Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии. Урок Онучина В.И.. Конечность и бесконечность Вселенной парадоксы классической космологии(Астрономия 1011, авт. Чаругин В. М.)
 Скачать 283.73 Kb.
|
|
Тема урока: Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии(Астрономия 10-11, авт. Чаругин В.М.) Цельурока: Сформировать у учащихся вывод о нестационарности Вселенной Задачи 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. Оборудование: интерактивная доска, компьютер, презентация. Межпредметные связи: физика (ОТО, спектры, эффект Доплера); обществоведение (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время); Тип урока:изучение нового материала. Вид урока:комбинированный. Этапы урока. I. Организационный этап. II. Актуализация знаний учащихся. III. Изучение нового материала. IV. Закрепление изученного. V. Оценка деятельности. VI. Домашнее задание. VII. Рефлексия. Организация работы на уроке. "Воды, в которые я вступаю, не пересекал еще никто" Александр Фридман I этап – Организационный: Знакомство с темой и целями урока; система оценки результатов. II этап - Актуализация знаний учащихся (повторение): 1)Объясните красное смещение в спектрах галактик по схеме: 2) В чем заключается закон Хаббла для галактик? III этап - Изучение нового материала. Мотивационно-ориентировочная деятельность учащихся Для активизации внимания учащихся в начале урока выполняем следующие задания. 1. Классифицируйте и охарактеризуйте каждый из объектов, представленных на рисунке 1. а) б) в) г) Рис. 1 2. Внимательно рассмотрите изображение уникальной галактики Сомбреро (рис. 2). Она состоит из двух галактик. Опишите эти типы галактик. Рис. 2 3. Используя рисунок 3, опишите процессы в галактиках, изображенные на нем. а) б) Рис. 3 Теоретический этап После последнего задания задаем вопрос о том, какую информацию о галактиках необходимо еще получить и какими известными методами это может быть сделано. В ходе беседы учащиеся самостоятельно называют ряд параметров, определение которых необходимо (расстояние до галактик; их масса), а также методы для их определения (спектральный метод, наблюдение цефеид и измерение параллакса для определения расстояния до галактик). Далее учащимся сообщаем, 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. Совместно с учащимися рассматриваем 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 результате 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 приводим иллюстрацию зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них . Совместно с учащимися делаем вывод о том, что Метагалактика нестационарна. При характеристике нестационарности обращаем 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, на доступном для них уровне излагаем 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 переменным. 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, переходим 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. Практическийэтап Для анализа космологической модели А. А. Фридмана учащимся предлагается следующее задание по работе с рисунком 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 пропорциональности 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 противоположные 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, подчеркиваем, что ОТО позволяет интерпретировать постоянную Хаббла как величину, обратную промежутку времени, прошедшего с момента возникновения Вселенной. Закрепление изученного: Каковы выводы из закона Хаббла? Итогом закона Хаббла 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. В ньютоновской модели мира невозможно объяснить, почему равномерно заполненное звездами пространство — темное, что получило название «фотометрический парадокс». Поясните, как, используя открытие «красного смещения», «снять» фотометрический парадокс? Выводы по уроку — просмотр презентации Оценка деятельности Домашнее задание:§ 34 ; 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. Рефлексия Методическое обеспечение 1. В.М. Чаругин «Астрономия. 10–11 кл.», учебник, М, Просвещение, 2018г. 2. Мультимедийная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г. 3. Мультимедийный курс «Открытая астрономия», версия 2,5 Физикон, 2002г. 4.Ресурсы интернет |