урок по астрономии

Урок 29. Наша Галактика

Цели урока

Личностные: управлять собственной познавательной деятельностью; проявлять готовность к самообразованию; высказывать убежденность в возможности познания окружающей действительности.

Метапредметные: выдвигать и сравнивать гипотезы относительно природы скрытой массы.

Предметные: описывать строение и структуру Галактики; перечислять объекты плоской и сферической подсистем; оценивать размеры Галактики; пояснять движение и расположение Солнца в Галактике; характеризовать ядро и спиральные рукава Галактик; характеризовать процесс вращения Галактики; пояснять сущность проблемы скрытой массы.

Основной материал

Наша Галактика на небосводе. Строение Галактики. Состав Галактики. Вращение Галактики. Проблема скрытой массы.

Методические акценты урока. Учитывая, что предметное содержание урока является для учащихся абсолютно новым, в процессе его раскрытия важно на каждом этапе учитывать три элемента: возможность иллюстрации рассматриваемого материала (при наличии — опыт учащихся по наблюдению определенного элемента на звездном небе), описание и визуальное представление с использованием медиасредств (изображений, анимаций и т. д.), графическое представление модели рассматриваемого элемента.

В начале урока с учащимися организуется беседа с целью систематизации их опыта наблюдения Млечного Пути на небе. При этом акцентируется внимание на следующих аспектах.

1.  Млечный Путь тянется полосой по обоим небесным полушариям под наклоном около 63 к экватору, не имеет резких границ, обладает на разных участках различной шириной и яркостью.

2.  Млечный Путь — проекция Галактики на небесную сферу; Галактика — система небесных тел (главным образом, звезд), в которую входят и Солнце, и Солнечная система.

3.  Большой круг, проходящий посередине вдоль всего Млечного  Пути,  —  галактический  экватор, а образующая его плоскость — галактическая плоскость. Точки неба, равноудаленные на 90 от галактического экватора, — галактические полюсы.

4.  Визуально по мере удаления в обе стороны от Млечного Пути число звезд значительно сокращает- ся, и меньше всего их находится вблизи галактических полюсов. Наибольшую яркость и насыщенность звездами Млечный Путь имеет в направлении созвездия Стрельца.

Учащимся предлагается рассмотреть фотографию Млечного Пути (рис. 6.1 учебника) и выполнить следующие задания.

1. Заполните первую строку таблицы, изобразив графически наблюдаемую на небесной сфере проекцию Галактики.

Далее необходимо активизировать внимание уча- щихся, совместно сформулировав вопросы теоретического характера, исходя из наблюдаемых особенностей Млечного Пути относительно структуры и состава Галактики. Возможны следующие формулировки:

1.  Только ли нашу Галактику мы наблюдаем на небе? Можно ли наблюдать другие галактики?

2.  Из каких пространственных структурных частей состоит Галактика, учитывая, что количество наблюдаемых небесных объектов неравномерно распределено на небе?

3.  Какие небесные тела, кроме звезд, входят в состав Галактики и как они распределены в структурных составляющих Галактики?

Отвечая на первый вопрос, рассматривают туманность Андромеды и наблюдение в ней цефеид, позволивших определить расстояние до другой галактической системы (см. рис. 2 на цветной вклейке учебника). Этот элемент урока подводит к рассмотрению методов исследования характеристик Галактики:

—  сравнение со структурой других галактик (прежде всего, со структурой туманности Андромеды);

—  использование телескопов, осуществляющих исследования в различных диапазонах электромагнитного излучения;

—  теоретические расчеты косвенных величин на основе прямых измерений светимости звезд, характеристик их спектра и т. д.

Важно озвучить длительность времени изучения структуры Галактики, рассмотреть некоторые важные этапы  (открытия  Г.   Галилея,   исследования В. Гершеля, В. Я. Струве, Б. А. Воронцова-Вельяминова и Р. Трюмплера, В. А. Амбарцумяна, А. А. Бе- лопольского). Учащимся предлагается продолжить работу с таблицей.

2.  Заполните вторую строку таблицы, изобразив графически пространственную структуру Галактики. При выполнении задания используйте материал

§ 25.1 учебника.

Далее обращают внимание учащихся на то, что при взгляде на галактический диск «сверху», принятая на сегодняшний день схема предполагает наличие спиральных ветвей, в основном содержащих горячие и яркие звезды, массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики, а объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики, лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме.

3.  Заполните третью строку таблицы, изобразив графически предполагаемую модель в проекции наблюдения галактического диска «сверху». Поставьте в соответствие пространственные структурные составляющие для «боковой» проекции галактического диска и для проекции наблюдения галактического диска «сверху» (используйте стрелки от правой ячейки во второй строке таблицы к правой ячейке   в третьей строке таблицы).

Обобщив графическую интерпретацию строения Галактики, предложенную учащимися, обращают

внимание на составляющие каждой из пространственных структурных составляющих, перечислив их и дав только общую характеристику:

—  звездные скопления и ассоциации;

—  туманности;

—  разреженный межзвездный газ и пыль;

—            космические лучи и магнитные поля. Подчеркивая, что на текущем уроке будет рассматриваться подробно только одна из групп «населения» Галактики, учащимся предлагается задание.

4.  Запишите определение понятия «звездное скопление» и заполните таблицу. При выполнении задания используйте материал § 25.2 учебника.

Сделайте вывод о причинах различия скоплений двух типов и следствиях существования в Галактике звездных скоплений и ассоциаций различного возраста.

Важнейшие акценты рассмотрения состава Галактики относительно звездных скоплений и ассоциаций состоят в следующем:

—  звезды формируются не в одиночку, а группами;

—  процесс звездообразования  продолжается   и  в настоящее время;

—  эволюция Галактики — история процесса звездообразования в ней.

Проанализировав характеристики звездных скоплений и ассоциаций, следует обратить внимание на то, что звезды долгое время считались неподвижны- ми и лишь сравнение координат звезд, полученных в древности, с координатами звезд, полученными в начале XVIII в., показали, что звезды смещаются. Данное движение было названо собственным движением звезды. Так как у учащихся есть базовый запас сведений, позволяющий объяснить метод обнаружения собственного движения звезд, в беседе выявляют следующие методы, позволяющие обнаружить особенности движения звезд:

—  сравнение вида созвездия в различные периоды времени, отстоящие друг от друга (для пояснения используется рисунок 6.10 учебника);

—  фотографическое сравнение участков звездного неба на одном и том же телескопе через промежутки времени;

—  изучение лучевой скорости, которая определяется по смещению линий в спектре звезды (по эффекту Доплера).

Далее учащимся предлагается, используя данные

§ 25.4 учебника, охарактеризовать вращение Галактики и движение звезд в ней, ответив на следующие вопросы:

1.  Где расположено Солнце в Галактике и каковы особенности лучевых скоростей звезд относительно Солнца?

2.    Дайте определение понятия «апекс звезды». В каком направлении расположен апекс Солнца?

3.  Каков период обращения Солнца вокруг центра Галактики?

4.  Сформулируйте определение понятия «коротационная окружность». В чем преимущество положения Солнечной системы в Галактике?

В процессе обсуждения необходимо сделать следующие акценты:

—  галактический диск вращается;

—  период вращения для разных расстояний от центра различен, Галактика вращается не как твердое тело;

—  линейная скорость при удалении от центра сначала быстро возрастает, затем на очень большом расстоянии остается постоянной и даже увеличивается.

Данные аспекты являются основой для обсуждения понятия «скрытая масса». Обращается внимание на то, что выявленная зависимость скоростей вращения звезд от расстояния до центра Галактики (что обнаружено и в других галактиках) не согласу- ется с наблюдаемым распределением звезд, что сви- детельствует о существовании у галактик ненаблюдаемой материи, в 10 раз превышающей массу видимых звезд. Ее природа неизвестна, поэтому она названа «темной материей».

Исследования короны Галактики с 1993 г. проводятся особым методом микролинзирования. Он основан на том, что звезда своим гравитационным полем отклоняет свет, проходящий от более далекого объекта. Так как звезда — сферически симметричное тело, она выступает в роли собирающей линзы. В результате яркость звезды для наблюдателя на Земле увеличивается как вспышка наблюдаемой звезды, если между ней и наблюдателем проходит тело с массой, сравнимой с массой Солнца. Одновре- менное наблюдение звезд в ближайшей галактике Большое Магелланово Облако позволило зафиксировать достаточно много вспышек, свидетельствующих о том, что их причина — микролинзирование звезд массами 0,2—0,3 солнечной массы. Кроме то- го, еще в середине 30-х гг. ХХ в. Ф. Цвикки, изме- рив скорости, с которыми галактики скопления Во- лосы Вероники движутся вокруг общего центра, по- зволил сделать вывод о том, что скорости галактик оказались гораздо больше, чем теоретически пред- полагаемые, с учетом суммарной массы скопления. Следовательно, истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой, но также прояв- ляется гравитационно. Выполненное через 40 лет Ф. Цвикки изучение скоростей вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик, не подчинялось законам Кеп- лера (теоретически скорость вращения галактиче- ских объектов должна была убывать обратно про- порционально квадратному корню из расстояния до центра; на практике оказалось, что для многих га- лактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра). Еще одно важное свидетельство будет рассматриваться позд- нее, и связано оно с теорией Большого взрыва. Необ- ходимо подчеркнуть, что о природе темной материи существует несколько предположений:

—  часть темной материи — обычное вещество, не испускающее или почти не испускающее собствен- ное излучение (звезды небольших масс и низкой све- тимости, коричневые карлики);

—  часть темной материи — слабо взаимодейству- ющие массивные частицы.

Подводя итог урока вместе с учащимися, следует отметить, что открытие короны Галактики не приво- дит к существенному изменению представлений о строении внутренней части Галактики и о процес- сах, которые там происходят. Оно имеет значение для оценки величин средней плотности вещества во Вселенной в целом и построения космогонической теории.

Домашнее задание. § 25.1, 25.2, 25.4; практиче- ские задания.

1.  С каким угловым диаметром будет видна наша Галактика, диаметр которой составляет 0,03 Мпк, для наблюдателя, находящегося в галактике М31 (туманность Андромеды) на расстоянии 600 кпк?

2.  Используя подвижную карту звездного неба, определите, через какие созвездия проходит Млеч- ный Путь.

Темы проектов

1.  История исследования Галактики.

2.  Легенды народов мира, характеризующие ви- димый на небе Млечный Путь.

3.  Открытие «островной» структуры Вселенной В. Я. Струве.

4.  Модель Галактики В. Гершеля.

5.  Загадка скрытой массы.

6 Опыты по обнаружению Weakly Interactive Massive Particles — слабо взаимодействующих мас- сивных частиц.

7. Исследование Б. А. Воронцовым-Вельямино- вым и Р. Трюмплером межзвездного поглощения света.

Задача для подготовки к ЕГЭ по физике

Один ученый проверяет закономерности электромагнитных колебаний в колебательном контуре на Земле, а другой — в лаборатории на космическом корабле, летящем вдали от звезд и планет с выключенным двигателем. Если колебательные контуры одинаковые, то в обеих лабораториях эти закономерности будут:

1)  одинаковыми при любой скорости корабля;

2)  разными, так как на корабле время течет медленнее;

3)  одинаковыми только в том случае, если скорость корабля мала;

4)  одинаковыми или разными в зависимости от модуля и направления скорости корабля.

Интернет-ресурсы

http://www.youtube.com/watch?v=_sQD0Fbr FCw — Наша Галактика. Млечный Путь.

http://www.youtube.com/watch?v=99PR9HSDp BI — Наша Галактика. Взгляд со стороны.

Скачано с www.znanio.ru