Тема урока «Строение и эволюция Вселенной»
Просмотр содержимого документа
«Тема урока «Строение и эволюция Вселенной»»
Тема урока: Строение Вселенной. Эволюция Вселенной.
Дата урока ___________
узнать об общем строении нашей Галактике и других галактик; познакомиться с древними процессами, которые происходят в центральных участках галактик; изучить методы определения расстояний до галактик; определить приблизительный возраст Вселенной; рассмотреть главные модели эволюции Вселенной.
Тип урока: комбинированный.
Пособия: карта звездного неба, фотографии галактик, презентации.
I. Организационный момент.
II. Актуализация знаний учащихся.
III. Объяснение нового материала:
1) Строение нашей Галактики.
3) Распределение галактик в пространстве.
4) Модели развития Вселенной.
IV. Закрепление материала.
V. Подведение итогов урока.
I. Организационный момент
II. Мотивация учебной деятельности
Учитель зачитывает отрывок:
…Сириус, дерзкий сапфир, синим горящим огнем,
Альдебарана рубин, алмазная цепь Ориона
И уходящий в моря призрак сребристый – Арго.
Эти строки Иван Бунин посвятил звездам.
Картина звездного неба постоянно впечатляет нас своим величием и красотой. Сенека, один из греческих мудрецов, когда-то сказал: «Если бы на Земле было только одно место, откуда видно звездное небо, то к нему со всех концов шли бы толпы людей, которые мечтали увидеть это диво».
После оглашения целей урока предлагается ответить на вопросы по темам, полученным ими раньше на уроках природоведения, физики и астрономии, о природе Солнца.
В ходе опроса напомнить основные методы астрономических исследований и формулы, которые позволяют вычислять основные характеристики космических объектов.
III. Актуализация знаний учащихся:
1. Что такое космическая система? Какие космические системы вы знаете? Какие характеристики и свойства они имеют?
2. По каким признакам классифицируются известные вам космические системы?
3. Что такое галактика? Являются ли синонимами слова «галактика» и «Млечный путь»
4. Что вы знаете о нашей Галактике? Какие ее размеры? Форма? Какие космические объекты ходят в ее состав?
5. Существуют ли во Вселенной другие галактики? Что вы о них знаете?
IV. Изучение нового материала
Рассказывая об основных физических характеристиках галактики, необходимо обратить внимание учащихся на трудности ее исследования, обусловленные тем, что мы наблюдаем Галактику «изнутри». Задав вопрос по аналогии:
— как легче и точнее составить план вашего города: наблюдая с окна одного дома или по данным аэросъёмки?
Учащиеся должны понимать, что Галактика является гравитационно- связанной космической системой: силы притяжения играют решающую роль в ее существовании и наряду с силами инерции и силами электромагнитной природы определяют структуру и основные свойства Галактики.
Первым ученым, который предположил, что Млечный Путь состоит из отдаленных звезд, был Демокрит. Основываясь на результатах своих подсчетов, Вильям Гершель в 18 столетии сделал попытку определить размеры Галактики. Он доказал, что наша звездная система имеет конечные размеры и создает своего рода толстый диск: в плоскости Млечного Пути она тянется на расстояние не больше 850 единиц, а в перпендикулярном направлении – 200 единиц, если за единицу принять расстояние до Сириуса. По современной шкале расстояний это отвечает 7300×1700 световых лет.
Эта оценка в целом отображает структуру Млечного Пути, хотя она не совсем точная. Дело в том, что кроме звезд, в состав диска галактики входят численные газопылевые облака, которые ослабляют свет отдаленных звезд. Исследователи Галактики не знали о поглощающем веществе и считали, что они видят все звезды. Реальные размеры Галактики были установлены только в 20 столетии. Оказалось, что она является более плоским образованием, чем предполагали раньше. На вид Галактика напоминает зерно чечевицы с утолщением посредине.
Так, в 40-х годах 20 столетия, наблюдая галактику М31, более известную как туманность Андромеды, немецкий астроном Вальтер Бааде отметил, что плоский линзообразный диск этой огромной галактики погружен в более разряженное звездное облако сферической формы – гало. Поскольку туманность Андромеды очень похожа на нашу галактику, Бааде предположил, что подобную структуру имеет и Млечный Путь. Звезды галактического диска были названы населением I типа, а звезды гало – населением II типа.
Наша Галактика – спиральная система массой от 2۰10 11 до 8,5۰10 11 – 11,5۰10 11 М○, радиусом около 1,5۰10 4 – 2۰10 4 пк и светимостью 2۰10 10 — 4۰10 10 L○. Галактика состоит из 150-200 млрд звезд и бесчисленным количеством других космических объектов: более 6000 галактических молекулярных облаков, которые содержат в себе до 50% межзвездного газа, туманностей, планетных тел и других систем, нейтронных звезд, белых и коричневых карликов, черных дыр, космической пыли и газа. Диск галактики пронизан великомасштабным магнитным полем, что удерживает частицы космических лучей и вынуждает их двигаться вдоль магнитных линий по винтообразным траекториям. 85-95 % массы Галактики сосредоточено в звездах, 5-15 % — в межзвездном диффузном газе. Массовая часть тяжелых элементов в химическом составе Галактики составляет 2 %. Возраст Галактики 14,4 
1,3 млрд лет. Большая часть звезд Галактики образовалась более 9 млрд лет тому назад.
Основная часть звезд, которые составляют Галактику, наблюдаются с Земли как серебристо-белая полоса, пересекающая все небо, — Млечный Путь, в котором сливается свет миллиардов звезд.
Мы наблюдаем свою Галактику изнутри, что затрудняет определение ее формы, структуры и некоторых физических характеристик. Телескопическим наблюдениям доступно только 10 9 , т.е. до 1% всех звезд Галактики.
Ядро галактики наблюдается в созвездии Стрельца (α = 17 h 38 m , δ = — 30 0 ), занимая часть созвездия Щита, Скорпиона и Змееносца. Ядро полностью скрыто за мощными газопылевыми облаками общей массой 3۰10 8 М○ в 700 пк от центра Галактики, которые поглощают видимое, но пропускают радио- и инфракрасное излучение. При их отсутствии ядро Галактики было бы самым ярким после Солнца и Луны небесным светилом.
В центре ядра наблюдается уплотнение – керн. Всего в 400 световых годах от центра, в недрах газопылевой туманности Стрелец А прячется черная дыра массой около 4,6۰10 6 М○. В самом центре области, размерами менее 1 пк, предположительно очень густое скопление голубых сверхгигантов (до 50000 звезд).
Наша Галактика имеет перемычку – бар, с концов которой в 4000 пк от центра Галактики начинают закручиваться 3 спиральные рукава. Вблизи одного из них – рукава Ориона — находится Солнечная система. Период обращения Солнечной системы около центра Галактики составляет 195-220 млн лет.
Галактики – пространственно отделенные, гравитационно-связанные системы космических тел, основными структурными элементами которых является от 10 6 до 10 23 звезд, которые содержат в себе до 95 % видимого галактического вещества, разные виды туманностей, планетные тела и космические объекты. Масса галактик от 10 26 до 10 43 кг, размерами от 10 3 , возраст – более 1,3 ۰10 10 лет.
Мир галактик очень разнообразен. Но уже в 1925 г. Хаббл осуществил первую и очень удачную попытку классифицировать галактики по внешнему виду, разделив их на три типа: эллиптические Е, спиральные S и неправильные Ir.
Эллиптические галактики имеют вид кругов или эллипсов, яркость которых плавно уменьшается от центра к краю. Их делят на 8 подтипов от Е0 (круговой объект) до Е7(объект существенно сплющен)
Спиральные галактики состоят из ядра и нескольких спиральных рукавов или ветвей. В обычных спиральных галактиках (тип S) ветви выходят непосредственно из ядра.
В спиральных галактиках с перемычкой (тип SВ) ядро пересекается вдоль диаметра поперечной полосой из звезд – перемычкой или баром, от концов которой начинаются спиральные рукава. В зависимости от степени развития рукавов галактики S и SВ делятся на подклассы Sа, Sb, и Sс. У галактик подкласса Sа спиралей почти не видно, тогда как у галактик подкласса Sс почти все вещество сосредоточено в спиральных рукавах.
Промежуточными между галактиками Е и S являются линзовидные галактики, яркость которых от центра к краю изменяется скачками.
К неправильным галактикам относятся галактики, не имеющие четко выраженного ядра и симметричной структуры.
Наша Галактика — пересеченная спиральная галактика класса SВа.
Ближайшая к нам спиральная галактика в северном полушарии неба – Туманность Андромеды. В южном полушарии наблюдаются две неправильные галактики – Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако.
Примерно 25 % изученных галактик – эллиптические, 50 % — спиральные, 20 % — линзовидные галактики и лишь 5 % — неправильные.
В отдельные группы галактик выделяются:
— взаимодействующие галактики, связанные между собой «перемычками», «хвостами» и «гамма-формами», которые состоят из звезд;
— компактные галактики, которые не превышают по своим размерам 3000 св. лет, и изолированные в пространстве звездные системы, которые имеют значительно меньшие размеры;
— активные галактики – имеют особенно яркие ядра, из которых вырывается светящийся газ, движущийся с огромной скоростью – тысячи километров в секунду.
В особый класс космических объектов следует выделить квазары – квазизвездные радиоисточники.
Расстояние до галактик определяют несколькими способами на основе наблюдений тех объектов, которые находятся в них:
а) звезд цефеид на основе соотношения «период перемены блеска – светимость цефеид»
б) звезд ярких голубых и красных гигантов и сверхгигантов – по фотометрической формуле
где 
– видимая звездная величина звезды, М – абсолютная звездная величина;
в) вспышек новых и сверхновых.
Расстояние до далеких галактик определяется по закону Хаббла
= 
= 
, где Н = 75 км/(с۰Мпк) – постоянная Хаббла
Благодаря работам Нобелевских лауреатов С. Перлмуттера, А. Райсса и Б. Шмидта (2011), наблюдавших за вспышками сверхновых звезд и очень удаленных галактиках, стало ясно, что Вселенная расширяется с ускорением, т.е. кроме всемирного тяготения, существует всемирное антитяготение – отталкивание одних галактик от других. Эта сила, природа которой пока не ясна, проявляет себя на больших космологических расстояниях и связана, вероятно, со специфическими свойствами возможно существующей в межгалактическом пространстве темной невидимой материи, получившей название «темная энергия». Таким образом, можно предвидеть будущее Вселенной: ее расширение никогда не прекратится, а будет происходить все быстрее и быстрее.
3) Распределение галактик в пространстве
Проведя тщательное исследование галактик, Хаббл в 1934 г. предположил, что подобных объектов на всей небесной сфере насчитывается около 5 млн. Сейчас принято считать, что галактик величиной до 30 m около 100 млрд.
Галактики очень редко бывают одиночными. Как правило, они расположены небольшими группами по несколько членов или входят в состав больших скоплений из сотен и тысяч галактик. Наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы, которая содержит еще две большие спиральные галактики – Туманность Андромеды и галактику из созвездия Треугольника, а также более 20 карликовых и неправильных галактик, среди которых самые большие – Магеллановы облака.
Размеры скоплений галактик составляют несколько мегапарсек. В настоящее время известно сотни и тысячи звездных систем. Со многими скоплениями связаны мощные и протяженные источники рентгеновского излучения. Между скоплениями находится горячий газ очень малой плотности. В пространстве галактики распределены неравномерно. Области с повышенной плотностью чередуются с пустотами, в которых средняя плотность галактик значительно меньше.
В целом галактики и скопления галактик как бы располагаются на определенных поверхностях, напоминающих соты, охватывающие собой пустоты. Другими словами, распределение вещества во Вселенной имеет ячеистую структуру. А размеры пустот сравнимы с размерами сверхскоплений.
4) Модели развития Вселенной
Все представления о строении и возникновении Вселенной, которые были составлены к 20 –м годам XX в., можно считать теоретическими предположениями, так как информации полученной в результате наблюдений, было очень мало. И все же на основании этих данных вырисовывалась картина строения Вселенной. Возможны три варианта развития Вселенной: вселенная закрытая, открытая и пульсирующая. Все эти варианты объединяют одно утверждение: в какой-то момент времени (10 или 20 млрд лет тому назад) расстояние между соседними объектами Вселенной должно быть равно нулю. В этот момент, который называется Большим Взрывом, Вселенная представляла собой как бы точку с бесконечно большой плотностью (сингулярной). В этой точке все современные законы физики не применимы, а поэтому ее можно рассматривать как математический образ новой физической реальности. Теория Большого Взрыва говорит, что Вселенная возникла 18 млрд лет назад в результате большого взрыва. Все вещество в нашей современной Вселенной было сжато в первичное ядро – чрезвычайно горячую плотную точку, которая распалась вследствие сильного взрыва. Одновременно с излучением взрыв привел к выбрасыванию водорода, гелия и свободных электронов. Выброшенное в космос вещество расширялось и охлаждалось. Несколько млн лет спустя она сконденсировалась в галактики. Вселенная продолжала расширяться, и галактики продолжали отделяться друг от друга.
Следующая модель Вселенной – теория пульсирующей Вселенной — утверждает, что начало нашего мира положил Большой Взрыв, но расширение не будет продолжаться вечно. Гравитация его остановит. Согласно этой модели расширение будет замедляться до тех пор, пока не остановится, а затем Вселенная начнет сжиматься до точки. После этого произойдет новый Большой Взрыв.
Третья модель – теория стационарной Вселенной – утверждает, что мир не эволюционирует и не изменяется. Не было в прошлом начала, не будет в будущем конца.
Эволюционные теории предполагают, что Вселенная должна быть заполнена реликтовым излучением – слабым остатком излучения, которое сохранилось от Большого Взрыва. Первичное ядро, как бомба, которая взорвалась, во всех направлениях излучала мощные потоки коротких волн. Со временем это излучение должно было рассеяться, остыть и заполнить всю Вселенную. В наше время оно приходило бы на Землю в виде микроволн. Подобный микроволновый фон, который приходит со всех сторон, был зафиксирован в 1965 г., это открытие заставило засомневаться в правильности модели стационарной Вселенной. Наблюдения квазаров и определение плотности вещества во Вселенной дают дополнительные важные ключи для выбора первой эволюционной модели.
Если считать, что с момента Большого Взрыва до настоящего времени прошел один год, то можно составить календарь событий этого года:
1 января (0 ч 00мин00с) – Большой Взрыв
1 января (12.00) – образовались первые атомы
Март – образовались первые галактики
Апрель – образовалась наша Галактика
Июнь – процесс образования галактик завершился
Сентябрь – возникновение Солнца, солнечной системы
Октябрь – возникновение жизни
Ноябрь – микробиоты, возникновение фотосинтеза
Декабрь (1-5) – образование кислородной атмосферы
15 – первые многоклеточные
20 – возникновение бесхребетных
26 – первые динозавры
27 – первые млекопитающие
28 – первые птицы
29 – вымирание динозавров
30 – первые приматы
31 декабря (14 ч) – рамапитек
22ч30мин – первые люди
Новый год – 21 век.
V. Закрепление материала.
1. Нашу Галактику можно представить в виде
А. гигантского звездного шара Б. гигантской сплюснутой системы звезд
В. гигантской бесформенной совокупности звезд
Г. гигантского сплюснутого диска из звезд, газа и пыли, образующих спирали
2. Диаметр Галактики равен примерно
А. 
0 пк Б. 
100 000 св.лет В. 1 000 000 а.е. Г. 2۰10 6 св.лет
3. Где в Галактике расположено Солнце?
А. в центре Галактики Б. на периферии Галактики
В. на расстоянии 8 кпк от центра Г. на расстоянии 150 000 св.лет
4. Какой массивный объект находится в центре Галактики?
А. плотное скопление звезд Б. плотное газопылевое облако
В. массивная черная дыра
5. Наша Галактика
А. эллиптическая Б. неправильная В. спиральная г. активная
6. Красное смещение галактики равно 0,1. На каком расстоянии она находится?
7. Что указывает на расширение Вселенной?
А. красное смещение в спектрах далеких звезд Б. вращение галактик вокруг оси
В. черные дыры в ядрах галактик Г. наличие газа и пыли в спиральных рукавах
8. Что доказывает существование первой модели образования Вселенной?
А. реликтовое излучение Б. распределение галактик в пространстве
Источник