Источники энергии солнца астрономия 10 класс

Источники энергии солнца астрономия 10 класс

Солнце – монетка, — скупой проворчал.
Нет, сковородка! – обжора вскричал.
Нет, каравай, — хлебопек произнес.
Компас, — сказал убежденно матрос.
Солнце – звезда, — астроном объявил.
Доброе сердце – мечтатель решил.

Тема: Источники энергии и внутреннее строение Солнца.

Цель: Рассмотреть источник энергии Солнца, термоядерные реакции (протон протонный цикл) и внутреннее строение звезд.

Задачи:
1. Обучающая: Ввести понятия: Солнце как раскаленный плазменный шар, термоядерной реакции, дефекта массы, протон-протонного цикла. Рассмотреть возможность расчета параметров внутреннего строения Солнца с помощью элементарных физико-математических понятий. Дать представление о гелиосейсмологии.
2. Воспитывающая: Содействовать формированию идеи о причинно-следственных связях в природе (на примере рассмотрения цепочки явлений – от превращения в недрах Солнца ядер атомов водорода в ядра атомов гелия до освещения и обогревания Земли светом и теплом Солнца). Подчеркнуть, что Солнце будет еще миллиарды лет обладать такой же светимостью, как сейчас. На примере раскрытия загадки источников солнечной энергии продемонстрировать познаваемость мира и его закономерностей. Подчеркнуть огромное практическое значение для научно-технического прогресса открытия гелия на Солнце и термоядерного источника энергии Солнца.
3. Развивающая: Выделить главное в теме урока: в отличие от планет и их спутников, астероидов и комет Солнце представляет собой самосветящееся небесное тело, излучающее свет и тепло, заинтересовать учащихся соответствующими проблемными ситуациями. На примере источников энергии Солнца продемонстрировать неразрывную связь явлений микро- и макромира.

Знать:
I-й уровень (стандарт) — иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение.
II-й уровень — иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.
Уметь:
I-й уровень (стандарт)- производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна.
II-й уровень— производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна, примерных параметров давления и температуры с глубиной.

Оборудование: Таблицы: Солнце, строение Солнца. Схема термоядерной реакции. CD- «Red Shift 5.1». ПКЗН. графика из ЦОР (ниже) иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение. иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.

Межпредметные связи: физика (термоядерные реакции, элементарные частицы, дефект массы, роль гелия в атомной физике, ионизация атомов и др.), химия (элементы периодической системы Менделеева – водород и гелий, а.е.м.), математика (вычисления, необходимые для решения задач).

Ход урока:

I Опрос учащихся.

1. Источник энергии Солнца.
Излучает L ? =3,876 . 10 26 Дж/с –огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение.
В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия. (Ноб. лауреат). Внутри Солнца (звезд) Н ионизирован — т.е. в виде ядер протона 1 ₁ Н. Двигаясь с очень большими скоростями (при Т>10 млн.К) протоны несколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций такого типа: протон-протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл:
1 Н+ 1 Н→ 2 D+е + +ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв).
2D+ 1 H> 3 He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв).
3Не+ 3 Не→ 4 Не+ 1 Н+ 1 Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв) и все снова, т.е. внутри Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий (из 4 ядер 1 Н образуется ядро 4 Не).
При этом выделяется огромная энергия. Например рассчитаем выделение энергии при «сгорании» 1гр водорода.

Т.к. М _? =2 . 10 30 кг, то Н гореть еще 150 млрд.лет, но горит в центре только 0,1М _? , следовательно еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка

4 млн.т. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов.

Нейтрино — элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца. Нейтринные телескопы имеются в шахте Хоумстейк (штат Южная Дакота, США), в Японии (система «Камиоканде»), на Байкале и другие. В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory) были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.

2. Внутреннее строение Солнца.

Конвективная зона — происходит перемешивание вещества. нагретые слои поднимаются к фотосфере и остыв, уступают место нижним более нагретым.
Зона излучения (Зона лучистого переноса) – (от 0,3R до 0,7R) здесь происходит процесс переноса энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем многократного поглощения и последующего ее переизлучения с постепенным увеличением длины волны и понижения температуры. Образовавшиеся в процессе ядерного синтеза фотоны с высокой энергией сталкиваются с электронами и ионами, порождая повторное световое и тепловое излучение. Лучистый теплообмен – передача тепла между нагретыми телами, обусловленная процессом испускания, переноса, отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии. Промежуток времени, за который энергия, произведённая в ядре, достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет 170 тысяч лет.

6,6 раз выше плотности самого плотного металла на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 миллионов градусов. Анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2×10 27 тонн. В общепринятой теоретической модели Солнца (так называемой «Стандартной модели») предполагается, что подавляющая часть энергии вырабатывается реакциями прямого синтеза водорода c образованием гелия, и только лишь 1,5% — реакциями так называемого цикла CNO, в котором в процессе реакции углерод циклически превращается сначала в азот и кислород, после чего реакция снова приводит к образованию углерода.
Гелиосейсмология – наука изучающая колебания Солнца. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны подобие звуковых в воздухе: распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами волны 103 — 104 км. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут (лежат в диапазоне примерно от 3 до 10 мин). Амплитуда колебаний от 100 – 200 м/сек до 1 – 2 км/сек в хромосфере. Впервые обнаружили колебания Р. Лейтон, Р. Нойс и Дж. Саймон в 1960-х годах.
В солнечных пятнах колебания период колебаний составляет 2 – 3 минуты. Это так же резонансные колебания, а резонатором является хромосферные колебания над пятнами.
Все перечисленные резонансные колебания в солнечной атмосфере могут возбуждаться волновыми силами из конвективной зоны. В тех случаях, когда единый волновой процесс охватывает все Солнце, говорят о пульсации Солнца как звезды. Были открыты колебания с периодом 2ч40мин с амплитудами в 20 км (около 10-30% от диаметра Солнца) едва уловимые для самой чувствительной аппаратуры. Наблюдаются так же пульсации с периодом в 20 – 40 минут. Точные измерения продолжительности солнечных затмений, а также прохождения Меркурия и Венеры по диску Солнца показали, что в XVII веке диаметр Солнца превышал нынешний примерно на 2000 км ,то есть на 0,1%.

3. Закрепление материала
1. Задача: На сколько худеет Солнце за 1 минуту? (Е=?mc 2 =Lt, ?m= Lt/c 2 =3,876 . 10 26 . 60/(3 . 10 8 ) 2 ≈2,6 . 10 12 кг)
2. Задача: Какая энергия поступает в оз. Песчаное, имеющее площадь 1,2 кв.км, в течение 1 минуты в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 45 о , а через атмосферу проходит 80% солнечной энергии? Когда Солнце на этой высоте? (из E=e₁ . S . t и e₁=0,8 . q . sin a получим Е=55,2 млрд. Дж. Из формулы h=90-φ+δ, учитывая что φ=54 о , получим δ =9 о , по ПКЗН это октябрь или апрель).
3. Задача: Сравните количество энергии, которое выделяется при вспышке, с количеством энергии, выделяющимся при взрыве мегатонной бомбы (4 10 Дж). (Приняв, что при вспышке выделяется 10 25 – 10 26 Дж, находим: эта энергия в миллиарды раз превосходит энергию, выделяющуюся при взрыве мегатонной бомбы).
4. CD- «Red Shift 5.1» — положение и характеристики Солнца в данный момент времени.

III. Итог
1. Откуда Солнце черпает неиссякаемый источник энергии?
2. Что такое протон-протонный цикл?
3. Как вычислить излучаемую Солнцем энергию, дефект массы?
4. Что представляет собой внутреннее строение Солнца?
5. Как происходит перенос энергии из недр на поверхность?
6. Оценки.

Дома: §20, вопросы стр. 122, ПР №6

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца? (Решение. При «сгорании» 1 кг водорода выделяется примерно 6,3·10 14 Дж. Масса Солнца 2·10 30 кг. Если принять, что Солнце целиком состоит из водорода, то при сгорании этого количества водорода выделилось бы 12,6·10 44 Дж. Ежегодно Солнце излучает примерно 12,6·10 33 Дж. Следовательно, для поддержания нынешней светимости Солнца водорода хватило бы на 10 11 лет. (Очевидно, что реальное время поддержания нынешней светимости Солнца должно быть меньше полученного значения).

Источник

Источники энергии и внутреннее строение Солнца Активное солнце. Извержение протуберанца, июль 2002 года. — презентация

Презентация была опубликована 7 лет назад пользователемАлла Яхимова

Похожие презентации

Презентация на тему: » Источники энергии и внутреннее строение Солнца Активное солнце. Извержение протуберанца, июль 2002 года.» — Транскрипт:

1 Источники энергии и внутреннее строение Солнца Активное солнце. Извержение протуберанца, июль 2002 года

2 Источник внутренней энергии Излучая L ʘ =3, Дж/с – Солнце теряет энергию. Закон сохранения откуда восполняется энергия? В 1931г Ханс Альбрехт Бете ( , Германия, в США с 1935г) указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в работе Генерация энергии в звездах (1939г) строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл), проводящую к синтезу гелия. 1 Н+ 1 Н 2 D+е + +ν (дейтерий +позитрон + нейтрино + 2,2 Мэв). 2 D+ 1 H 3 He+γ (тритий + гамма-квант + 5,5 Мэв). 3 Не+ 3 Не 4 Не+ 1 Н+ 1 Н (гелий + протон + протон + 12,8 Мэв). Условием возникновения термоядерной реакции является Т>10 млн.К. Внутри Солнца (звезд) водород ионизирован — т.е. в виде ядер протона 1 Н. Двигаясь с очень большими скоростями протоны насколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. Цепочка (цикл) протон-протонный – превращение 4 ядер 1 Н в ядро 4 Не. Это медленная реакция (7, лет) так как обусловлена слабыми взаимодействиями. Внутри в центре Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий. 10 млн.К. Внутри Солнца (звезд) водород ионизирован — т.е. в виде ядер протона 1 Н. Двигаясь с очень большими скоростями протоны насколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. Цепочка (цикл) протон-протонный – превращение 4 ядер 1 Н в ядро 4 Не. Это медленная реакция (7,9. 10 9 лет) так как обусловлена слабыми взаимодействиями. Внутри в центре Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий.»>

3 Строение Солнца Ядро – гелиевое (0,3R ) Зона излучения – (от 0,3R до 0,7R) происходит процесс переноса энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем поглощения и последующего ее переизлучения с постепенным увеличением длины волны и понижения температуры Зона конвенции — (от 0,7R до 1,0R) При М ʘ = кг и горении Н в центре ему еще гореть 5-7 млрд. лет. Излучения Солнца приводят к уменьшению массы Солнца на

4 млн.т в секунду. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов.

4 Внутреннее строение Солнца Приближенные расчеты можно выполнить с помощью обычных формул, выделив условно внутри Солнца столбик площадью S и h=R F=mg=ρVg=ρSRg но g=GM/R 2 Тогда вес столба P=ρSGM/R давление p=F/S=ρGM/R Применяя уравнение Менделеева-Клапейрона pV=(m/μ )RT можно вычислить один из параметров: давление, среднюю плотность, температуру если известны другие.

5 Наблюдения Солнца Проводятся в специализированных обсерваториях Телескоп солнечной обсерватории на озере Big Bear США. Национальной солнечной обсерваторий США (1962г, 1,6-м зеркало). С помощью этой системы МакМат-Пирса можно получить изображение Солнца с диаметром в 75 см. Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ, Россия) один из крупнейших астрономических инструментов. Расположен в долине, разделяющей два горных хребта Восточные Саяны и Хамар-Дабан, на расстоянии 220 км от Иркутска. Это крестообразный интерферометр, состоящий из двух линий 128 x 128 параболических антенн диаметром 2,5 метра, установленных эквидистантно с шагом 4,9 метра и ориентированных в направлениях востокзапад и северюг. Длина каждой из линейных баз интерферометра 622,3 метра. Введен в 1984г, работает на волне l = 5,2 см. Выполняется всепогодный мониторинг солнечной активности в одномерном режиме с угловым разрешением до 15″.

6 Исследования Солнца. Нейтрино Байкал — одно из наиболее подходящих мест на Земле для размещения глубоководных детекторов Черенковского излучения. На Байкальской нейтринной станции с 1998г работает нейтринный телескоп NT-200, смонтированный со льда. Еще зимой 1992 года на глубине метров на расстоянии 3,6 км от берега был установлен несущий каркас телескопа, а в 1998 году Байкальский нейтринный телескоп стал одной из крупнейших в мире установок для исследования нейтрино высоких энергий. NT-200: Элементы конструкции установки из высокочувствительных фотоприемников, которые помещены в стеклянные шары выдерживающие давление до 150 атмосфер на глубине метров. Нейтрино — элементарная частица, рождаемая при термоядерных реакциях внутри Солнца (звезд), свободно проникающая через звезды, планеты и т.д. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов можно заглянуть внутрь Солнца. Нейтринный телескоп SuperKamiokande (модернизированный Каmiokande-II), размещен в горах Японии на глубине 1 км под землей. Детектор — огромный резервуар (40×40 м) из нержавеющей стали, заполненный т необычайно чистой воды, которая служит мишенью для нейтрино. На поверхности резервуара размещены фотоумножителей (ФЭУ), регистрирующие появляющиеся импульсы голубого цвета, известные как Черенковское излучение, которые сообщают о столкновении нейтрино с молекулой воды.

7 Исследования Солнца КА Японская рентгеновская обсерватория «Йоко» (Yohkoh), запуск г для изучения рентгеновского и гамма- излучения Солнца. Сведен с орбиты г. Солнечная и гелиосферная обсерватория («SOHO») — Научно- исследовательский спутник (Solar and Heliospheric Observatory — SOHO), запущенный ЕКА 2 декабря 1995г с предполагаемым сроком работы около двух лет. Выведен на орбиту вокруг Солнца в одной из точек Лагранжа (L1), где уравновешиваются гравитационные силы Земли и Солнца. Одиннадцать инструментов на борту спутника предназначены для исследования солнечной атмосферы (в частности ее нагревания), солнечных колебаний, процессов выноса солнечного вещества в пространство, структуры Солнца, а также процессов в его недрах. Ведет постоянное фотографирование Солнца, по которым открыто свыше 1000 комет. Работает и сейчас. Исследование Солнца проводилось многими КА в том числе и специализированными: Спутник для изучения короны Солнца «TRACE (Transition Region & Coronal Explorer)» запущен г. Задача — исследование области перехода между короной и фотосферой с помощью 30-см ультрафиолетового телескопа.

8 Исследование Солнца КА КА «Коронас-Ф» (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца) весом 2260 кг запущен 31 июля 2001 года. Проведение фундаментальных исследований геофизического околоземного пространства, исследования галактических и солнечных лучей (всеволновых наблюдений Солнца), свойств ионосферы Земли и ее взаимодействия с магнитосферой. Срок предполагал работу КА 6 месяцев, а был сведен с орбиты г. Это второй спутник из серии «Коронас» (предыдущий, «Коронас-И», в период с марта 1994 года по декабрь 2000 года исследовал излучения Солнца во всём диапазоне частот, космических лучей, а также выбросов и вспышечных процессов на Солнце, его колебаний (гелиосейсмологии), исследования динамики солнечных возмущений земной магнитосферы. Ulysses (ЕКА) предназначена для измерения параметров солнечного ветра, магнитного поля вне плоскости эклиптики, изучения полярных областей гелиосферы. Провел сканирование экваториальной плоскости Солнца вплоть до орбиты Земли. Это единственный КА, движущийся перпендикулярно Первые его проходы над полюсами были 1994г (южный) и 1995г (северный), когда активность Солнца была минимальной. Во время вторых проходов в 2000г (южный) и 2001г (северный) светило было на пике своей активности. АС Ulysses, запущенная г, г начала третий виток вокруг Солнца.

9 Гелиосейсмология Все резонансные колебания в солнечной атмосфере могут возбуждаться волновыми силами из конвективной зоны. Если единый волновой процесс охватывает все Солнце, то говорят о пульсации Солнца как звезды. Были открыты колебания с периодом 2ч40мин и амплитудой в 20 км. Наблюдаются так же пульсации с периодом в 20 – 40 минут. Точные измерения продолжительности солнечных затмений, а также прохождения Меркурия и Венеры по диску Солнца показали, что в XVII веке диаметр Солнца превышал нынешний примерно на 2000 км, то есть на 0,1%. Гелиосейсмология – наука изучающая колебания Солнца. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны подобие звуковых в воздухе: как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами волны км. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут (лежат в диапазоне примерно от 3 до 10 мин). Амплитуда колебаний от 100 – 200 м/сек до 1 – 2 км/сек в хромосфере. Впервые колебания обнаружили Р. Лейтон, Р. Нойс и Дж. Саймон в 1960-х годах. Структура Солнца, иллюстрирующая p- и g-моды глобальных колебаний Солнца. резонансные колебания, а резонатором является хромосферные колебания над пятнами. В солнечных пятнах период колебаний составляет 2 – 3 минуты. Это так же

Источник