Урок по физике для 11 класса по теме «Строение и эволюция Вселенной»
Урок по физике для 11 класса по теме
«Строение и эволюция Вселенной».
Работа для учащихся по последним главам «Физика – 11» (материал из астрономии).
Чтобы работа для учащихся была более интересной, (тем более – по формированию универсальных учебных действий), можно использовать нестандартный урок – соревнование «Кто быстрее заполнит дискету?». Класс может быть разбит на три команды со своими капитанами и названиями ( Сириус, Мицар и Альтаир). Если класс сильный, то можно проводить этот урок после прохождения материала «Строение и эволюция Вселенной». Если слабый, то выдать маршрутные листы штурманов звездолетов ( учебники астрономии Левитана) и на время (30 минут: на каждый вопрос- 1 минута + 1 минута для начала) начать заполнять строчки дискеты. Слова начинаются со свободной клетки, считая от первого столбца(столбец с номерами в расчет не берется).Если будут правильно найдены и вставлены все слова, то по одной из вертикалей найти ключевые слова и дать им толкование.
2.Середина Галактики.
3.Зодиакальное созвездие (ядовитое насекомое).
4.Часть Млечного Пути – серебристая ……
5.Созвездие с главной звездой Денеб.
6.Ученый, в честь которого названа быстро движущаяся звезда (до 10 секунд в год).
7. Главная звезда созвездия Большой Пес.
8.Верстовые столбы Вселенной.
9.Одно из состояний вещества во Вселенной
10.Волна, которую улавливают радиотелескопы.
11.Число звезд в двойной звезде, связанных тяготением.
12. Шестая буква греческого алфавита
13.Часть Галактики спирального вида.
14.Темная пылевая туманность «Конская ……»
15.В земной атмосфере содержится 21% этого газа.
16. Величина, характеризующая деформированную толщину Галактики.
17.Составная часть диаграммы «…. – светимость».
18.Направление распространения световой энергии.
19. Число, определяющее диаметр ядра в парсеках.
20.Ионизированный атом, составная часть плазмы.
21.Зодиакальное созвездие с главной звездой Спика.
22.Одна из характеристик звезд для сравнения с Солнцем.
23.Направление, в котором движется солнечная система.
24.Основной прибор для наблюдения звезд.
25.Цветовая полосатая картина, по которой определяют состав атмосферы.
26.Несамосветящееся крупное тело в Солнечной системе.
27.Космическая отрасль, в которую входят ракеты.
28.Тесные группы звезд,
29.Составная часть толщины Галактики, если на нее смотреть с ребра.
После выполнения работы — подводятся итоги : выставляются оценки ( и если предусмотрены призы за лучшее выполнение ( или быстроту выполнения)), то и они вручаются.
Проводится заключительная беседа и задается домашнее задание.
Источник
Физика. 11 класс
Конспект урока
Физика, 11 класс
Урок 35. Вселенная
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
- современные представления о строении и эволюции Вселенной;
- теория Большого взрыва;
- реликтовое излучение;
- тёмная материя и тёмная энергия.
Глоссарий по теме:
Космология – наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной.
Теория Большого взрыва, или, как она первоначально называлась, модель горячей Вселенной – космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной как целого.
Радиус Вселенной – оценивается с помощью закона Хаббла, R =1,24 ∙ 10 26 м.
Возраст Вселенной — оценивается с помощью закона Хаббла, t = 13 ∙ 10 9 лет.
Реликтовое излучение – излучение, которое осталось от горячего состояния вещества в начале расширения Вселенной.
Тёмная материя – гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Тёмная материя по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд.
Тёмная энергия – гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 402 — 405.
2.Чаругин В.М. Астрономия. 10 — 11 классы: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень. М.: Просвещение, 2018. С. 126 – 142.
Основное содержание урока
Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной, называется космологией.
Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света. Согласно общей теории относительности гравитационное взаимодействие передаётся с конечной скоростью, равной скорости света. (По теории Ньютона гравитационное взаимодействие передаётся мгновенно.)
Общая теория относительности накладывает определённые ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. 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.
Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.
Теория Большого взрыва, или, как она первоначально называлась, модель горячей Вселенной – космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной как целого. Её предложил российский и американский физик Г. А. Гамов. Согласно этой теории, наша Вселенная образовалась примерно 13,7 млрд лет назад. Случилось это в результате Большого взрыва – явления, которое произошло на невообразимо малых расстояниях 10 -33 см за очень короткий временной промежуток 10 -44 с. Плотность вещества, которое образовалось в результате Большого взрыва, была равна 10 94 г/см 3 . За очень короткое время, примерно 10 -33 с, Вселенная в результате инфляция увеличилась до размеров примерно 10 см. После того, как закончилась инфляция, во Вселенной образовались несколько видов элементарных частиц: кварки, глюоны, электроны и γ-кванты или фотоны и нейтрино. За время примерно 10 -10 с от начала Большого взрыва началась эра элементарных частиц, 10 -6 с – образование протонов и нейтронов, 3 минуты – образование лёгких ядер. В момент примерно 3000 лет образовались реликтовые фотоны. С тех пор они путешествуют во Вселенной, помогая нам восстанавливать события тех лет. Первые атомы образовались примерно через 300 000 лет, первые галактики и звёзды через 1 млрд лет после Большого взрыва.
Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил известный британский астроном и космолог Фред Хойл в своей лекции в 1949 году.
Закон Хаббла позволил оценить радиус и возраст Вселенной: R =1,24 ∙ 10 26 м, t = 13 ∙ 10 9 лет.
Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер будущего движения (расширения или сжатия) Вселенной ρкр = 10 -26 кг/м 3 .
Если средняя плотность вещества во 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. Наблюдаемое разбегание галактик указывает на расширение Вселенной.
Наблюдения указывают на то, что в галактиках имеется несветящееся вещество, которое не участвует в электромагнитном взаимодействии, слабо проявляется в ядерном и слабом взаимодействии, поэтому оно себя не обнаруживает. Его назвали тёмной материей. Тёмная материя по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд.
Ряд наблюдений указывают на существование во Вселенной более экзотической по свойствам тёмной материи, которая по своей массе превышает все другие формы материи и вносит основной вклад в расширение Вселенной. Её назвали тёмной энергией.
Проявление тёмной энергии было обнаружено по наблюдениям вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках. Свойство тёмной энергии совершенно необычное, она проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, не участвует в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях. Она проявляет себя как сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между телами.
Разбор тренировочного задания
1. Учёные считают, что возраст Вселенной составляет примерно:
4) 1500 млрд лет.
Возраст Вселенной можно рассчитать, используя закон Хаббла:
Ответ: 2) 13 млрд лет.
2. Влияет ли космологическое расширение Метагалактики на расстояние Земли
2) до центра Галактики;
3) до галактики М31 в созвездии Андромеды;
4) до центра местного сверхскопления галактик?
В космологическом расширении не участвуют гравитационно связанные системы (Солнечная система, галактика, скопления галактик). Поэтому в первых трех случаях космологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и указанными объектами.
Источник
План-конспект урока по астрономии на тему «Расширяющаяся Вселенная» (11 класс)
План-конспект урока по Астрономии 11 класс
Седовой Алёны Павловны
МБОУ СОШ №10 с УИОП
Щелковского муниципального района
Тема урока: Расширяющаяся Вселенная.
Цель урока: расширить знания учащихся об эволюции и строении Вселенной.
Образовательная: изучить космологическую модель расширяющейся Вселенной; определить радиус мегагалактики и возраст Вселенной.
Развивающая: развитие логического мышления, познавательной деятельности, умения объяснять явления и делать выводы.
Воспитательная: развивать речь и умение слушать других, коммуникативные компетенции.
Оборудование: интерактивная доска, компьютер, презентация.
Межпредметные связи: физика (теория относительности, теория тяготения И.Ньютона, закон Хаббла, эффект Доплера, элементарные частицы); химия (свойства химических элементов); биология (познание жизни на клеточном и молекулярном уровнях).
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: комбинированный.
Оборудование (дополнительные материалы): иллюстрации на бумаге, либо в электронном виде.
Ход урока (этапы урока)
I. Организационный момент (приветствие).
II. Актуализация знаний (вопросы перед § 35 на стр. 127).
— Что такое фотометрический парадокс?
— Какое значение имеет общая теория относительности для астрономии?
II. Изучение нового материала.
Космологическая модель Вселенной.
Космология — раздел современной астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Время существования Вселенной бесконечно, т. е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922 г. русский математик и геофизик А. А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством. Он показал, что Вселенная однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.
Нестационарность Вселенной была подтверждена открытием зависимости красного смещения галактик от расстояния (Эдвин Хаббл, 1929).
Эйнштейн не раз подтверждал, что начало теории расширяющейся Вселенной положил А. А. Фридман.
Последующее изучение галактик показало, что они удаляются от Млечного Пути, причем чем дальше они находятся, тем больше скорость их удаления. Ученые осознали, что мы живем в расширяющейся Вселенной.
В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них (закон Хаббла). Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной, равно:
H — постоянная Хаббла,
G — гравитационная постоянная.
ρкр — выделенное значение плотности материи (вещества и энергии) Вселенной, от которого зависят глобальные геометрические свойства вселенной в космологических моделях.
В частности, если средняя плотность Вселенной меньше или равна критической, то реализуется бесконечная вселенная. Если же плотность больше критической — то пространство Вселенной оказывается конечным:
ρ = ρкр — плоская, открытая вселенная;
ρ > ρкр — положительная кривизна пространства, вселенная замкнута. В будущем расширение Вселенной сменится сжатием.
Согласно модели Фридмана, средняя плотность Вселенной равна критической: ρ = ρкр с точностью порядка 1 %.
Поскольку мы не знаем средней плотности вещества во всей Вселенной, мы можем посчитать эту плотность в доступной изучению части Вселенной- мегагалактике.
Радиус мегагалактики легко оценить с помощью закона Хаббла. В связи с тем, что максимальная скорость не может превышать скорости света, следовательно, максимальное расстояние, до которого можно наблюдать небесные тела, соответствует скорости разбегания галактик, откуда радиус мегагалактики будет вычисляться по формуле:
Подробный расчет радиуса мегагалактики, объем и среднюю плотность вещества посмотрим в учебнике на странице 130.
Таким образом, средняя плотность Вселенной примерно в 8 раз меньше критической плотности и Вселенная должна расширяться вечно.
Возраст Вселенной – это время, прошедшее с начала расширения Вселенной.
По современным представлениям возраст Вселенной составляет 13.799 ± 0.021 миллиардов лет. Наблюдательные подтверждения в данном случае сводятся, с одной стороны, к подтверждению самой модели расширения и предсказываемых ею моментов начала различных эпох, а с другой, к определению возраста самых старых объектов (он не должен превышать получающийся из модели расширения возраст Вселенной).
Если наблюдения пока не позволяют нам с определенностью сказать о характере будущего расширения Вселенной, то время, когда в прошлом это расширение началось, мы всегда может оценить из закона Хаббла.
Например, допустим наблюдаемая нами галактика удаляется со скоростью v и сейчас, после расширения, находится на расстоянии r от нас, то свое удаление от нас она начала примерно в момент:
Эти рассуждения применимы для любой галактики.
Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлётом вещества во время взрыва, поэтому описанная теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва, а время прошедшее с начала этого взрыва, называют возрастом Вселенной.
Расширение Вселенной и связанное с ним наблюдаемое разбегание галактик объясняют отсутствие фотометрического парадокса. Действительно, из-за эффекта Доплера свет далёких галактик и звёзд испытывает красное смещение, энергия световых квантов уменьшается, меньше света приходит от этих галактик.
Кроме этого, мы видели, что Вселенная ограничена в размерах радиусом Вселенной. Эти два обстоятельства ограничивают яркость неба настолько, что небо ночью тёмное.
Опишите космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности.
Зачем нам нужна общая теория относительности?
Как можно оценить возраст Вселенной?
Имеет ли Вселенная конец?
Что такое фотометрический парадокс?
Какая наука объясняет наблюдаемое распределение галактик в пространстве и их движение?
Какое значение имеет общая теория относительности для астрономии?
Какие ограничения накладывает общая теория относительности на геометрические свойства пространства?
Назовите величины, характеризующие материю.
Какой физический смысл имеет постоянная Хаббла?
Если бы Вселенная не расширялась, а бесконечное множество галактик – таких, как мы наблюдаем сейчас, — существовало вечно, то все небо от них ярко бы светилось. Объясните почему.
§ 35 Вопросы и задания стр.131
Сегодня я узнал…………….
Хотел бы узнать……………
Мне было на уроке……….
Список использованной литературы и интернет-ресурсов
1. В.М. Чаругин «Астрономия. 10–11 кл.», учебник, М, Просвещение, 2018г.
Источник