Эволюция звёзд
методическая разработка по астрономии (11 класс)

План-конспект урока

по астрономии

на тему «Эволюция звёзд»

Тема. Эволюция звёзд

Дата проведения урока: 

Цели урока

• Углубление, расширение и закрепление системы знаний об эволюции звезд.
• Формирование представлений о непрерывном обмене в межзвёздной среде, о мощных нестационарных процессах, которые приводят к вспышкам звёздообразования в галактиках, об эволюции звёзд в шаровых скоплениях и рассеянных скоплениях.
• Формирование представлений об изменении цвета и светимости звёзд в процессе из эволюции.
• Формирование представлений об конечных стадиях эволюции звёзд.

Основные понятия: эволюция звезды, трек звезды на диаграмме Герцшпрунга–Рессела, космическая среда, ГМО, энерговыделение звезды, протозвёзды, конечные этапы эволюции звёзд, различные классы звёзд, конечные стадии эволюции звёзд.

Демонстрационный материал. Интерактивная модель «Эволюция звезды», «Диаграмма Герцшпрунга–Рессела и звёздные скопления».

Самостоятельная деятельность учащихся. Ответы на вопросы с помощью  интерактивных моделей «Эволюция звезды», «Диаграмма Герцшпрунга–Рессела и звёздные скопления».

Мировоззренческий аспект урока. Развивать навыки логического мышления учащихся и научного подхода к изучению мира. 

Использование новых информационных технологий. Работа с интерактивным и моделями.

План урока

Конспект урока

I. Актуализация знаний

Положение звезды на диаграмме Герцшпрунга–Рассела изменяется в зависимости от возраста звезды. Большую часть своей жизни звезда проводит на главной последовательности. В этот период ее цвет, температура, светимость и другие параметры почти не меняются. Но до того, как звезда достигнет этого устойчивого состояния, еще в состоянии протозвезды, она имеет красный цвет и в течение короткого времени большую светимость, чем будет иметь на главной последовательности.

II. Объяснение нового материала

Термоядерный механизм излучения звезды качественно объясняет зависимость масса–светимость: чем больше масса, тем больше светимость. Действительно, при большей массе в недрах звезды достигаются более высокие температуры. Вероятность реакций синтеза возрастает, соответственно выделяется больше энергии и увеличивается светимость звезды.

Звезды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках. Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Гигантские молекулярные облака с массами, большими 105 M◉ (их известно более 6 000), содержат 90 % всего молекулярного газа Галактики. Именно с ними связаны области звездообразования. Если бы гигантские молекулярные облака в Галактике свободно сжимались из-за гравитационной неустойчивости, то за 50 миллионов лет из них образовались бы звезды. Сжатию способствуют ударные волны при расширении остатков вспышек сверхновых, спиральные волны плотности и звездный ветер от горячих ОВ-звезд. Температура вещества при переходе от молекулярных облаков к звездам возрастает в миллионы раз, а плотность – в 1020 раз.

Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая еще термоядерных источников энергии, называется протозвездой (греч. протос «первый»). Эволюцию протозвезды массой 1 M◉ можно разделить на три стадии:

По достижению температуры в несколько миллионов градусов в центре начинаются термоядерные реакции. Минимальная масса, которая необходима для этого, составляет около одной двенадцатой массы Солнца. Если вещества меньше, то реакции нуклеосинтеза никогда не начнутся. Объекты, массы которых лежат в промежутке 0,01–0,08 MСолнца, называются коричневыми карликами. Поскольку излучают они очень слабо, обнаружить их чрезвычайно сложно.

Звезды большой массы (сверхгиганты) щедро расходуют свою энергию, и эволюция таких звезд продолжается всего сотни миллионов лет. Поэтому голубые сверхгиганты являются молодыми звездами.

Стадии эволюции звезды после главной последовательности также короткие. Типичные звезды становятся при этом красными гигантами, очень массивные звезды – красными сверхгигантами. Звезда быстро увеличивается в размере, и ее светимость возрастает. Именно эти фазы эволюции отражаются на диаграмме Герцшпрунга–Рассела.

Главное, что должны усвоить учащиеся на уроке: Солнце, несмотря на наблюдаемую на нем грануляцию, появление пятен, протуберанцев и даже вспышек, представляет собой довольно «спокойную», «стационарную» звезду, так как во Вселенной есть нестационарные звезды, которые в огромных пределах и за очень небольшие промежутки времени изменяют свои размеры и светимость, способны вспыхивать, взрываться. Пояснить, что стационарность звезд типа Солнца поддерживается равенством сил тяготения, стремящихся сжать звезду, и сил внутреннего давления плазмы, стремящихся ее взорвать (разорвать). Солнце сформировалось вместе с Солнечной системой примерно 5 млрд. лет назад и только примерно  через 5 млрд. лет будет уходить с главной последовательности в сторону красных гигантов.

III. Самостоятельная работа

Работа с интерактивными моделями по группам.

Интерактивная модель «Эволюция звезды».

Интерактивная модель «Диаграмма Герцшпрунга–Рессела и звёздные скопления».

1 группа, работа с компьютером.

Ответить на вопросы:

1. Во сколько раз время нахождения на главной последовательности для звезд массой 1 М Солнца больше времени нахождения звезд массой 5 М Солнца?
2. Какая зависимость существует между массой и светимостью звёзд?
3. Сколько лет находится на главной последовательности звезда массой 3 М Солнца?

В двадцатых годах ХХ века Харлоу Шепли исследовал рассеянные скопления и произвел классификацию звезд. Диаграмма Герцшпрунга–Рассела для семи рассеянных скоплений показала, что практически все их звезды лежат на главной последовательности. Средние размеры рассеянных скоплений от 2 до 20 парсеков. Большинство рассеянных скоплений расположено в диске нашей Галактике, где сконцентрированы скопления пыли и межзвездного газа, в спиральных рукавах.

Звёзды рассеянных звёздных скоплений образовались одновременно, степень из отхождения от главной последовательности зависит от их возраста. Так звёздное скопление М 67 старше, чем рассеянные скопления Гиады и Ясли.

2 группа, работа с компьютером.

Ответить на вопросы, пользуясь интерактивной моделью:

1. Определить возраст Гиад по степени отхождения от главной последовательности.
2. Определить возраст М 67по степени отхождения от главной последовательности.

IV. Закрепление изученного материала. Самостоятельная работа «Эволюция звезд. Вспышки сверхновых».

Тест Эволюция звезд. Вспышки сверхновых

1. Если  звезды нанести на диаграмму спектр–светимость (Герцшпрунга–Рессела), то большинство из них будут находиться на главной последовательности. Из этого вытекает, что:

А) на главной последовательности концентрируются самые молодые звезды;

Б) продолжительность пребывания на стадии главной последовательности превышает время эволюции на других стадиях;

В) это является чистой случайностью и не объясняется теорией эволюцией звезд;

Г) на главной последовательности концентрируются самые старые звезды;

2. Диаграмма Герцшпрунга–Рессела представляет зависимость между:

А) массой и спектральным классом звезды; Б) спектральным классом и радиусом; В) массой и радиусом; Г) светимостью и эффективной температурой.

3. Огромное сжимающееся  холодное газопылевое облако, из которого образуются звезды, называется:

А) цефеидой; Б) протозвездой; В) планетарной туманностью; Г) рассеянным скоплением.

4. Звезда на диаграмме Герцшпрунга–Рессела, после превращения водорода в гелий, перемещается по направлению:

А) вверх по главной последовательности,  к голубым гигантам;

Б) от главной последовательности к красным гигантам и сверхгигантам;  В) в сторону низких светимостей; Г) в сторону ранних спектральных классов; Д) звезда любой массы в процессе эволюции однажды попав на главную последовательность от нее не отходит.

5. Область белых карликов на диаграмме Герцшпрунга–Рессела расположена:

А) в верхней левой части диаграммы;         Б) в верхней правой части диаграммы;

        В) в нижней левой части диаграммы;        Г) в нижней правой части диаграммы.

6. Красные гиганты – это звезды:

А) больших светимостей и малых радиусов; Б) больших светимостей и низких температур поверхности;

В) больших температур поверхности и малых светимостей; Г) больших светимостей и высоких температур.

7. Эволюция звезд это:

А) процесс превращения из протозвезды и последующее постоянное излучение без изменения светимости;

Б) изменение светимости звезды со временем вследствие сильнейших потоков вещества типа “солнечного ветра”;

В) изменение химического состава и внутреннего строения с изменением светимости в результате реакций термоядерного синтеза;

Г) изменение светимости звезды со временем из-за увеличения массы звезды в результате поглощения межзвездного газа и пыли.

8. Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры являются:

А) типичными звездами главной последовательности; Б) последовательными стадиями эволюции массивных звезд;

В) конечными стадиями звезд различной массы; Г) начальными стадиями образования звезд различной массы.

9. Звезда, ядро которой имеет размеры 10–30 км, и массу, близкую к массе Солнца, состоящую в основном из нейтронов, называют:

А) новой;  Б) протозвездой  В) коллапсаром; Г) нейтронной.

10. Черной дырой является:

А) неизлучающая звезда низкой температуры;Б) солнечное пятно;

В) темная туманность, дыра, на фоне ярких звезд, через которую не проходит излучение; Г) коллапсирующая звезда, исчерпавшая ядерные источники энергии.

11. Гигантский взрыв, являющийся финалом эволюции массивной звезды, при котором выделяется  энергия, которую Солнце вырабатывает за миллиарды лет, свидетельствует о появлении:

А) цефеиды;  Б) новой звезды; В) сверхновой звезды; Г) протозвезды.

12. Какие звезды называются новыми звездами?

А) молодые, только начавшие свою эволюцию; Б) однократно вспыхивающие без видимых причин;

В) пульсирующие звезды с большим периодом; Г) вспышка звезды в двойной системе в результате аккреции от звезды-гиганта на белый карлик.

13. Абсолютная звездная величина  М  сверхновых звезд заключена в пределах от − 14m до − 20m, что соответствует светимости:

А) в сотни раз превышает светимость Солнца; Б) в тысячи раз превышает светимость Солнца;

В) в сотни тысяч раз превышает светимость Солнца; Г) в десятки и сотни миллионов раз превышает светимость Солнца

14. Что в большей степени определяет характер эволюции звезды?

А) радиус;   Б) масса;  В) плотность; Г) спектральный класс;Д) химический состав.

15. В нашей Галактике в 1572 году вспыхнула сверхновая звезда. Ее наблюдения проводил:

А) Галилео Галилей; Б) Тихо Браге;В) Коперник.

16. В нашей Галактике в 1604 году вспыхнула сверхновая звезда, ее наблюдения проводил:

А) Галилео Галилей;  Б) Исаак Ньютон; В) Иоганн Кеплер.

17. Медленно расширяющаяся Крабовидная туманность, совпадающая с источником мощного радиоизлучения, является результатом вспышки сверхновой:

А) 1054 г.;   Б)  1572 г.;    В) 1604 г.

18. По наблюдаемым характеристикам сверхновые принято разделять на две большие группы – сверхновые первого типа и сверхновые второго типа. В спектрах сверхновых I –го типа нет линий водорода, что может свидетельствовать:

А) о том, что взрыв происходит в звездах, лишенных оболочки, богатой водородом, например, взрыв белого карлика, входящего в состав двойной системы; Б) взрыв происходит в звездах, у которых с момента рождения (стадии протозвезды) не было водорода.

19. Спектры сверхновых II типа имеют водородные линии, кривые блеска их сильно различаются по скорости спада. Это соответствует:

А) концу  термоядерной эволюции массивной звезды с массой больше 8 МСолнца;

Б) конечной стадии эволюции звезд с массой МСолнца.  В) конечной стадии эволюции белых карликов.

20. Вспышка сверхновой II типа соответствует катастрофическому взрыву:

А) молодой массивной звезды; Б) старой мало массивной звезды; В) белому карлику.

21. Из теории эволюции звезд следует, что:

А) положение звезды на диаграмме спектр-светимость не зависит от массы  звезды;

Б) в процессе эволюции все  звезды  становятся белыми карликами; В) звезды малой массы эволюционируют быстрее звезд большой массы;   Г) звезды в процессе своей эволюции увеличивают массу; Д) одной из стадий эволюции звезд является стадия красного гиганта.

Ответы на тест

V. Рефлексия.

1. Что называется эволюцией звёзд?
2. Что нужно знать, чтобы определить возраст звезды в рассеянном скоплении?
3. Какие звезды называются гигантами, сверхгигантами, карликами?
4. От чего зависит цвет и спектр звезды?
5. Во сколько раз возрастает блеск звезд, вспыхивающих как сверхновые?
6. За сколько лет Солнце может излучить энергию Е, которая выделяется при вспышке сверхновой звезды? (За 8 млн лет).
7. Какие конечные стадии эволюции звёзд Вы знаете?
8. Может ли звезда массой 0,1 М ◉ стать в процессе эволюции красным сверхгигантом? Голубым сверхгигантом?

Самоанализ урока

Тема занятия была «Эволюция звёзд», возраст учащихся 17-18 лет, 11а класс.

Коллектив класса показал себя с лучшей стороны, активно работали, помогали друг другу, были очень дисциплинированы. Целью урока я ставлю формирование общего представления об эволюции звёзд, исследовательскую и проектную деятельность обучающихся, формирование положительной познавательной мотивации для дальнейшего изучения астрономии; Развитие коммуникативных способности учащихся через работу в группах, формирование навыков самостоятельной работы с различными источниками информации, умений анализировать, обобщать, выделять главное.

  В соответствии с целями урока и его местом в учебном плане были выбраны следующие формы, методы и приёмы: форма проведения урока - «открытие» нового знания, методы- частично-поисковые, наглядные, практические, на основе информационных ресурсов, организация самостоятельной деятельности. Формы работы: фронтальная, индивидуальная, групповая.

Главным этапом урока является самостоятельная работа, в ходе которой обучающиеся выделяют главное из объяснения, сопоставляют, анализируют, обобщают знания по теме.

  Во время урока в классе царила рабочая атмосфера, ученики весь урок были сосредоточены. Материал был отобран правильно при минимальном вмешательстве учителя. На все вопросы заданные учителем были получены исчерпывающие ответы. Домашнее задание обучающимся предлагается по выбору, исходя из их индивидуальных способностей и интересов.

На мой взгляд, цели урока достигнуты, методы и формы оправдали себя.