урок по астрономии

Урок 32. Космология начала ХХ в.

Цели урока

Личностные: высказывать собственную позицию относительно возможности характеристики стационарности Вселенной; участвовать в обсуждении, уважая позицию оппонентов.

Метапредметные: сравнивать различные позиции относительно процесса расширения Вселенной; оценивать границы применимости закона Хаббла и

степень точности получаемых с его помощью результатов; сопоставлять информацию из различных источников.

Предметные: формулировать основные постулаты общей теории относительности; определять характеристики стационарной Вселенной А. Эйнштейна; описывать основы для вывода А. А. Фридмана   о нестационарности Вселенной; пояснять понятие

«красное смещение» в спектрах галактик, используя для объяснения эффект Доплера, и его  значение для подтверждения нестационарности Вселенной; характеризовать процесс однородного и изотропного расширения Вселенной; формулировать закон Хаббла.

Основной материал

«Красное смещение» в спектрах галактик. Закон Хаббла. Значение постоянной Хаббла. Элементы общей теории относительности А. Эйнштейна. Теория А. А. Фридмана о нестационарности Вселенной и ее подтверждение.

Методические акценты урока. Для активизации внимания учащихся в начале урока можно предложить выполнение следующих заданий.

1.    Классифицируйте и охарактеризуйте каждый из объектов, представленных на рисунке 17.

а)                         б)

в)                         г)

Рис. 17

2.    

Рис. 18

3.  Используя рисунок 19, опишите процессы в галактиках, изображенные на нем.

а)                              б)

Рис. 19

Последнее задание позволяет перейти к вопросу о том, какую информацию о галактиках необходимо еще получить и какими известными методами это может быть сделано. В ходе беседы учащиеся самостоятельно могут назвать ряд параметров, определение которых необходимо (расстояние до галактик; их масса), а также методы для их определения (спек- тральный метод, наблюдение цефеид и измерение параллакса для определения расстояния до галактик). Далее учащимся сообщается, что использование известных методов для определения расстояний до галактик возможно только для ближайших соседей Галактики — туманности Андромеды и Большого и Малого Магеллановых Облаков. Для других галактик методы неэффективны из-за их удаленности. Анализируя рисунок 6.12 учебника, совместно с учащимися рассматривается открытое Э. Хабблом смещение в спектрах подавляющего числа галактик к красной части. Объяснив «красное смещение» эффектом Доплера, формулируется закон Хаббла. На сегодняшний день полагают, что постоянная Хаббла

Н находится в интервале от 50 до 100 (км/(с•Мпк)), следовательно, точность полученного результата может отличаться не более чем на один порядок. Кроме того, закон Хаббла нарушается как для наиболее близких, так и для наиболее удаленных объектов, например квазаров. В 1963 г. голландский астроном М. Шмидт доказал, что линии в спектрах квазаров сильно смещены в красную сторону. Принимая, что это «красное смещение» вызвано эффектом космологического «красного смещения», возникшего в ре- зультате удаления квазаров, расстояние до них определили по закону Хаббла. Так как в последнее время принято полагать, что источником излучения является аккреционный диск сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре Галактики, наиболее вероятно, что «красное смещение» вызвано не удалением квазаров, а гравитационным красным смещением, которое было предсказано А. Эйнштейном при разработке общей теории относительности (ОТО). В таком случае методика определения расстояний до центров светимости квазаров обычным способом может давать совершенно недостоверные результаты.

Далее хорошо бы привести иллюстрацию зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них (иллюстрацию можно найти в Интернете). Совместно с учащимися делается вывод о том, что Метагалактика нестационарна. При характеристике не- стационарности важно обратить внимание на следующие аспекты:

—  расстояние между нашей и другими галактиками, скоплениями и сверхскоплениями галактик непрерывно увеличивается;

—  центр расширения отсутствует;

—  Метагалактика эволюционирует;

—  системы, подобные Солнечной, кратным системам звезд и даже отдельным галактикам, в расширении Метагалактики не участвуют (этому препятствуют силы тяготения между телами, входящими в систему).

В качестве доказательства указанного явления выступают не только наблюдения в различных диапазонах электромагнитных волн, но и теоретические исследования, проведенные советским ученым А. А. Фридманом с опорой на теорию относительности А. Эйнштейна. Учитывая, что учащиеся не знакомы с основами общей теории относительности, важно на доступном для них уровне изложить истоки ее появления и основные положения.

В ньютоновской модели мира выполняются постулаты геометрии Евклида. Пространство неограниченно простирается во все стороны, время везде   и всегда равномерно течет с одинаковой скоростью. Все тела в мире связаны силами взаимного тяготения. Вселенная однородна. В теории Ньютона невозможно вычислить силу тяготения всех тел Вселенной, так как она является суммой всех сил, действующих со стороны всех тел. Невозможно и объяснить, почему равномерно заполненное звездами пространство темное.

Данные противоречия (фотометрический и гравитационный парадоксы) характеризуют только значительные масштабы. Общая теория относительности снимает гравитационный парадокс, так как в  ней вычисляются ускорения тел относительно друг друга, а суммарное действие удаленных тел приравнивается к нулю. В ее основе лежат два постулата (предельность скорости света во всех системах отсчета и движение всех тел с одинаковым ускорением независимо от массы в гравитационном поле). А. Эйнштейн предположил, что силы тяготения имеют  ту же природу, что и силы инерции. Наличие гравитационной массы приводит к изменению свойств четырехмерного пространства — искривлению. Движение тел, наблюдаемое нами, — это проекция четырехмерного пространства на трехмерное пространство и на ось времени. При этом возникают искажения. Аналогией выступает географическая карта, на которой в проекции Меркатора меридианы и параллели изображаются прямыми линиями, а масштаб является пе- ременным. При проведении на глобусе большого круга (прямая на плоскости), на карте Меркатора наша траектория — кривая линия и движение по ней будет ускоренным. Общая теория относительности (ОТО)

предсказывает гравитационные волны, искривление луча света в поле тяготения. ОТО необходима для расчета межпланетных перелетов.

Представив общую характеристику ОТО, необходимо перейти к модели А. А. Фридмана, подчеркнув, что советский физик установил: из уравнений общей теории относительности следует нестационарность Вселенной. Она должна расширяться или сжиматься, при этом объекты удаляются или приближаются к наблюдателю с тем большей скоростью, чем дальше они расположены. Для анализа космологической модели А. А. Фридмана учащимся предлагается следующее задание по работе с учебником.

Теоретическое доказательство нестационарности Вселенной.

1)  Изобразите графически выбранные для исследования области пространства. Укажите, каким характеристикам они отвечают.

2)  Поясните, почему объемы и площади элементов слоя в противоположных от галактики А направлениях пропорциональны квадратам расстояний от галактики до поверхности слоя.

3)  На основе какого критерия сделан вывод о про- порциональности масс квадратам расстояния?

4)  Аналитически докажите, используя предыдущие соотношения и закон всемирного тяготения, что силы, с которыми массы притягивают галактику А, равны по абсолютной величине и направлены в про- тивоположные стороны.

5)  Запишите выражение для ускорения галактики по отношению к галактике, расположенной в его центре. Поясните, какие выводы можно сделать из приведенного соотношения.

Проанализировав итоги выполнения задания, важно подчеркнуть, что ОТО позволяет интерпретировать постоянную Хаббла как величину, обратную промежутку времени, прошедшего с момента возникновения Вселенной. Используя рисунок 6.27 учебника, необходимо проанализировать закон Хаббла. Итогом являются следующие выводы.

1.  Вселенная нестабильна, нестационарна.

2.  Оценка возраста Вселенной определяется приблизительно, но имеет теоретическое обоснование.

3.  Наблюдаемое «красное смещение» в спектрах галактик — свойство далеких галактик, полезное  для определения расстояний до них с помощью закона Хаббла.

Для осознанного использования закона Хаббла в конце урока важно разобрать задания № 2—4 из упражнения 21 учебника, а также предложить учащимся следующее задание.

В ньютоновской модели мира невозможно объяснить, почему равномерно заполненное звездами пространство — темное, что получило название «фото- метрический парадокс». Поясните, как, используя открытие «красного смещения», «снять» фотоме- трический парадокс.

Домашнее задание. § 26 (закон Хаббла, «красное смещение»), 27 (без основ современной космологии); практические задания.

1.  В галактике с «красным смещением» в спектре, соответствующем скорости удаления 104 км/с, вспыхнула сверхновая звезда, видимая звездная величина которой равна +18m. Какие параметры вы можете определить для галактики по данным сведениям?

2.  Определите период обращения Солнца вокруг центра масс Галактики, зная, что орбитальная скорость Солнца 230 км/с, а его расстояние до центра масс Галактики составляет 7200 пк. Поясните, есть ли необходимость учитывать для нашей Галактики процессы, связанные с расширением Вселенной.

Темы проектов

1.  А. А. Фридман и его работы в области космологии.

2.  Значение работ Э. Хаббла для современной астрономии.

3.  Каталог Мессье: история создания и особенности содержания.

Интернет-ресурсы

http://spacegid.com/zakon-habbla.html — Закон Хаббла.

Скачано с www.znanio.ru