Статья по астрономии "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение"
статья по физике (11 класс) на тему

Опубликовано 19.11.2018 - 15:07 - Гусейнова Елена Владимировна

Цель: Познакомить учащихся с понятием «горячая Вселенная» — теорией большого взрыва, реликтовым излучением. Рассказать о физических условиях на начальных стадиях расширения Вселенной.

Задачи:

Обучающая : познакомить учащихся с понятием  «горячая Вселенная», реликтовое излучение.

Развивающая :  : развивать научность мышления, умение анализировать,   выделять главное.

Воспитывающая:  : формировать добросовестное отношение к учебному труду.

 

Скачать:

ВложениеРазмер
Файл gotovyy_urok.docx244.38 КБ

Предварительный просмотр:

Урок №31.

«Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение»

(Чаругин В.М., Астрономия 10-11)

Цель: Познакомить учащихся с понятием «горячая Вселенная» — теорией большого взрыва, реликтовым излучением. Рассказать о физических условиях на начальных стадиях расширения Вселенной.

Задачи:

Обучающая : познакомить учащихся с понятием  «горячая Вселенная», реликтовое излучение.

Развивающая :  : развивать научность мышления, умение анализировать,   выделять главное.

Воспитывающая:  : формировать добросовестное отношение к учебному труду.

Метапредметные связи: физика (термоядерный синтез, скорость света, элементарные частицы), обществознание (основные законы диалектики), химия (химический состав Вселенной).

Оборудование:   интерактивная доска,  компьютер.

 Тип урока: изучение материала. 

Этапы урока.        

  1. Актуализация знаний.
  2. Изучение нового материала.
  3. Закрепление
  4. Рефлексия.
  5. Домашнее задание.

КОНСПЕКТ УРОКА.

     №1. Актуализация знаний  — выполнение тестовых заданий.

                                                           

Тестовое задание. 

              1. Раздел астрономии, занимающийся изучением Вселенной и её процессов — это:

а) космогония     б) астрофизика  в) космология    г) космонавтика

        2. Соотнесите термины, указанные буквами и определения, указанные цифрами:

а) Вселенная    б) Метагалактика    в) Галактика    г) Звездная система;                                                                                        

        3. Чему примерно равен возраст Вселенной:

а) 6 млн. лет б) 13 млн. лет. в) 20 млн. лет. г) 13 млрд. лет.

        4. Выберите главные космологические признаки Вселенной:

а) анизотропность     б) изотропность        в) неоднородность     г) однородность

        5. Выберите правильное утверждение относительно смещения линий спектра галактики.

а). Смещаются к фиолетовому концу спектра, если галактика удаляется от нас.

б) Смещаются к красному концу спектра, если галактика приближается к нам.

в). Становятся менее яркими и не смещаются, когда галактика удаляется от нас.

г). Смещаются к красному концу спектра, если галактика удаляется от нас.

 

Ключ к тесту: 1. в)        2. а – 2), б – 1), в – 3), г – 4)          3.  г)  4. б), г) 5. г)

Учащиеся самостоятельно проверяют результаты теста и ставят себе оценку.

№2. Изучение нового материала.

  1. Самостоятельная работа с учебником.

Гипотеза: около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.

Проверьте это предположение с помощью учебника.  (С.132) 


В термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 1026 Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ = 4,8 · 10–12 Дж.  Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 1038 ядер атомов гелия, или  6, · 1011 кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной:    1,3 · 1010 лет = 3,9 · 1017 с, легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звёздах  (1011 звёзд) за этот промежуток времени:  6,7 · 1011 кг/с · 1011 · 3,9 · 1017 с = 2,6 · 1040 кг.

Вывод: Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики  2 · 1041 кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия. Если учесть, что образование гелия в термоядерных реакциях возможно при высоких температурах, то на ранних этапах расширения Вселенная была не только плотной, но и горячей. Модель «горячей Вселенной» - космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем  адиабатическом космологическом расширении, иначе теория Большого взрыва.

  1. Историческая справка (выступления учащихся).

Фридман Александр Александрович (1888-1925).  Фридман в 1922-1924 и Жорж Леметр в 1927 г. сумели доказать, что уравнения Эйнштейна допускают и такое решение: первоначально вся Вселенная была сосредоточенна в одной точке, (названной условно "папой-атомом") а затем начинает расширяться, и так появляются галактики и звезды в них.

Хаббл Эдвин (1899-1953). В 1929 году сумел подтвердить на практике теории Фридмана и Леметра.
Однако это удалось сделать в 1929 году выдающемуся астроному Эдвину Хабблу. Своими тщательными измерениями он доказал, что давно известные туманности, ранее считавшиеся всего лишь облаками газа, на самом деле являются галактиками. И что самое интересное, эти галактики движутся, удаляясь от нас со скоростями, тем большими, чем дальше они отстоят.

Гамов Георгий Антонович (1904-1968) Гамов доказал, папа-атом не просто вдруг начал расширяться во всю Вселенную (так называемая "холодная модель"), он должен был взорваться. Модель эту он называет "Big Bang' ом" (очень простонародное по тому времени отношении к иностранному языку), Большим Взрывом, и излагает ее сначала в заметке 1946 года, а потом статье 1948 года "Происхождение химических элементов", написанной вместе с учеником Ральфом Альфером.  Главный вопрос  в теориях Гамова был следующий: если такой взрыв имел место быть, то уже на довольно ранних стадиях должно было возникнуть пронизывающее весь мир электромагнитное излучение, распределение которого должно было соответствовать температуре в момент излучения (многие миллиарды градусов). Но по мере расширения Вселенной частоты этого первичного (его назвали "реликтовым") излучения должны были вследствие эффекта Доплера убывать, и к настоящему времени, по оценкам Гамова, соответствовать температуре около трех-четырех градусов по Кельвину, т.е. быть сосредоточены в районе длин волн в несколько сантиметров. В 1965 году А.Пензиас и Р.Вильсон, конструировавшие антенны для радиоэлектроники, обнаруживают равномерно идущее во всех направлениях электромагнитное излучение, соответствующее температуре в 3 Кельвина! Как выяснилось, это вовсе не сбой аппаратуры, а именно то излучение, о котором говорил Гамов! Но Нобелевскую премию Дали Пензиасу и Вильсону, а не Гамову.

  1. Работа учащихся с таблицей «Эволюция Вселенной».

                                                          Таблица Эволюция Вселенной

Название эпохи

Физические процессы

Время, прошедшее с момента Большого Взрыва

Температура

Рождение классического пространства-времени

Вселенная рождается из состояния сингулярности, из пространственно-временной «пены»

5∙10–44 c

1032 К

Стадия инфляции

Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия

5∙10–44–10–36 c

более 1028 К

Рождение вещества

Появляется горячая плазма, состоящая из элементарных частиц, «кваркового супа»

начиная с 10–36 c

1028 К

Радиационная стадия

Вещество и излучение находится в равновесии. На каждый барион приходится 109 фотонов

вплоть до 10–4 c

до 1013 К

Стадия рекомбинации

Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения

вплоть до 1 с

5∙1012–1013 К

Первичный нуклеосинтез

Образуются протоны и нейтроны. Синтез ядер водорода и гелия, а также лития и бериллия

1–200 с

109–1010 К

Стадия рекомбинации водорода

Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения

1 с – 1 000 000 лет

4500–3000 К

Возникновение галактик

Начало возникновения звезд и галактик

1 миллиард лет

30 К

Современная эпоха

Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается

15–20 миллиардов лет

2,725 К

                                                                                                         

В ходе рассказа учителя учащиеся заполняют  столбец «Время, прошедшее с момента Большого Взрыва», правильность проверяют по презентации.

Выводы:                                                                                          

  • №1. Время – 13-20 млрд. лет назад. Изначальная плотность -10 97 кг/м 3. Объем «папы-атома» был бесконечно мал. 
  • №2. Понижение температуры T  в зависимости от времени t.
  • №3. На  ранних  стадиях   расширения   Вселенной   в   ходе   реакций происходивших между «элементарными»  частицами,  образовались  ядра  атомов водорода и гелия. Более  тяжелые  химические  элементы  появились  позже,  как  продукты ядерных реакций, происходивших в недрах звезд.

  1. Работа учащихся с таблицей «Космическая распространенность наиболее обильных элементов».

В настоящее время распространённость химических элементов отражена в таблице «Космическая распространенность наиболее обильных элементов».

Элемент

Порядковый
номер

Распространенность
по числу атомов

Концентрация
по массе ( масса элемента в 1 г космического вещества)

H

1

$2,66\cdot 10^{10}$

0,774

He

2

$1,8\cdot 10^9$

0,208

C*

6

$1,11\cdot 10^7$

$3,8\cdot 10^{-3}$

N

7

$2,31\cdot 10^6$

$9,3\cdot 10^{-4}$

O

8

$1,84\cdot 10^7$

$8,5\cdot 10^{-3}$

Ne

10

$2,6\cdot 10^6$

$1,5\cdot 10^{-3}$

Na

11

$6,0\cdot 10^4$

$4,0\cdot 10^{-5}$

Al

13

$8,5\cdot 10^4$

$6,6\cdot 10^{-5}$

Si

14

$1,0\cdot 10^6$

$8,1\cdot 10^{-4}$

S

16

$5,0\cdot 10^5$

$4,6\cdot 10^{-4}$

Ar

18

$1,06\cdot 10^5$

$1,1\cdot 10^{-4}$

Ca

20

$6,25\cdot 10^4$

$7,2\cdot 10^{-5}$

Fe

26

$9,0\cdot 10^5$

$1,4\cdot 10^{-3}$

   

Вывод: Наибольшую распространенность имеет водород, за ним следует гелий (вывод должны сформулировать учащиеся). . Анализируя химический состав планет нашей Солнечной системы можно прийти к выводу, что наше Солнце образовалось из протозвёздного облака уже обогащённого  тяжелыми элементами. Поэтому можно сказать, что мы – дети вспышек сверхновых

5. Самостоятельная работа с учебником (с. 133).

Вопрос: дайте определение реликтового излучения. (Ответ: реликтовое излучение – это излучение, оставшиеся от ранних этапов эволюции вселенной)

Дополнение учителя:

08020301

Распределение температуры реликтового излучения. На этой карте всего неба излучение в направлении движения Земли показывает голубое смещение и выглядит горячее, в то время как в противоположном направлении оно показывает красное смещение и представляется более холодным. Хорошо заметна  дипольная составляющая, вызванная эффектом Доплера. Местная группа движется со скоростью около 600 километров в секунду относительно реликтового излучения. Светлые области отличаются от темных всего на 0,001 К

Вывод: Открытие анизотропии реликтового излучения также подтверждает теорию Горячей Вселенной и Большого Взрыва. Вселенная не имеет ни начала, ни конца, она всегда существовала и будет существовать; она бесконечна в пространстве и вечна во времени. Вселенная непрерывно изменяется, развивается, эволюционирует.

№3. Закрепление

№4. Рефлексия

№5. Домашнее задание

§ 36  Вопросы и задания стр.133

 Подготовка реферативных работ  и  тезисов    к   уроку-конференции

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


По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Презентация "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение".

Презентация сделана для дистанционных курсов по астрономии в издательстве "Просвещение".Она использовалась для конспекта урока "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение" по ...

План-конспект урока "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение".

План-конспект был сделан для курсов по астрономии. В нем используется презентация размещенная на сайте....

Модель "горячей Вселенной" и реликтовое излучение.

Урок №31 "Модель "горячей Вселенной" и реликтовое излучение....

План-конспекта урока по теме: «Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение»

......

Разработка урока по теме: Модель горячей вселенной и реликтовое излучение.

Цель: Познакомить учащихся с наиболее актуальной моделью «рождения Вселенной» -  «горячей Вселенной», реликтовым излучением, как доказательством справедливости теории...

Презентация к уроку по астрономии Урок №31 "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение"

   Цели урока: •Познакомиться с моделью «горячей Вселенной».•Узнать, где, когда и как образовалось основное количество гелия во Вселенной.•Выяснить, ка...

Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение

План-конспект урока астрономии  в 11 классе по теме "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение"...