор существуют ученые, считающие, что Вселенная ограничена. Например,  израильский математик, профессор Дорон Зельбергер, убеждён, что бесконечности нет.  Даже числа не могут увеличиваться бесконечно, и существует такое огромное число, что  если прибавить к нему единицу, получится ноль. Современные наблюдения Вселенной пока не доказали и не опровергли факт конечности или бесконечности Вселенной. Для  наблюдений нам доступна только ограниченная часть Вселенной, но никаких видимых  границ Вселенной не обнаружено. Закон Всемирного тяготения, открытый И.Ньютоном, дал подтверждение бесконечности  Вселенной.  Вопрос учащимся: О чём говорится в законе всемирного тяготения? Ответ: Все материальные точки притягиваются друг к другу с силой, модуль которой  прямо пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату  расстояния между ними. Одним из следствий этого закона является вывод о том, что в конечной Вселенной  всё вещество должно собраться в одном месте. В бесконечной Вселенной вещество  сосредотачивается сгустками. Но если предположить, что Вселенная бесконечна, то в любом направлении, куда бы мы не бросили взгляд, мы должны видеть свет звезд, которых бесконечно много  распределено во всех направлениях. Тогда ночью все небо должно светиться так же, как и  днем. Почему же небо ночью черное и не покрыто сплошь звездами? (иллюстрация в  учебнике на стр 126). Если же предположить, что Вселенная ограничена, то, по закону  Ньютона, все звезды рано или поздно должны были бы собраться в одном месте. Это  противоречие получило название фотометрического парадокса. Его называют так же  парадоксом Ольберса, который привлек к нему внимание в XIX в. Вопрос учащимся: Какое объяснение фотометрического парадокса могли бы  предложить вы? (выслушать версии учащихся) Знаменитый американский писатель Эдгар По дал одно из решений парадокса в  1848году, а математические расчеты сделаны Уильямом Томсоном в 1901 году. Их  решение основано на конечности возраста Вселенной. Ознакомьтесь с этим материалом,  посмотрев видеоролик. https://youtu.be/rve_x4nBpts   Фотометрический парадокс youtube.com 12 мая 2010 При помощи закона всемирного тяготения можно объяснить бесконечность  Вселенной, но для объяснения устройства Вселенной закон Ньютона не подходит, так как  он справедлив для тел, скорости которых много меньше скорости света. При скоростях,  сравнимых со скоростью света, следует использовать общую теорию относительности  Эйнштейна. По теории относительности Эйнштейна гравитационное взаимодействие  передается не мгновенно, а со скоростью света. В галактиках сосредоточена колоссальная  масса вещества, движутся галактики со скоростями, близкими к скорости света. Значит,  согласно теории Эйнштейна, происходит искривление пространства­времени. Таким  образом, движение и распределение материи в пространстве нужно рассматривать с учетом геометрических свойств пространства и времени. Как говорил сам Альберт Эйнштейн,  наиболее правильное описание пространства­времени должно быть «так просто, как  возможно, но не проще этого». Современная теория пространства­времени имеет 4  измерения, 3 из которых пространственные и одно временное. При этом только от  наблюдателя зависит, какая из них будет принята за систему отсчета. Пространство­время  имеет динамическую природу, а инструмент, с помощью которого измерения   взаимодействуют с физическими телами и объектами – это гравитация. Согласно  положениям современной физики, пространственно­временной континуум – это  непрерывное многообразие, оно не плоское, но может изменять кривизну динамически, в  зависимости от условий.  В 1922 г. советский физик Александр Фридман открывает с помощью общей теории  относительности Эйнштейна три возможных сценария развития Вселенной. Согласно им  Вселенная может сжиматься, расширяться, схлопываться и даже возникать из точки. В  1924 г. Фридман предлагает еще одну революционную идею о возможности существования  динамической Вселенной с отрицательной кривизной, а значит, бесконечной по объему и  неограниченной в пространстве. А. Фридман сумел расчетным путем определить  критическое значение пространственной плотности Вселенной ρкр=10­29 г/см3. Чуть позже  мы увидим, что от критического значения плотности вещества зависит характер движения  и геометрия Вселенной. Спустя десятилетия космические наблюдения подтвердили, что один из трех  сценариев развития космоса, предложенных Фридманом в 1922—1924 гг., оказался  соответствующим действительности. Трем американским астрономам, обнаружившим  ускоренное расширение Вселенной, была присуждена Нобелевская премия по физике в  2011 г. При обосновании важности этого открытия Шведская королевская академия наук  ссылается на работы Фридмана. В XX веке стали известны два экспериментальных факта,  подтверждающих расширение Вселенной: красное смещение и  реликтовое излучение.  Расширение Вселенной можно проследить по характеру движения одной галактики,  которая удаляется от нас со скоростью меньшей, чем скорость света. Работа с текстом учебника (можно самостоятельно, можно разбить класс на мини­группы  и дать конкретный вопрос для дальнейшего освещения). Ознакомьтесь с текстом учебника на стр 128­129, начиная со слов: «Рассмотрим  далёкую галактику, расположенную на расстоянии R от нас» и до конца 129 стр.  Ответьте на следующие вопросы: 1. Где находится вещество Вселенной, влияющее своим притяжением на движение  выбранной галактики? 2. Как вычислить массу вещества, находящегося внутри сферы радиуса R? 3. Как по закону Хаббла вычисляется скорость галактики? Какой формулой можно  выразить вторую космическую скорость? 4. Объясните, почему при скорости галактики меньшей второй космической, её  удаление может смениться приближением, а при скорости большей или равной  второй космической для данной сферы, удаление будет продолжаться. 5. Проведите преобразования отношения скорости галактики ко второй космической  скорости, выразив это отношение через плотности вещества. 6. Проанализируйте модель эволюции Вселенной в зависимости от плотности вещества во Вселенной. 7. Какова роль гравитации в расширении Вселенной? 8. Как плотность вещества во Вселенной влияет на геометрию Вселенной? Выслушать ответы учащихся. Продолжение лекции. Наблюдаемую часть Вселенной называют мегагалактикой или метагалактикой.  Радиус наблюдаемой части Вселенной называют горизонтом видимости. Если учесть,  что максимальная скорость разбегания галактик равна скорости света, а по закону  Хаббла  =1,3∙1010св.лет=1,24∙1026м. –это радиус мегагалактики.  , то   HRv R  c H Зная радиус мегагалактики, можно вычислить среднюю плотность Вселенной. Так как во Вселенной находится около  N=1011 галактик, а каждая состоит примерно из n=1011 звёзд массой, сравнимой с массой Солнца. То общая масса вещества в  Метагалактике М=NnMʘ=1011∙1011∙1030кг. Объём Галактики равен V= = 3 R 4 3 м3.   24,1 14,3  2610 3 4 3 Плотность мегагалактики М V  14,34  3 1,3∙10­27кг/м3. Расчеты   кг 52 10   24,1 26  10 3  3 м показывают, что средняя плотность Вселенной в 8 раз меньше критической. А  следовательно Вселенная будет расширяться. Определить из наблюдений истинную плотность Вселенной оказалось сложнее. Если  учесть скрытую массу и массу физических полей, то плотность Вселенной оказывается  близка к критической. Правда темная энергия полностью не изучена, но наблюдения  показывают, что  она обладает антигравитацией, то есть скорость расширения  Вселенной растет. Для определения возраста Вселенной воспользуемся законом Хаббла V=HR.  Наблюдаемая нами галактика находится на расстоянии R от нас, её скорость равна V.  Тогда своё удаление от нас она начала в момент времени  лет  t  R V R HR 1 H  13 910 назад. Можно предположить, что 13 млрд лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в небольшом объеме и имело очень высокую плотность и очень высокую  температуру. И тогда не существовало ни атомов, ни молекул. Была сверхплотная  смесь элементарных частиц. Что было до этого сверхплотного состояния неизвестно.  Неизвестны причины вызвавшие расширение Вселенной. Учеными  была предложена  теория Большого взрыва для объяснения причины разбегания вещества во всех  направлениях.  Расширение привело к уменьшению плотности вещества, и на  определенном этапе ( примерно через 1 млрд лет после большого взрыва)  формироваться галактики. И так как галактики с большой скоростью продолжают  удаляться, свет от этих галактик испытывает красное смещение, энергия фотонов  уменьшается за то время пока они доходят до нас. Поэтому ночью мы видим тёмное  небо. Итог урока. В начале урока были сформулированы вопросы, на которые мы сегодня  пытались получить ответы. Попробуйте кратко ответить на них. 1. Чем  современные представления о Вселенной отличаются от античных? 2. Как закон всемирного тяготения Ньютона помогает доказать бесконечность  Вселенной? 3. Почему ночью небо тёмное? 4. Почему, изучая Вселенную, нужно учитывать  пространственно­временной  континуум? 5. Какие существуют модели эволюции Вселенной? 6. Как определили возраст Вселенной? Оценить активно работавших учащихся. Домашнее задание:  1. Прочитать §34, 35 по учебнику В.М.Чаругина «Астрономия. 10­11 кл», ответить на  вопросы к параграфам. 2.  Составить глоссарий (словарь специальных терминов) по теме, записав разъяснение  понятий: космология, мегагалактика (метагалактика), радиус Вселенной, горизонт  видимости. 3.  Составить опорный конспект по теме, используя как образец опорные конспекты по  астрономии. 11 класс. 2010 Б.А.Воронцов­Вельяминов АСТРОНОМИЯ  КОНСПЕКТ № 9 «КОСМОЛОГИЯ» Автор: Конев Владимир Викторович http://www.uchportal.ru/load/39­1­0­16368  4. индивидуально: решить задачи №32, 33.