§ 15. Масштабы Вселенной
Мы думаем, что изучаем звезды,
а оказалось, что изучаем атом.
Р. Фейнман
Что понимают под Вселенной? Что такое микромир, макромир и мегамир и каковы их масштабы? Чем ограничены наши возможности при изучении больших масштабов мегамира и мельчайших масштабов микромира?
Урок-лекция
Образ вселенной. Под Вселенной понимают совокупность всех объектов, которые так или иначе наблюдаются человеком. Из них лишь немногие доступны для наблюдения с помощью органов чувств. Эту часть мира называют макромиром. Мельчайшие объекты (атомы, элементарные частицы) составляют микромир. Объекты, имеющие гигантские размеры и удаленные от нас на очень большие расстояния, называют мегамиром.
Сальвадор Дали. Ядерный крест
Сделайте предположение, почему С. Дали назвал свою картину «Ядерный крест».
Масштабы миров. Границы между этими мирами достаточно условны. Чтобы наглядно представить объекты макромира, микромира и мегамира, будем мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу в большое число раз.
Начнем со сферы радиусом 10 см. Это типичный размер объекта макромира. Чтобы достаточно быстро добраться до границ познанного мира, нам придется увеличивать и уменьшать сферу во много раз. Возьмем в качестве такого большого числа миллиард.
1. Увеличив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 100 000 км. Что это за размеры? Это приблизительно четверть расстояния от Земли до Луны. Такие расстояния вполне доступны для передвижения человека; так, астронавты уже побывали на Луне. Все, что имеет размеры такого порядка, следует отнести к макромиру (рис. 8).
Рис. 8 Масштабы макромира
2. Сделав увеличение еще в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 14 км. Это. конечно же, астрономические размеры. В астрономии для удобства измерения расстояний используют световые единицы, которые соответствуют времени, необходимому свету, чтобы преодолеть определенное расстояние.
Что же представляет собой сфера радиусом 10 св. лет? Расстояние до ближайшей к нам звезды равно примерно 4 св. года. (Солнце, конечно, тоже одна из звезд, но в данном случае мы его не рассматриваем.) Сфера радиусом 10 св. лет, центр которой находится на Солнце, содержит около десятка звезд. Расстояние в несколько световых лет уже недоступно для перемещения человека. При достижимых для человека скоростях (около 30 км/с) добраться до ближайшей звезды можно примерно за 40 ООО лет. Каких-то иных мощных двигателей, например работающих на основе ядерных реакций, в настоящее время не существует даже в проекте. Так что в обозримое время человечество вынуждено мириться с тем, что перемещение на звезды невозможно.
Конечно же, расстояние в 10 св. лет относится уже к мегамиру. Тем не менее это ближний к нам космос. Мы достаточно много знаем о ближайших к нам звездах: довольно точно измерены расстояния до них, температура их поверхности, определены их состав, размеры и масса. У некоторых звезд обнаружены спутники — планеты. Данные сведения получены при изучении спектров излучения этих звезд. Можно сказать, что сфера радиусом 10 св. лет достаточно хорошо изученный космос.
Несложно рассчитать, сколько километров составляет световой год: 1 св. год = 300 000 км/с х 3600 с х 24 ч х 365,25 сут. = 9 467 280 000 000 км ≈ 10 13 км. Таким образом, 10 14 км ≈ 10 св. лет.
3. Сделав очередное увеличение в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 млрд св. лет. Именно на таком расстоянии от нас находятся самые отдаленные объекты, которые мы способны наблюдать. Мы получили, таким образом, сферу, в которой лежат все наблюдаемые нами объекты Вселенной. Заметим, что объекты, находящиеся от нас на таком огромном расстоянии, — это очень яркие светила; звезда, сравнимая с Солнцем, не была бы видна даже в самые мощные телескопы.
Что находится за пределами этой сферы, сказать трудно. Общепринятая гипотеза говорит, что мы вообще не можем наблюдать объекты, удаленные от нас на расстояния более 13 млрд св. лет. Этот факт связан с тем, что наша Вселенная родилась 13 млрд лет тому назад, поэтому свет от более удаленных объектов просто еще не дошел до нас. Итак, мы добрались до границ мегамира (рис. 9).
Рис. 9. Масштабы мегамира
Граница наблюдаемой нами Вселенной находится на расстоянии приблизительно 10 млрд св. лет.
Будем теперь двигаться в глубь микромира. Уменьшив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -8 см = 10 -10 м = 0,1 нм. Оказывается, это характерный для микромира масштаб. Размеры такого порядка имеют атомы и простейшие молекулы. Микромир такого масштаба достаточно хорошо изучен. Мы знаем законы, описывающие взаимодействия атомов и молекул.
Объекты такого размера недоступны для наблюдения невооруженным глазом и даже не видны в самые мощные микроскопы, поскольку длина волны видимого света лежит в диапазоне 300—700 нм, т. е. в тысячи раз превосходит размеры объектов. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, в частности по спектрам атомов и молекул. Все картинки, на которых изображены атомы и молекулы, есть плоды модельных образов. Тем не менее можно считать, что мир атомов и молекул — мир размером порядка 0,1 нм — уже достаточно хорошо изучен и каких-то принципиально новых законов в этом мире не появится.
Конечно же, этот мир еще не предел познания; например, размеры атомных ядер примерно в 10 000 раз меньше. Уменьшив сферу радиусом 0,1 нм в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -17 см, или 10 -19 м. Мы фактически достигли пределов познания. Дело в том, что размеры мельчайших частиц вещества — электронов и кварков (о них будет рассказано в § 29) — имеют порядок величины 10 -16 см, т. е. немного больше, чем наша сфера. Что находится внутри электронов и кварков, или, иначе говоря, являются ли электроны и кварки составными частицами, в настоящее время неизвестно. Возможно, что размер 10 -17 см уже не соответствует какой-либо реальной структурной единице вещества.
Законы, определяющие движение и структуру материи в масштабах 10 —15 — 10 -16 см, еще не до конца изучены. Современные экспериментальные возможности не позволяют еще глубже проникнуть в микромир.
Какими причинами ограничен наш доступ в более мелкие масштабы? Дело в том, что основным методом изучения структуры микрочастиц является наблюдение за столкновениями между различными частицами. Законы природы таковы, что на малых расстояниях частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому, чем более мелкие масштабы исследуют ученые, тем большую энергию необходимо сообщить сталкивающимся частицам. Эта энергия сообщается при разгоне частиц на ускорителях, причем, чем большую энергию необходимо сообщить, тем больше должны быть размеры ускорителей. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров. Для того чтобы продвинуться еще больше в глубь микромира, необходимы ускорители размером с земной шар.
Итак, теперь вы должны представлять, каким масштабам соответствует микромир (рис. 10).
Микромир 10. Масштабы микромира
В микромире, в макромире и в мегамире, законы природы проявляются по-разному. Объекты микромира обладают одновременно свойствами частиц и свойствами волн, в макромире и мегамире таких объектов практически не существует.
- Почему мы не можем заглянуть «за горизонт» Вселенной — увидеть объекты, удаленные от нас на расстояние больше 13 млрд св. лет?
- Что общего в экспериментальных методах изучения мегамира и микромира?
- Некоторые микрочастицы живут в течение 10 -18 с, после чего распадаются. С чем сравнима соответствующая световая единица длины (расстояние, которое свет проходит за это время)?
Источник
урок «Масштабы вселенной»
план-конспект урока по естествознанию (10 класс) по теме
Урок по учебнику Алексашиной » Естествознание — 10″
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| masshtaby_vselennoy.doc | 105 КБ |
Предварительный просмотр:
Цель урока: Сформировать представление у учащихся о мега-, макро- и микромире, их характеристиках и масштабах.
1. Сформировать у учащихся понимание терминов «мегамир», «макромир», «микромир», ввести единицу измерения световой год, объяснить причины существования границ познания мира.
1. Организационный момент – 2 мин.
2. подготовка к восприятию нового материала — 10 мин
3. Изучение нового – 17 мин
4. Закрепление – 10 мин
5. Подведение итогов урока – 3мин
4. Домашнее задание- 3 мин
Раздел, который мы начинаем изучать «Структура природы: единство многообразия» (запись в тетрадь)
Давайте подумаем, что означает слово структура? (строение) Значит природу можно разделить на отдельные объекты, чтобы определить некоторые объекты мира и определить тему урока мы решим с вами кроссворд: (работа в парах, учащимся на парту раздаются листы с вопросами и сеткой кроссворда)
- Раскаленный плазменный шар (звезда)
2 Мельчайшая часть (частица)
3. Живое существо, способное мыслить, думать (человек)
4. Элементарная частица, имеющая наименьший отрицательный заряд (электрон)
5. Мельчайшая часть вещества, обладающая всеми ее химическими свойствами (молекула)
6. Небесное тело, движущееся вокруг Солнца (планета)
7. Естественный спутник Земли (Луна)
8. Гигантская звездная система (галактика)
9. Плод яблони (яблоко)
Какое слово выделено – Вселенная. Что оно означает?
Тема нашего урока: структура Вселенной
Вселенная — совокупность всех объектов, которые мы наблюдаем. (запись в тетрадь)
А каковы границы этого наблюдения?
Давайте построим шкалу размеров наблюдаемой нами Вселенной:
Линейные размеры, встречающиеся в мире . ( данная шкала на экране, в работе используется кодоскоп)
радиус видимой части Вселенной (13 млрд.св. лет)
расстояние до ближайшей галактики (Магеллановы Облака 150 тыс.св. лет)
световой год (расстояние до ближайшей звезды 4 св.г)
размеры Солнечной системы
среднее расстояние от Солнца до Земли
общая длина кровеносной системы человека
наибольшая глубина океана (Марианская впадина 11022м)
наибольшая высота гор (Эверест 8848м)
длина волны видимого света
диаметр ядра атома
С ребятами обсуждается таблица: 1. область макромира: от 1м до 10 9 м
2. область мегамира: от 10 10 м до 10 27 м, вводится понятие
1 св. год – это расстояние, которое проходит свет за один год
1 св.г = 3000 000км/с × 3600с × 24 ч × 365, 25 сут = 9 467 280 000 000 км = 10 13 км = 10 16 м (запись в тетрадь)
Объясняются границы познания: т.к. наша Вселенная родилась 13 млрд. лет тому назад, поэтому свет от более удаленных объектов еще не дошел до нас.
- область микромира: от 10 -1 м до 10 -19 м , предел познания объясняется тем, что современные методы изучения структуры частиц основаны на наблюдениях за столкновением между частицами, этим частицам необходимо сообщить очень большие энергии, т.к на малых расстояниях частицы отталкиваются. Большие энергии сообщаются частицам в ускорителях, размеры которых должны быть с земной шар ( в настоящее время адронный коллайдер имеет размер около 27 км)
закрепление: учащимся предлагается разделить страницу в тетради на 3 части
макромир мегамир микромир
от 1м до 10 9 м от 10 10 м до 10 27 м от 10 -1 м до 10 -19 м
человек звезда частица
яблоко галактика молекула
планета Земля электрон
слова из кроссворда расположить в соответствующий столбец + демонстрирую фотографии объектов их название также необходимо записать в соответствующий столбик, после производим проверку проверка
домашнее задание: §15
ответить на вопросы в конце параграфа,
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Урок-закрепление для 6-ого класса. На уроки закрепляются навыки, связанные с преобразованием величин, отрабатывается умение оперировать с простейшими логико-математическими понятиями «истина», «ложь».
ПРИОБЩЕНИЕ ДЕТЕЙ К РЕАЛЬНОЙ МАТЕМАТИКЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЕ В ЖИЗНИ -ОДНА ИЗ СОЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ОБЩЕСТВА .
Урок посвящён масштабу. Разбираем с учащимися нужен ли масштаб в жизни, и если нужен, то для чего именно. Также закрепить умение работать с масштабом.
Предлагаем в качестве примера методическую разработку одного из занятий элективного курса на тему «Пространственные и временные масштабы Вселенной». Разработка представлена в формате описания действий.
Презентация к уроку информатики для 5 классов.
План урока информатики и ИКТ в 5-х классах.
Цели урока: Ввести понятие масштаба, опираясь на знания учащихся по географии.Научить находить расстояние на карте и на местности, зная масштаб, и наоборот, зная расстояние на местности и на кар.
Источник
Естествознание. 10 класс
Многообразие объектов Вселенной
Масштабы Вселенной
Необходимо запомнить
Под Вселенной понимается всё многообразие окружающего материального мира.
Во Вселенной можно выделить структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, наномир, микромир.
Объекты макромира соизмеримы с масштабами жизни на Земле и доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств.
Объекты мегамира в силу большой удалённости и огромности размеров и объекты микромира из-за чрезвычайно малых размеров и особенностей организации недоступны непосредственному восприятию человека и требуют специальных средств и методов изучения.
Изобретение телескопа и микроскопа положило начало созданию средств исследования природных объектов, непосредственное изучение которых человеком затруднено в силу или большой удалённости или малых размеров.
Современные электронные телескопы и микроскопы наряду с другими сложными приборами, такими, например, как Большой адронный коллайдер, являются важными средствами изучения удалённых и мельчайших структур Вселенной.
На современном этапе развития науки границы наблюдаемого мегамира находятся на расстояниях около 10 миллиардов световых лет от Земли, а познания микромира ограничены размерами порядка $10^<-18>$ м, что соответствует размерам электрона.
Систематизация научных знаний и наглядное их представление является одной из важных задач науки.
Изучение масштабов Вселенной
Телескопы для исследования космоса
В исследованиях космоса используют телескопы-рефракторы, объективами которых служат линзы, и телескопы-рефлекторы, объективом которых служат зеркала. С помощью линзовых телескопов наблюдают положения объектов, а зеркальные телескопы используются для получения и исследования спектров светил. Для этого вместо окуляра помещают спектроскоп. Спектры позволяют получить информацию о физических условиях в атмосферах звёзд, планет, о свойствах межзвездных туманностей. Самые большие современные оптические телескопы – это телескопы рефлекторы, размеры объектива которых достигают 10 м, например, телескоп Кека, который находится на Гавайских островах. Самый крупный российский оптический телескоп БТА-6 находится на Северном Кавказе и имеет диаметр 6 м. Чем больше объектив, тем больше света от слабых объектов он собирает и тем больше разрешение телескопа. Кроме наземных телескопов используют телескопы космические телескопы, например телескоп Хаббла с диаметром объектива 2,4 м. Поскольку наблюдениям не мешает атмосфера Земли, этот телескоп дает прекрасные изображения далёких объектов Вселенной. На орбите также работают гамма, рентгеновские, инфракрасные телескопы. Самыми крупными по размерам являются всепогодные радиотелескопы, например, РАТАН 600, который расположен на Северном Кавказе, состоит из специальных металлических щитов, расположенных по окружности диаметром 600 м.
Источник