Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная.
план-конспект урока по астрономии (11 класс) на тему

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА № 30

Тема урока:

Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная.

Учитель ГБОУ школа 643 Московского района  Санкт-Петербурга А.П. Филатова.

Цели  урока:

Личностные

• Формирование познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся;
• Формирование целостного мировоззрения, самостоятельность в приобретении новых знаний и практических умений;
• Формирование ценностного отношения друг к другу, учителю, авторам открытий и изобретений, результатам обучения.

Метапредметные

• Овладение навыками самостоятельного приобретения новых знаний, организации учебной деятельности, постановки целей, планирования, самоконтроля и оценки результатов своей деятельности, умениями предвидеть возможные результаты своих действий;
• Приобретение опыта самостоятельного поиска, анализа и отбора информации с использованием различных источников и новых информационных технологий для решения познавательных задач;
• Умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности её решения.

Предметные

• Повторение темы «Конечность и бесконечность  Вселенной - парадоксы классической космологии»;
• Показать связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной. Фотометрический парадокс и противоречия между классическими представлениями о строении Вселенной и наблюдениями.

Тип урока: Урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Цель: получить представление об уникальном объекте — Вселенной в целом, узнать, как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, о парадоксах, связанных с этим, о теоретических положениях общей теории относительности  лежащих в основе построения космологических моделей Вселенной и  расположение места  планеты Земля во Вселенной. Связь между геометрическими свойствами пространства Вселенной с распределением и движением материи в ней.

Задачи:

Узнать о строении и эволюции уникального объекта Вселенной в целом;

Узнать, как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, о парадоксах, связанных с этим, о теоретических положениях общей теории относительности, лежащих в основе построения космологических моделей Вселенной; узнать какие наблюдения привели к созданию расширяющейся модели Вселенной, о радиусе и возрасте Вселенной.

Ход урока:

I. Организационный момент:

Перед учащимися определяются цели урока, освещается ход урока и конечные результаты его проведения. (Слайды 1-2).

II. Мотивация учебной деятельности. 

С давних времен люди задавали вопрос. Сколько лет Вселенной?

Возраст Вселенной, созданной Богом, на момент рождения Иисуса Христа составлял 3483 - 6984 лет. (Слайд 3).

Индуизм предполагает, что нашему миру ориентировочно 155 трлн. лет.

Сегодня учёные определили возраст и размер Вселенной - 13 млрд. лет. Радиус Вселенной R=1,3*1010 световых лет. (Слайд 4).

Знания строения и эволюции Вселенной помогают осознать место каждого из нас в этом мире.

III. Актуализация знаний:

Фронтальный опрос

1. Как называются планеты Солнечной системы?

(Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.)  (Слайд 5).

2. Какое место по удалённости от Солнца занимает планета Земля в Солнечной системе?

(Планета Земля – третья планета от Солнца)

3. Что такое Галактики и звёзды?

Галактиками принято считать большие звездные системы (звёзды, межзвёздный газ, пыль, тёмные материи, планеты), в которых звезды связаны силой гравитации.

Звезды – это плазменные космические объекты. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. (Слайд 6).

4. Вспомните, на какие основные группы делятся Галактики? (Слайд 7-10).

(эллиптические, спиральные, спиральные с перемычкой и неправильные).

• Эллиптические - не вращаются, почти не содержат газа и пыли и молодых горячих звёзд. Эллиптические галактики составляют примерно 25 % от общего числа галактик высокой светимости, яркость плавно уменьшается от центра к периферии. Пример: эллиптическая галактика М87 в созвездии Девы.
• Спиральные, спиральные с перемычкой-имеют много газа и пыли. Спиральные галактики состоят из ядра и нескольких спиральных рукавов или ветвей, ветви отходят непосредственно от ядра. Плоская дискообразная форма объясняется вращением. Много молодых горячих звёзд, расположенных в спиральных рукавах, в которых идёт активный процесс образования звёзд. Примеры: созвездии Волос Вероники, Млечный путь.  

5. Неправильные - медленно вращаются, содержат много молодых горящих звёзд. В неправильных галактиках отсутствует чётко выраженное ядро, нет вращательной симметрии, около половины вещества в них – межзвездный газ. Примерами неправильных галактик служат Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – самые близкие к нам галактики, видимые невооружённым глазом в южном полушарии неба, вблизи Млечного пути. Эти две галактики являются спутниками нашей галактики.
6. Что такое квазары?

Квазары являются мощными источниками инфракрасного, рентгеновского и гамма-излучения. Квазары - это яркие и очень активные ядра галактик, расположенные на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, размеры квазаров оказались небольшими, около 1 а.е. В центре Квазара находится сверхмассивная чёрная дыра, всасывающая в себя вещество — звезды, газ и пыль. Падая на чёрную дыру, материя формирует огромный диск, в котором разогревается от трения и действия приливных сил до гигантских температур. (Слайд 11).

7. Из каких объектов состоит Вселенная? (Слайд 12).

Вселенной называют совокупность всего существующего, всех материальных частиц и пространства между этими частицами.

8. Какие в астрономии используют единицы измерения для расстояний объектов?

1 световой год (1 св. г.) – расстояние, которое проходит свет за 1 год в вакууме – 9,5*1015 м;

1 астрономическая единица (1 а.е.) – среднее расстояние от Земли до Солнца (средний радиус земной орбиты) – 1,5*1011 м;

1 парсек (1 пк) - расстояние, с которого средний радиус земной орбиты (равный 1 а. е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1') – 3*1016 м;

1 масса Солнца (1 Мo) – 2*1030 кг. (Слайд 13).

IV. Изложение нового материала.

Сегодня мы познакомимся со строением астрономической Вселенной и определим место нашей планеты Земля во Вселенной. Вселенная является предметом исследования космологии.

Вспомним, какие разделы астрономии знаем и сегодня остановимся на разделе космология.

Астрономия (от греческого ἀστρο «звезда» и νόμος «закон») - наука о Вселенной, изучающая расположение, движение, структуру, происхождение и развитие небесных тел и их систем.

Астрономия – парадоксальная наука, которую человечество создало словно назло самому себе. Она дает возможность нам с помощью наблюдений и вычислений буквально каждый день делать все новые и новые открытия, и именно они заставляют нас понимать, что мы не знаем ровным счетом ничего о Вселенной, о звездах и даже о ближайших к нам планетах Солнечной системы. Сегодня существуют различные разделы астрономии, среди которых основными являются следующие:

• галактическая астрономии,
• внегалактическая астрономии,
• физика звезд,
• астрофизика,
• экзобиология,
• астрохимия,
• космология,
• космогония.

Астрофизика - раздел астрономии, изучающих физические свойства астрономических объектов.

Космология – теоретическая астрофизика, изучающая строение и эволюцию Вселенной в целом (от греческого космос - мир, Вселенная и логос - учение). В компетенцию космологии входит и их движение (разбегание) объяснение наблюдаемого распределения галактик в пространстве. (Слайд 14).

Во времена Античности и Средневековья полагали, что Вселенная не изменяется. Копернику - Вселенная представлялась замкнутым пространством, которое ограничено особой сферой неподвижных звезд. Движения небесных тел всегда являются круговыми и равномерными. Звёзды застыли на своих местах, наблюдались только периодические движения в Солнечной системе. Большое значение имело открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения.

Согласно закону всемирного тяготения, что в конечной вселенной всё её вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объёмах - «островах», равномерно заполняет Вселенную.

Проблема получила название фотометрического парадокса.

Почему небо тёмное ночью? (Слайд 15).

Фотометрический парадокс, или парадокс темного ночного неба, заключающийся в том, что в бесконечной Вселенной существует нескончаемое количество звезд, сумма яркостей которых должна образовывать бесконечную яркость. Иными словами, ночное небо было бы полностью покрыто яркими звездами, а в реальности оно тёмное, так как количество звезд и галактик исчислимо. (Слайд 16-17).

С открытием общей теории относительности А. Эйнштейном, в которой обобщил теорию тяготения И. Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростями света. Согласно этой теории время не имеет абсолютного характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени. Гравитационное поле представляет собой искривление пространства – времени, создавая массивными телами.

Впервые космологическую модель Вселенной в рамках ОТО рассмотрел советский математик А. Фридман. (Слайд18-19).

Вселенная Фридмана одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениям ОТО, первая из нестационарных моделей Вселенной. Модель Фридмана в 1922г. описывает однородную изотропную в общем случае нестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала первым основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915—1917 гг.

При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорционально расстояниям до них - вывод подтверждённый Э. Хабблом, открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной. Равна 

G - гравитационная постоянная, а Н - постоянная Хаббла.

Помня, что 1 пк = 3,08 • 1013км и поэтому 1 Мпк = = 3,08 • 1019км, найдем Н = 2,4 • 10-18с-1. Тогда согласно формуле критическая плотность вещества:

или ρкр= 10-29г/см3.

Если средняя плотность Вселенной больше критической (ρ>ρкр), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности, равной или меньшей критической (ρ≤ρкр), расширение не прекратится. Средняя плотность вещества, сосредоточенная в виде звезд в галактиках, равна приблизительно 2•10-30кг/см3, что почти в 5 раз меньше критической.  Мы не знаем средней плотности вещества во всей Вселенной. Но учёные могут подсчитать в доступной ее части – в метагалактики.

Делать окончательные выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как некоторые астрономы высказывают предположение о существовании в галактиках вещества, которое пока еще не обнаружено. Эта «скрытая масса» может изменить оценку принятой сейчас средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому точного ответа на вопрос о будущем Вселенной в настоящее время не имеется.

Радиус Вселенной легко оценить с помощью закона Хаббла. Так как максимальная скорость не может превышать скорости света, то максимальное расстояние R, до которого мы можем наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик с=3•105км/с, откуда

или R = 1,24 • 1026м.

Наблюдение за возрастом Вселенной пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это расширение началось, можно с помощью закона Хаббла.

Действительно, если наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью v и сейчас после начала расширения находится на расстоянии r от Земли, то свое удаление она начала в момент

Эти рассуждения применимы для любой галактики. Таким образом, около 13 млрд. лет назад все вещество метагалактики было сосредоточено в небольшом объеме и плотность вещества была настолько высокой, что ни галактик, ни звезд не существовало.

Пока не ясны ни физические процессы, протекавшие до этого сверхплотного состояния вещества, ни причины вызвавшие расширение Вселенной. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время

Tв=1/Н=13 млрд. лет,

 прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной. (Слайд 20-21).

Расширение Вселенной и связанное с ним наблюдение разбегающихся галактик объясняет отсутствие фотометрического парадокса. Свет далёких галактик и звёзд испытывает красное смещение. Энергия световых квантов уменьшается, меньше света проходит от этих галактик. Этим объясняется, что небо ночью тёмное.

V. Первичное закрепление знаний.

1. Опишите космологическую модель Вселенной в рамках ОТО.

2. Как можно оценить возраст Вселенной? (Слайд 22).

VI. Самостоятельная работа.

Учащимся предлагается самостоятельно решить задачу № 33.

Пологая, что радиус наблюдаемой Вселенной (R) возрастает пропорционально возрасту Вселенной (t), а расстояние между галактиками пропорционально радиусу наблюдаемой Вселенной и соответственная плотность вещества равна ρ0= 10-27кг/м3 , оцените, какой была средняя плотность вещества Вселенной в момент образования галактик.

Проанализируйте полученный результат и сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная.

VII. Рефлексия.

Обучающимся предлагается оценить работу преподавателя и свою собственную работу на уроке путём смайликов на выданных преподавателем листочках.

VIII. Домашнее задание.

Ресурсы урока: Учебник, § 34-35

Устно ответить на вопросы. (Слайд 23).

Литература:

1. Астрономия. 10,11 класс: учеб. для общеобразовательных учреждений: базовый и профил. уровни / В.М. Чагурин; - М.: Просвещение, 2018г.-144с: учебное издание серии «Сферы 1-11»
2. http://ru.wikipedia.org

3. «Класс!ная физика» обязательна: http://class-fizika.ru/11_a10.html

4. FB.ru: http://fb.ru/article/172985/kosmologiya---eto-razdel-astronomii-izuchayuschiy-svoystva-i-evolyutsiyu-vselennoy

5. http://fb.ru/article/248476/teorii-vozniknoveniya-vselennoy-skolko-suschestvuet-teoriy-vozniknoveniya-vselennoy-teoriya-bolshogo-vzryiva-vozniknovenie-vselennoy-religioznaya-teoriya-vozniknoveniya-vselennoy