Методическая разработка занятия на тему «Как увидели расширение Вселенной», включенного в элективный курс по физике для 9 класса «Физика космических стихий»
методическая разработка (физика, 9 класс) по теме

Негосударственное (частное) общеобразовательное учреждение гимназия «Школа бизнеса» г. Сочи

Киктев С.В.

Методическая разработка занятия на тему

«как увидели

расширение вселенной»,

ВКлюченного

в элективный курс

по физике для 9 класса

«Физика

космических стихий»

Сочи - 2013

Элективные курсы дают возможность обучающимся удовлетворить свои познавательные интересы, осуществить поиск и реализацию индивидуального образовательного маршрута, способствуют позитивной профессиональной ориентации.

Мы разработали и на протяжении ряда лет преподаем в 9-х классах элективный курс «Физика космических стихий», имеющий следующие основные цели:

1) ознакомить учащихся с современными теориями и воззрениями на ключевые вопросы происхождения окружающего нас мира и место человека в нем;

2) способствовать углублению и интеграции физических, астрономических и математических знаний школьников и формированию их естественнонаучного мировоззрения.

Предлагаем в качестве примера методическую разработку одного из занятий элективного курса на тему «Как «увидели» расширение Вселенной». Разработка представлена в формате проблемного изложения, осуществляемого учителем, а также путем описания действий учителя и учащихся.

Тема:  Как «увидели» расширение Вселенной

Время: 2 часа

Цель: ознакомить учащихся со спектральным анализом, с явлением (эффектом) Доплера и на этой основе объяснить им в доступной форме, что расширение Вселенной – это наблюдаемый факт.

Учитель (после сообщения цели занятия): «Прежде чем говорить о том, как именно удалось наблюдать расширение Вселенной (движение далеких галактик), необходимо:

1) получить хотя бы общее представление о спектрах и спектральном анализе и

2) ознакомиться с физическим явлением «эффект Доплера».

Дальнейшее изложение строится по следующей примерной схеме.

Учитель: «Каждое вещество, будучи нагрето до достаточно высокой температуры, излучает свет: температура поверхности Солнца – фотосферы («светосферы») – около 60000С, и солнечный свет знаком каждому (продемонстрировать слайды о Солнце); температура нити лампы накаливания около 30000С, и глазам больно на нее смотреть (на короткое время включить лампу накаливания).

Свет Солнца или лампы накаливания может быть разложен в сплошной спектр из семи основных цветов (показать демонстрационный опыт или видеофрагмент по получению сплошного спектра), которые, складываясь, дают белый свет (показать демонстрационный опыт или видеофрагмент по сложению семи основных цветов и получению белого света).

Спектры (испускания) химических элементов представляют собой набор цветных линий и поэтому эти спектры называются линейчатыми (показать соответствующие опыты или видеофрагменты).

Замечательно то, что линейчатый спектр каждого химического элемента является строго индивидуальным (подобно рисунку капиллярных линий на кончиках пальцев человека), так что, изучив спектр нагретого вещества (в том числе и недоступного, расположенного очень далеко), можно установить его химический состав с очень высокой точностью: можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, даже если его (элемента) масса не превышает 10-10 г. Данное обстоятельство лежит в основе спектрального анализа (продемонстрировать слайды со спектрами различных веществ).

Свет является разновидностью волнового движения: к волновым движениям относятся радиоволны, звуковые волны в газе, жидкости, твердом теле, волны на поверхности воды. Длина волны на поверхности воды – это расстояние между соседними гребнями, оно может составлять от нескольких метров до сотен километров (показать слайды с изображением морских волн). А длина световых волн – это расстояние между соседними наибольшими значениями величины электромагнитного поля, которое, подобно высоте морской волны, меняется в пространстве от наибольшего значения до наименьшего и опять до наибольшего. Длина световых волн различна для света разного цвета и составляет, например, для фиолетового света 410-7м, для зеленого света 510-7м, а для красного – 7,510-7м. Обозначается длина волны греческой буквой  (ламбда)».

Здесь важно еще раз показать учащимся изображение линейчатого спектра и обсудить с ними вопросы:

1) каким линиям в спектре соответствует наибольшая длина волны, каким - наименьшая;

2) что можно сказать, сравнивая длины волн, например, красного и зеленого, желтого и фиолетового цветов?

Учитель: «В 1842 г. австрийский физик и астроном Христиан Доплер (1803 – 1853 гг., показать его портрет) установил, что если источник волн (в нашем случае это излучающий свет космический объект, скажем, галактика) и приемник волн (спектральный прибор) пребывают в относительном движении, то длины волн колебаний, испущенных источником, отличаются от тех, которые воспримет приемник, а именно: при взаимном удалении источника и приемника длины волн излучаемого света возрастают, а при их взаимном сближении – уменьшаются.

В первом случае все спектральные линии смещаются, по сравнению с эталонным спектром, к красному концу спектра, и это явление называется красным смещением, а во втором – к фиолетовому концу спектра (фиолетовое смещение) (продемонстрировать учащимся слайд или плакат с тремя одинаковыми, в смысле количества и взаимного расположения спектральных линий, спектрами, но такими, чтобы на одном можно было видеть красное смещение, а на другом – фиолетовое по сравнению с третьим спектром, эталонным). Если скорость относительного движения источника и приемника v  c, то выполняется соотношение

                                  (1),

             где 0 – длина волны света при относительно неподвижных источнике и приемнике, а  – при движущихся с относительной скоростью v.

Заметим, что v – это лучевая скорость объекта (см. рис. 1) – компонента скорости объекта, направленная по лучу зрения».

Учитель дает задание учащимся: «Составьте план необходимых измерений и вычислений для расчета лучевой скорости космического объекта, свет от которого доходит до Земли».

С помощью (которая ни в коем случае не сводится к подсказке!) учителя дети приходят к выводу, что:

1) надо измерить 0 и ;

2) для этого надо получить с помощью одного и того же спектрального прибора эталонный спектр в лаборатории с хорошо известными длинами волн и исследуемый спектр космического объекта;

3) спектры надо поместить рядом и определить 0 и ;

4) по формуле (1) подсчитывается лучевая скорость космического объекта v, причем ее положительная величина означает, что   0, и объект удаляется от наблюдателя, а если v  0, то   0, и объект к наблюдателю приближается.

Учитель: «Первым определение лучевой скорости одной из ближайших к нам галактик – Туманности Андромеды – выполнил американский астроном Слайфер В.М. (1875-1969) в 1913 году: оказалось, что она приближается к нам со скоростью около 300 км/с. К 1925 году Слайфер измерил скорости уже 41-й (сорока одной) галактики и обнаружил, что 36 из них удаляются от нас, и наибольшая скорость удаления превышает 1000 км/с».

Учитель предлагает учащимся выполнить задание: «Через какой промежуток времени встретились бы туманность Андромеды и наша Галактика, если бы ситуация сближения сохранилась?»

Примерный ход решения задания. 

До Туманности Андромеды 1,8 млн. световых лет, или 1,8  1019км, значит, встреча состоялась бы через

Учитель: «В дальнейшем выяснилось, что подавляющее большинство галактик удаляются от нас, что явилось блестящим подтверждением теории расширяющейся Вселенной А. А. Фридмана (рассматривалась на одном из предыдущих занятий).

Со временем стали ясны причины «приближения» к нам нескольких ближайших галактик:

1) Солнце, двигаясь вокруг центра Галактики со скоростью около 250 км/с, сейчас движется к этим объектам;

2) существуют «собственные» скорости галактик, которые особенно велики в их скоплениях».

Для закрепления (повторения) изученного используются следующие вопросы для учащихся:

1. Что такое линейчатый спектр?

2. Что такое длина световой волны?

3. Какова длина световых волн?

4. В чем заключается эффект Доплера?

5. Что такое «красное смещение»?

6. Что такое лучевая скорость космического объекта?

7. Как можно вычислить лучевую скорость?
8. Как «увидели» расширение Вселенной?

НАПРАВЛЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

ОБЪЕКТ

ЛУЧ

ЗРЕНИЯ

ЛУЧ ЗРЕНИЯ

Рис. 1