Физика. 11 класс
Конспект урока
Физика, 11 класс
Урок 33. Звёзды. Солнце
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) Основные физические характеристики Солнца;
2) Строение Солнца;
3) Источник энергии Солнца;
4) Спектральная классификация звёзд;
5) Эволюция звёзд
Глоссарий по теме
Звезда – раскалённый газовый шар;
Светимость звезды – энергия, которую излучает звезда за 1 секунду по всем направлениям;
Фотосфера Солнца – ближайший к поверхности, нижний слой атмосферы Солнца;
Ядро Солнца – центральная часть шара, в которой протекают термоядерные реакции;
Протуберанец – выплёскивающаяся с поверхности Солнца в атмосферу струя;
Протозвезда – звезда на раннем этапе своей эволюции;
Нейтронная звезда – звезда сверхбольшой плотности порядка плотности атомного ядра;
Чёрная дыра – звезда с таким соотношением массы и радиуса, что ни одно тело из сферы действия его гравитации и даже свет не могут покинуть его;
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1.Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 353 – 366
2. В.М. Чаругин. Астрономия. 10-11класс. М.: «Просвещение», 2017. С. 80 — 106
3. Саймон и Жаклин Миттон. Астрономия. М.: «РОСМЭН», 1995.
4.И.А. Климишин. Элементарная астрономия. М.: Наука. 1991.
Основное содержание урока
Наше изучение звёзд начинается с изучения Солнца, ближайшей к Земле, звезды.
Основные характеристики Солнца.
Первая величина, которая легко вычисляется для Солнца – это его радиус.
Угол, под которым видно Солнце с Земли, равен 16 секундам. Расстояние от Земли до Солнца — значение большой полуоси орбиты Земли. Радиус Солнца равен 700000 км.
Массу Солнца определим, используя третий обобщённый закон Кеплера:
подставив значения большой полуоси орбиты Земли, гравитационной постоянной и периода вращения Земли вокруг Солнца.
Масса Солнца равна 
Зная, что на 1 м 2 за 1 с приходится 1370 Дж энергии, можно найти светимость Солнца:
Химический состав Солнца: примерно 70% водорода, 29 % гелия;
Температура на поверхности Солнца 6000 К.
Атмосфера Солнца. Нижний слой, называющийся фотосферой, имеет небольшую высоту.
Внешняя часть, называющаяся короной, простирается на несколько радиусов Солнца.
В структуре фотосферы выделяют гранулы, протуберанцы, темные пятна.
С поверхности Солнца постоянно идёт поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром.
Временами на Солнце происходят вспышки, увеличивающий поток частик и всевозможные излучения Солнца.
Основные характеристики звёзд.
Основные характеристики звёзд. Изучение звёзд затруднено тем, что они находятся далеко и освещенность, которую они создают на Земле очень мало. Проблему наблюдения за звёздами решают при помощи больших телескопов
Измерения температур поверхности звёзд показывают, что есть прямая связь между температурой звезды и видом её спектра.
В результате все звёзды разнесены по звёздным классам: O, B, A, F, G, K,
Э.Герцшпрунг и Г.Рессел составили диаграмму зависимости светимости всех известных звёзд от их спектрального класса.
По этой диаграмме все звёзды расположились в четырёх группах.
Главная последовательность диаграммы дает расположение большинства звёзд. Солнце является звездой данной группы звёзд.
Плотности звёзд данной группы примерно равны плотности Солнца.
Вторая и третья группы звёзд данной диаграммы – гиганты и сверх — гиганты.
Группа звёзд гигантов – звёзды красного цвета со светимостью примерно в сто раз больше Солнца, а размеры в десятки раз больше.
Сверх – гиганты также звёзды со светимостью в сотни тысяч раз больше солнечной, а размерами в сотни раз больше. Плотность сверх – гиганта Бетельгейзе составляет одну миллионную долю плотности воздуха.
Белые карлики – это группа звёзд, которая располагается на диаграмме внизу слева. Светимость белых
карликов в сотни и тысячи раз меньше солнечной и по размерам сравнимы с планетами. Однако, плотность достигает огромных значений.
Источник энергии Солнца и звёзд.
Источником энергии Солнца и звёзд является ядерная энергия, которая выделяется при синтезе ядер гелия из ядер водорода.
Это — так называемая термоядерная реакция.
Доказательством верности наших представлений о строении Солнца является результаты поиска и регистрации нейтрино, которые сопровождают термоядерные реакции в недрах Солнца и легко проникают от места реакции до самой Земли.
Рождение звезды происходит в процессе сжатия газопылевых облаков галактик. Сначала увеличивается плотность, растёт температура и начинается излучение в инфракрасном диапазоне. Облако на этом этапе называют протозвездой.
Любая звезда в своей жизни проходит определенные стадии своей эволюции: рождение, пребывание на главной последователь последовательности, расширение и превращение в гиганта или сверх — гиганта. В зависимости от массы звезды происходит дальнейшее преобразование — либо в белого карлика, либо в нейтронную звезду или черную дыру.
Разбор тренировочных заданий
Выберите одно утверждение о звёздах, которые соответствуют диаграмме.
1) «Жизненный цикл» звезды спектрального класса В главной последовательности более длительный, чем звезды спектрального класса G главной последовательности.
2) Температура поверхности звёзд спектрального класса F ниже температуры звёзд спектрального класса А.
3) Звезда Арктур имеет температуру поверхности 4100 К, следовательно, она относится к звёздам спектрального класса В.
4) Средняя плотность сверхгигантов существенно больше средней плотности белых карликов.
Анализ утверждения 1): Начало жизненного цикла звёзд – левый верхний угол главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рессела. Поэтому длительность «жизни» звезды класса В меньше, чем звезды класса G.
Утверждение 1) неверно.
Анализ утверждения 2): На нижней линии диаграммы указаны спектральные классы звёзд, на верхней линии — соответствующие температуры. Классу F соответствует температура ниже, чем классу А.
Утверждение 2) верно.
Анализ утверждения 3): Звезда с температурой 4100 К относится к классу К, что противоречит утверждению.
Утверждение 3) неверно.
Анализ утверждения 4): Белые карлики имеют рекордно высокую плотность. Это противоречит утверждению.
Утверждение 4) неверно.
Ответ: Верное утверждение – 2)
2. Установите соответствие между элементами
1.Термоядерная реакция, протекающая в ядре Солнца – реакция синтеза ядер гелия из 4 ядер водорода с образованием 2-х позитронов и 2-х нейтрино.
2. Атмосфера Солнца состоит на 70% из водорода, около 30% из гелия.
3. Солнечный ветер – это поток заряженных частиц с фотосферы Солнца: ядра гелия, водорода, электроны и незначительное количество ионов.
Источник
Общие сведения о Солнце
Урок 54. Физика 11 класс
Конспект урока «Общие сведения о Солнце»
«Для того, чья могучая мысль поспевает за Солнцем,
весь день – утро»
В данной теме разговор пойдёт о Солнце, как о звезде солнечной системы. Все с детства знают, что Солнце является важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии не было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения – все нуждаются в солнечной энергии. Еще в древности, практически все народы считали, что Солнце – это один из главных богов, поскольку именно Солнце оказывало ощутимое влияние на жизнь людей. У греков бог Солнца назывался Гелиос, у славян и египтян – Ра (впоследствии – Ярило) и так далее. Солнечное затмение трактовалось, как гнев бога и предвестник всяческих бед.
Несмотря на то, что представления о вселенной кардинально поменялись, всё равно воспринимаем солнечный свет и тепло, как должное, и редко задумываемся о том, какое колоссальное количество энергии выделяет Солнце.
Известно, что Солнце является звездой, то есть массивным газовым шаром, излучающим свет и тепло в результате протекания реакций термоядерного синтеза в его недрах.
Несмотря на это, люди видят Солнце как светящийся диск на небе. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой. Именно её радиус и принимается за радиус Солнца.
Напомним, что радиус Солнца в 109 раз превышает радиус Земли. Масса же Солнца почти в 333 тысячи раз превышает земную массу. Эта масса была вычислена, исходя из характера движения Земли вокруг Солнца и третьего закона Кеплера.
Ускорение свободного падения на Солнце составляет 274 м/с 2 , что почти в 28 раз превышает ускорение свободного падения на Земле. Период обращения Солнца вокруг своей оси составляет 25 суток, из чего можно заключить, что линейная скорость вращения на экваторе достигает 2 км/с.
Возникает вопрос: откуда известно, что Солнце вращается? Дело в том, что на Солнце есть пятна, которые возникают в его фотосфере. Это подтверждено множеством снимков Солнца.
Наблюдая за этими пятнами можно убедиться, что они перемещаются, а это указывает на вращение Солнца вокруг своей оси. Некоторые из этих пятен сравнимы с размерами Земли.
Конечно, нельзя не рассмотреть такую важную величину, как мощность излучения Солнца, то есть, его светимость. Измерения на Земле показали следующее: на поверхность Земли, площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно к солнечным лучам каждую секунду поступает энергия, равная E0 = 1370 Дж/м 2 . Эта величина называется солнечной постоянной. То есть, можно сказать, что интенсивность излучения составляет I0 = 1370 Вт/м 2 . Таким образом, чтобы рассчитать светимость Солнца, нужно солнечную постоянную умножить на площадь поверхности сферы, в центре которой находится Солнце. Площадь поверхности сферы вычисляется по формуле 
, где R – это расстояние от Солнца до Земли. После всех вычислений получим, что светимость Солнца составляет
Исходя из этого, можно заключить, что на долю Земли приходится всего лишь одна двухсотмиллиардная часть энергии, излучаемой Солнцем. Однако, и этой энергии достаточно для существования жизни на нашей планете.
Солнце излучает волны различной длины, и именно по этому излучению можно судить о температуре и о строении Солнца. Например, по современным оценкам Солнце на 73,5 процента состоит из водорода и на 25 процентов – из гелия. Остальную часть массы составляют различные примеси.
Согласно оценкам астрономов, излучение Солнца достаточно близко к излучению абсолютно черного тела. Под абсолютно черным телом подразумевается тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой. Согласно закону Вина, длина волны, на которую приходится максимум излучения нагретого абсолютно черного тела, связана с температурой.
Хорошо известно, что максимум излучения Солнца соответствует длине волны 480 нм. Тогда, исходя из предоставленной формулы, температура на поверхности Солнца составляет примерно 6040 кельвинов.
Есть и другой способ оценки температуры – он основан на законе Стефана-Больцмана. Этот закон гласит, что мощность излучения с квадратного метра поверхности абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. Коэффициентом пропорциональности в этой зависимости является постоянная Стефана-Больцмана.
Из формулы можно легко выразить температуру. Мощность излучения с одного квадратного метра можно представить как отношение светимости к площади поверхности Солнца. Тогда получим, что температура примерно равна
Эта оценка хорошо согласуется с результатом, полученным с помощью закона ВИна. Итак, как правило, среднюю температуру фотосферы принимают равной 6000 К.
Ознакомимся теперь со строением солнечной атмосферы. Фотосфера является самым глубоким и плотным слоем атмосферы. Несмотря на то, что плотность фотосферы значительно меньше плотности земной атмосферы, фотосфера не пропускает никакие виды излучения, образующиеся в более глубоких слоях Солнца, поэтому, для нас нет никакой возможности заглянуть в эти слои. На снимках фотосферы можно различить зернистую структуру, которая получила название грануляции. Размеры гранул достигают сотен и даже тысяч километров. Основываясь на наблюдениях, грануляция находится в непрерывном движении. В центре гранул происходит подъем более горячего вещества из-под фотосферы, а более холодное вещество (окаймляющее гранулу) опускается под фотосферу. Время жизни одной гранулы составляет от 5 до 10 минут, а потом на её место приходят все новые и новые гранулы. Грануляция говорит нам о том, что энергия поступает на фотосферу из более глубоких слоев Солнца в результате конвекции.
Нельзя не сказать и про корону Солнца, которую так хорошо видно во время полного солнечного затмения. Солнечная корона прослеживается на расстояниях, превышающих радиус Солнца примерно в десять раз. Корона нагрета до температуры порядка 2×10 6 К. Конечно, при такой температуре можно говорить о том, что солнечная корона представляет собой полностью ионизированную плазму.
Во внутренних слоях короны наблюдаются протуберанцы, то есть струи горячего вещества, напоминающего фонтаны (они, конечно, горячие, но относительно глубоких слоёв Солнца протуберанцы имеют низкую температуру). Протуберанцы бывают спокойные и эруптивные (то есть, взрывные).
Спокойные протуберанцы могут часами висеть над поверхностью Солнца (они удерживаются магнитным полем). Эруптивные же протуберанцы внезапно взлетают с поверхности Солнца, поднимаясь на десятки и даже сотни тысяч километров, а потом также, с огромной скоростью падают обратно вниз.
Солнечная корона непрерывно испускает поток различных частиц (среди которых, ядра гелия, протоны и электроны). Этот поток называется солнечным ветром. Частицы солнечного ветра покидают корону с огромной скоростью (порядка восьмисот километров в секунду) и достигают Земли, имея скорость порядка пятисот километров в секунду. Эти частицы отклоняются магнитным полем Земли, в результате чего, заряженные частицы скапливаются в районе магнитных полюсов Земли в верхних слоях атмосферы. Тогда-то мы и видим полярные сияния поразительной красоты.
Пятна на Солнце обладают достаточно сильным магнитным полем(в некоторых пятнах индукция магнитного поля достигает 0,5 Тл). Но, что самое интересное – количество солнечных пятен со временем меняется. Было установлено, что это происходит примерно каждые 11 лет. На рисунке представлен график с ярко выраженными локальными максимумами – он описывает, как менялось число пятен на Солнце с течением времени.
Эти изменения связаны с так называемой солнечной активностью. При максимальной солнечной активности значительно увеличивается число протуберанцев, заметно меняется форма солнечной короны. Пожалуй, наиболее ощутимым проявлением солнечной активности для землян являются солнечные вспышки. Солнечные вспышки характеризуются выбросом колоссального количества энергии, резким увеличением ультрафиолетового излучения, появлением рентгеновских и гамма-лучей. Увеличивается скорость и количество частиц, выбрасываемых в межпланетное пространство.
Вспышки на Солнце оказывают значительное влияние на Землю и её обитателей. Например, именно вспышки на Солнце могут послужить причинами магнитных бурь, недомоганий людей (особенно со слабой сердечнососудистой системой). Теоретически достаточно мощная вспышка на Солнце может привести к электромагнитной катастрофе: то есть выйдет из строя вся электроника, расплавятся провода и так далее. Можно себе представить, каковы будут последствия такой вспышки для нашей цивилизации – целиком и полностью зависимой от электроэнергии и электроприборов.
– Солнечная постоянная – это энергия, которая ежесекундно поступает от Солнца на земную поверхность площадью один квадратный метр, расположенную перпендикулярно к солнечным лучам.
– Светимость Солнца – это мощность солнечного излучения со всей его поверхности.
– Наиболее плотным ее слоем называется фотосфера, то есть, видимая поверхность Солнца. Фотосфера имеет зернистую структуру, которая получила название грануляции.
– Солнечная корона – это внешний слой солнечной атмосферы.
– Протуберанцы – струи горячего вещества. Спокойные протуберанцы могут висеть над солнечной поверхностью часами, а эруптивные (то есть взрывные) протуберанцы резко выбрасываются на расстояние в десятки и даже сотни тысяч километров от поверхности Солнца и также быстро падают обратно.
– Солнечная активность – это целый комплекс явлений и процессов, происходящих в солнечной атмосфере.
– Солнечная активность характеризуется изменением количества пятен на Солнце, изменением количества протуберанцев, изменением формы солнечной короны, а также изменением количества и мощности вспышек на Солнце.
– Солнечная активность (в особенности вспышки) оказывают значительное влияние на жизнь различных организмов на нашей планете, да и на саму Землю – тоже.
Источник