План практического занятия элективного курса "Астрономия" для 9 класса на тему "Солнечные затмения"
план-конспект занятия по астрономии (9 класс) на тему

Урок элективного курса «Астрономия» 9 кл.

Солнечные затмения

Цели урока.

Учащиеся должны усвоить:

1. Условия наблюдения полного, кольцеобразного и частного солнечного затмений.
2. Условия наступления солнечных затмений;
3. Практическое наблюдение частного солнечного затмения.
4. Периодичность наступления солнечных затмений.

Оборудование  Модель Солнечной системы, ПК, мультимедийный проектор, презентация, закопченные стекла для наблюдений;

План урока.

1. Изучение нового материала – 15 мин.

  1.1 Условия видимости солнечных затмений.

         полные затмения

         кольцевое затмение

         частное затмение

  1.2 Условия наступления солнечных затмений.

2. Практические наблюдения затмения на местности – 20 мин.

3. Закрепление материала – обсуждение результатов наблюдений – 10 мин.

Изложение основного метериала,

 Условия наблюдения солнечных затмений

Совершая свой ежемесячный цикл вокруг Земли, Луна иногда проходит между нею и Солнцем. Видимые размеры Луны и Солнца  почти одинаковы: диаметр Солнца в 400 раз превышает лунный, однако оно находится в 400 раз дальше. Это чистое совпадение, но какая удача для нас! По этим причинам Луна во время своего движения периодически частично или полностью заслоняет Солнце – такое явление называется солнечным затмением. 

Выясним условия видимости солнечных затмений.

Луна, освещаемая Солнцем, отбрасывает в пространство сходящийся конус тени и окружающий его расходящийся конус полутени. Лунная тень и полутень на земной поверхности имеют вид овальных пятен. Из мест, оказавшихся в лунной тени, видно полное солнечное затмение – там Солнце полностью закрыто Луной. В это же время в местах, расположенных в лунной полутени, происходят частные затмения.

Рис. 1 Построение лунной тени и полутени на поверхности Земли

Из-за движения Луны по орбите со скоростью около 1 км/с ее тень приблизительно с той же скоростью перемещается относительно Земли. Максимальное время, в течение которого тень Луны (область полного затмения Солнца) скользит по Земле, составляет около 3,5 ч, а полутень (область частичного затмения) задерживается на Земле около 5,5 ч.

Рис. 2. Образование полосы лунной тени и полутени вследствие движения Луны вокруг Земли.

        Путь лунной тени на поверхности Земли образует полосу, называемую полосой полной фазы. Жители, оказавшиеся на пути тени, т. е. в зоне полной фазы, наблюдают полное затмение Солнца (рис. 3 – рисунок)

Рис. 3а. Солнечное затмение 1994 года в Боливии

Продолжительность этого явления зависит от широты местности, поскольку поверхность Земли вращается в том же направлении – с запада на восток, куда движется лунная тень, с максимальной скоростью на экваторе 0,46 км/с. Поэтому в районе экватора полные затмения могут длиться до 7 мин 40 с, а на широте 45° – до 6,5 минут. В каждой точке Земли полное затмение происходит в среднем один раз за 360 лет.

Ширина полосы полной фазы, равная поперечнику лунной тени, зависит от взаимных расстояний Луны, Земли и Солнца во время затмений. При самом благоприятном стечении обстоятельств диаметр лунной тени не превышает 270 км (рис. 4а, 4б) 

Рис.4а. На поверхности Земли хорошо заметна лунная тень

Рис.4б. Полное солнечное затмение 11 августа 1999 года

Перед началом полного затмения яркость заметно убывает и узкий серпик Солнца можно наблюдать без светофильтра. Серпик быстро сужается, и когда он занимает совсем небольшой участок дуги, это называют «брильянтовым кольцом». В последний момент этот участок разбивается на цепочку ярких пятен, называемых «четками Бейли», – это лучи Солнца светят сквозь неровности лунного края (лунные долины). Вдруг наступает темнота, и появляется белоснежная солнечная корона. Ее яркость в полмиллиона раз ниже, чем у диска Солнца, и быстро спадает к краям, но при наступившей темноте отдельные лучи короны можно проследить до расстояния в несколько градусов. Вдоль края лунного диска видна розоватая полоска хромосферы. Иногда видны яркие розовые язычки протуберанцев, вытянувшиеся над хромосферой. Кое-где на небе заметны звезды. Через несколько минут с противоположной стороны солнечного диска появляются «четки Бейли» и «брильянтовое кольцо» – полное затмение закончилось и корона померкла в лучах Солнца.

Рис. 5. «Четки Бейли» (справа) и «бриллиантовое кольцо» (слева) во время солнечного затмения

        .

        Если в момент солнечного затмения Луна проходит перигей (ближайшую к Земле точку орбиты), то она полностью затмевает Солнце. Но, в апогее (наиболее удаленной точке орбиты) угловой размер ее диска меньше солнечного, поэтому происходит кольцевое затмение. Средняя длина лунной тени 373 тыс. км, тогда как среднее расстояние от Земли до Луны 385 тыс. км. Поэтому в большинстве затмений лунная тень не дотягивается до земной поверхности (рис. 7). 

        Рис. 7. Образование кольцеобразного солнечного затмения.

        При таком положении Луна не полностью закрывает солнечный диск, а оставляет видимым тонкий ободок (рис. 8)

Рис 8. Кольцеобразное солнечное затмение

        При таком кольцевом затмении яркий ободок Солнца не позволяет увидеть ни корону, ни звезды вблизи Солнца. Поэтому кольцевые затмения не представляют большого научного интереса.

При частных же затмениях Солнца общий поток его света ослаблен незначительно, т. ч. многие люди даже не замечают этого явления, если заранее не были предупреждены. Не закрытая Луной часть солнечного диска сияет в виде «месяца»; это легко увидеть, если посмотреть на Солнце через плотный светофильтр, например кусок засвеченной фотопленки.

Условия наступления солнечного затмения

Если бы орбиты Земли и Луны лежали в одной плоскости, то солнечное затмение происходило бы при каждом новолунии, но в действительности лунная орбита наклонена по отношению к земной орбите, а, значит, к эклиптике, по углом примерно равным 5°, поэтому в большинстве случаев новая Луна проходит невидимой под Солнцем или над ним. Чтобы произошло затмение, новая Луна должна находится очень близко к узлу, точке, где её орбита пересекает плоскость эклиптики.

Насколько близко к узлу лунной орбиты должна находится Луна  в момент новолуния? Чтобы произошло частное затмение необходимо видимое касание солнечного и лунного дисков, диаметры которых близки к 0,50, и следовательно угловое расстояние между центрами диском должно быть 0,50. Учитывая параллактическое смещение Луны, расчеты показывают, частные солнечные затмения могут произойти при новолуниях, наступающих не далее 18˚ от лунных узлов, а при расстояниях менее 16˚солнечные затмения происходят обязательно (рис. 9).

Рис.9. Новолуние. Если в это время угловое расстояние Солнца до узла лунной орбиты меньше 16,50, земной наблюдатель увидит, как диск Луны проскользнет по диску Солнца

Представим себе на небе эклиптику, пересекающийся с нею в лунных узлах лунный путь (рис.10). Отметим положения Солнца и Луны в различные новолуния.

Рис. 10. Эклиптика и лунный путь, на котором указаны положения Луны в новолуния

При новолуниях, происходящих вдали от лунных узлов (1, 5, 6, 7, 8, 12) солнечные затмения невозможны – Луна проходит на небе ниже (южнее) или выше (севернее) Солнца. И только при новолуниях вблизи лунных узлов наступают частные (2, 4, 9, 11) и полные или кольцеобразные солнечные затмения. (3, 10)

Дуга эклиптики, в пределах которой происходят солнечные затмения, имеет протяженность в 32˚–36˚ и называется зоной солнечных затмений. Солнце, ежесуточно смещаясь по эклиптике на 1˚, проходит эту зону за 32–36 суток. За этот период обязательно наступает хотя бы одно новолуние, а иногда два (вблизи краев зоны), так как они чередуются через синодический месяц 29,53 суток.

Зоны солнечных затмений диаметрально противоположны, и Солнце, выйдя из одного лунного узла, должно подойти к другому ровно через полгода, 183 дня. Но из-за отступления лунных узлов сами зоны затмений смещаются за полгода навстречу Солнцу на 10˚, а Луна движется в прямом направлении, и поэтому солнечные затмения происходят на 5 дней раньше, т. е. через 178 суток. Таким образом, ежегодно происходят обязательно 2 солнечных затмения любого вида, а в очень редкие годы – до пяти солнечных затмений с малыми фазами.

1.5. Периодичность затмений

На протяжении одного календарного года происходит от 2 до 5 солнечных и от 0 до 3 лунных затмений и, казалось бы, наибольшее число затмений в году равно 8. Однако, здесь, образно говоря, «арифметика нарушается». Вспомним, что пятое солнечное затмение и третье лунное затмение в году происходит из-за смещения лунных узлов навстречу Солнцу и Луне, и поэтому лишь одно из них может произойти в конце текущего года, а второе придется уже на начало следующего (ведь, от новолуния до полнолуния проходит примерно 2 недели!). Таким образом, наибольшее число затмений не превышает семи в одном календарном году. Однако, обычно на протяжении года происходит 2–3 солнечных и 1–2 лунных затмения, т. е. первые бывают почти в полтора раза чаще вторых. Тем не менее, лунные затмения наблюдаются чаще потому, что они видны со всего ночного полушария Земли, в то время как солнечные только из области лунной тени или полутени.

Лунные и солнечные затмения неизбежно повторяются, т.к. их наступление зависит от трех периодов. Во-первых, новолуния и полнолуния повторяются через синодический месяц S = 29, 53 сут. Во-вторых, из-за отступления лунных узлов на 19˚ в год Солнце, выйдя  из одного лунного узла, снова к нему возвращается через период Т  = 346,62 сут, называемый драконическим годом. Наконец, по той же самой причине Луна возвращается к тому же узлу через драконический месяц S = 27,21 день. Можно подсчитать, что

223 S = 223  ·29,53 сут. = 6585,32 сут.

242 S = 242 · 27,21 сут. = 6585,35сут

19 Т = 19 · 346,62 сут. = 6585,78 сут.

Следовательно, каждое затмение повторяется через период 6585 суток = 18 лет 11 дней, называемый саросом, на протяжении которого происходит 70 затмений, в том числе 42 солнечных и 28 лунных. Однако по истечении сароса каждое затмение повторяется в несколько иных условиях, так как он не содержит целого числа суток. За избыток около 1/3 суток (сверх 6585 дней) Земля повернется вокруг своей оси примерно на 120˚, поэтому лунная тень побежит по земной поверхности примерно на 120˚ западнее, чем 18 лет назад, да и Солнце с Луной будут на несколько иных расстояниях от лунного узла. Этим и объясняется, что последовательность затмений очень медленно, но все же постепенно нарушается.

1.6. Значение наблюдения затмений.

        С середины 19 в. солнечные затмения начали активно использовать для изучения физики Солнца. К 1900 астрономы обнаружили, что форма короны и интенсивность ее спектра изменяются в течение 11-летнего цикла солнечных пятен. В те годы это можно было узнать, только наблюдая затмения; позже был создан телескоп-коронограф, искусственно затмевающий Солнце и позволяющий наблюдать внутреннюю часть короны в любой день. Но и сейчас мы можем изучать слабые корональные лучи, исследовать тонкие детали в спектре короны и проверять «эффект Эйнштейна» только во время затмений. С 1950 на затмениях стали использовать радиотелескопы, и во время экспедиции на Алеутские о-ва удалось на различных радиочастотах измерить при затмении эффективный диаметр Солнца, несмотря на облака и дождь.

        Затмение 8 июля 1842, наблюдавшееся в Европе и Центральной Азии, было очень плодотворным для изучения Солнца. Тогда впервые были детально описаны протуберанцы. Во время затмения 28 июля 1851 были сделаны дагеротипы протуберанцев и открыта хромосфера Солнца. Во время затмения 18 августа 1868 П. Жансен (1824–1908) обнаружил, что спектры протуберанцев содержат яркие линии, и сразу понял, что протуберанцы можно наблюдать вне затмений с помощью спектроскопа. Одна желтая линия в этих спектрах никогда не наблюдалась в лабораториях. Элемент, которому она принадлежит, открыли только в 1895 и назвали гелием.

        Фраунгоферов спектр короны также впервые наблюдали во время затмения 1868. Он образуется при рассеянии солнечного света на мелких частицах межпланетной пыли. При затмении в следующем году американский астроном Ч. Юнг (1834–1908) обнаружил в спектре излучения короны неизвестную зеленую линию, которую приписали гипотетическому элементу «коронию». Только в 1942 шведский астрофизик Б.Эдлен показал, что эту линию излучают атомы железа, под действием высокой температуры потерявшие 13 из своих 26 электронов.

        Во время затмения 22 декабря 1870 Юнг открыл солнечный «обращающий слой». В обычном спектре Солнца множество темных линий поглощения. Но непосредственно перед началом полного затмения, когда виден лишь узенький яркий ободок, темные линии вдруг становятся яркими. Это наблюдается всего несколько секунд и потому называется «спектром вспышки». Впервые он был сфотографирован на затмении в Бразилии 16 апреля 1893.

2. Учащиеся располагаются на открытой площадке во дворе школы и наблюдают затмение

через подготовленные наблюдательные стекла. Группа хронометристов фиксирует фазы затмения по времени, составляя таблицы наблюдений. Учитель руководит наблюдениями, поясняя развитие затмения и особенности картины.

Задания учащимся для самостоятельной работы

1. Назовите основные причины  солнечных затмений.

1. Вращение Земли вокруг своей оси.
2. Движение Земли вокруг Солнца.
3. Движение Луны вокруг Земли.
4. Наличие спутника Земли - Луны
5. Практическое равенство видимых с Земли размеров дисков Солнца и Луны
6. Прецессия земной оси

2. Наступление солнечных затмений на других планетах

1. невозможно;
2. зависит от размеров спутников, расстояния от спутника до планеты
3. происходит также как и на Земле, но с другой частотой.

3. В какой фазе должна находиться Луна, чтобы произошло солнечное затмение?

1. 1
2. 2
3. 3
4. 3

4. Полное солнечное затмение в принципе можно наблюдать...

1. со всего дневного полушария
2. в небольшой области Земли, на которую падает пятно лунной тени.
3. в узкой полосе около экватора.
4. в полосе шириной около 200 км, положение которой на земной поверхности изменяется.

6. Слева на рисунке 2 дана схема солнечного затмения. Какую картину увидит наблюдатель, находящийся в т. А (рис.3)?

5. Приведите в соответствие положение наблюдателя картине затмения  (рис.6).

 Ответ.

6. На рисунке показаны положения Солнца и Луны во время полнолуния. При каком положении может наблюдаться полное солнечное затмение?

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4

7. На рисунке 8 показаны положения Солнца и Луны во время новолуния. Если светила находятся в положении 4, то

А) может произойти полное солнечное затмение.

Б) произойдет частное солнечное затмение.

В) может произойти частное лунное затмение.

Г) ничего не произойдет.

8. Сегодня наблюдалось полное солнечное затмение. Через неделю ....

1. произойдет лунное затмение.        
2. Луна будет в первой четверти.
3. будет полная Луна
4. Луна будет в последней четверти.

9.  солнечные затмения происходят:

1. крайне редко;
2. раз в году точно;
3. ежегодно и может не по одному разу.

10. Сегодня наблюдалось полное солнечное затмение. Через две недели ....

1. произойдет лунное затмение
2. Луна будет в первой четверти.
3. будет полная Луна
4. Луна будет в последней четверти.

11. Земной наблюдатель видит полное солнечное затмение. В это же время для наблюдателя на Луне-…

1. полное затмение Земли
2. полное затмение Солнца
3. Земля видна в полной фазе
4. ничего не видно.

12. Назовите явления, изображенные на фотографиях ниже

1. Полное солнечное затмение

2. Кольцеобразное солнечное затмение

3. Частное солнечное затмение

4. Частное лунное затмение

5. «Бриллиантовое кольцо»

Рис. 9. К вопросу №17