Конспект урока: Солнце — дневная звезда. Строение и основные характеристики Солнца. 11 класс
Цель урока: познакомить учащихся со строением Солнца, и основными явлениями происходящих на нём
Тип урока: Изучение нового
Ход урока
1. Организационный момент
Сообщение темы урока и цели урока
Опрос домашнего задания в виде теста
2. Изучение нового материала
Солнце — дневная звезда. Строение и основные характеристики Солнца. Солнечно-земные связи
С древних времен Солнцу отводили особую роль, его обожествляли, приписывали ему особые свойства и силу. Но природа Солнца стала понятна людям только в XX в. Даже выдающийся астроном Гершель считал Солнце прохладным и обитаемым миром.
Солнце — дневная звезда. Когда смотришь ночью на небо и видишь огромное количество сияющих звезд, трудно предположить, что одна из таких звезд находится совсем рядом с нами, в каких-нибудь восьми световых минутах от Земли. Мы наблюдаем эту звезду каждый день и называем ее Солнце. Это единственная звезда, которую можно изучить подробно. Большую часть информации о Солнце мы получаем, изучая его спектр. В спектре этой звезды обнаружены спектральные линии более 70 химических элементов. Используя приборы и светофильтры, мы можем заглянуть на разные глубины Солнца, а применяя прямое фотографирование происходящих на звезде явлений, можем составить ее портрет. Только в последние годы мы начали постигать природу Солнца, а значит, и лучше понимать природу других звезд. Солнечная физика стала одной из важнейших дисциплин современной астрономии. Для астрономов Солнце — огромная лаборатория для изучения структуры и энергии звезд.
Строение и основные характеристики Солнца. По современным представлениям Солнце — это cфepa горячих газов и вызываемой ими радиации. Средняя плотность Солнца 1,4 г/см 3 , причем к центру плотность солнечного вещества достигает нескольких десятков граммов в кубическом сантиметре. Структуру Солнца схематично можно представить следующим образом (рис.10.13): 0,3 радиуса Солнца от его центра — зона ядерных реакций, далее — зона переноса энергии излучением и зона переноса энергии конвекцией. Атмосферу Солнца подразделяют на фото сферу, хромосферу и корону.
Ядро Солнца находится глубоко под солнечной атмосферой и состоит из ядер атомов. Здесь давление достигает сотен миллиардов атмосфер, а температура 15 млн. градусов. При такой температуре в солнечных недрах идут термоядерные реакции и водород превращается в гелий. За счет превращения водорода в гелий и светит наше Солнце, теряя при этом до 4 млн. т своего вещества в секунду. При такой скорости расходования вещества Солнца хватит еще на несколько миллиардов лет.
Большая часть света, которая доходит до нас, идет с верхнего тонкого видимого слоя Солнца — фотосферы, которую мы наблюдаем как резко очерченный солнечный диск. Толщина фотосферы всего около 200 км. Температура на этой видимой поверхности Солнца достигает 6000°С. Фотосфера имеет зернистое строение и похожа на кипящую рисовую кашу, только размер каждого такого зернышко гранулы составляет около тысячи километров. Светлые гранулы это горячее вещество, поднимающееся вверх из недр Солнца, атомные — холодное вещество, опускающееся вниз. Некоторые образования на Солнце доступны для наблюдений всем любителям астрономии. Это всем известные солнечные пятна. Особенно крупные им огни люди могли наблюдать еще до телескопа. Их размеры и срок жизни зависят от величины магнитного поля Солнца. Магнитное поле замедляет конвекцию и шумы Солнца, и место, которое мы наблюдаем как солнечное пятно, также определить как более холодный участок фотосферы. Солнечные пятна это регионы магнитных полей, вырывающихся на поверхность и исчезающих через несколько часов или растущих и существующих месяцами в 11летнем цикле активности Солнца. Под активностью Солнца подразумевают различные нестационарные образования, в том числе и пятна. Чем больше солнечных пятен наблюдается на поверхности, тем Солнце считается активнее. Число Вольфа (W) — своеобразный индекс активности Солнца. Посчитать его очень просто:
где g — число групп, a f — общее число всех пятен и пор, наблюдаемых на поверхности Солнца.
Нужно отметить, что Солнце — совершенно непредсказуемый мир. Солнечные вспышки внезапно появляются в окрестностях пятен над фотосферой. Вспышки на Солнце — это самые большие взрывы в Солнечной системе. Интенсивные вспышки света, взрывающиеся с силой миллиардов водородных бомб, двигаются со скоростью нескольких сот миль в секунду, а через несколько минут исчезают. Появление вспышки сопровождается явлениями не только в ближайших окрестностях Солнца, но и во всем околосолнечном пространстве.
Над фотосферой находится более разреженный слой — хромосфера. Хромосфера — слой, в котором происходят быстрые конвективные движения газов, поднимающихся вверх и опускающихся вниз. Ее толщина около 20 000 км. Особенно мощные выбросы газов называются протуберанцами. Солнце обращается вокруг своей оси в среднем за 27 дн. Из-за того что экваториальные регионы Солнца вращаются быстрее полярных, газ и магнитные поля образуют особую структуру, которая и вызывает появление протуберанцев. Протуберанцы (выбросы) по размеру в десятки раз больше нашей Земли. Вырывающиеся на высоту более полумиллиона миль над поверхностью газа протуберанцы вызываются магнитными полями Солнца.
Языки вырывающихся газовых испарений протуберанцев переходят из хромосферы в окружающую ее корону, которая простирается на расстояние до 2 000 000 км. Корона — это плазма с температурой больше миллиона градусов. Наблюдать и исследовать корону можно во время полных солнечных затмений. Форма солнечной короны зависит от активности Солнца. Солнечный ветер, усиливающийся в годы активного Солнца, несет мощный поток заряженных частиц в космическое пространство.
Начало научных исследований в области астрономии в Казахстане было также связано с Солнцем — наблюдением полного солнечного затмения в сентябре 1940 г. Полоса полного солнечного затмения проходила через Алматы, куда съехались наблюдать, а впоследствии остались жить и работать астрономы из разных городов Советского Союза. При активной поддержке первого президента Казахской академии наук Каныша Имантаевича Сатпаева при академии был организован Институт астрономии и астрофизики (ныне переименован в Астрофизический институт), который успешно работает и в наши дни.
Солнечно-земные связи. На Земле мы также можем наблюдать события, связанные с солнечными изменениями. Например, северное сияние. Оно возникает в темноте арктического неба. Интенсивность северного сияния возрастает, когда вблизи центрального меридиана Солнца проходит большая группа пятен. В это время на Земле может нарушаться радиосвязь, нормальное состояние ионосферы. Солнечная активность — это совокупность многих явлений на Солнце, а солнечные пятна — это хорошо фиксируемая и наблюдаемая даже любителями астрономии часть этих явлений. Солнечная активность влияет на высокотехнологические системы на Земле, погоду, а также на растительный и животный мир планеты.
Лучистая энергия Солнца — основа всех жизненных процессов на Земле. Любое энергетическое топливо нашей планеты имеет в своей основе солнечную энергию, пришедшую сюда в прошлые времена. Сейчас во многих странах напрямую используют солнечную энергию для обогрева жилищ, устанавливая солнечные батареи. Это самое дешевое и, что самое важное, экологически чистое топливо. За ним будущее.
Все процессы, происходящие на Солнце, так или иначе влияют на Землю и потому требуют тщательного изучения. К Солнцу отправляют специальные зонды. Один из последних — зонд «Улисс». Он позволит изучить солнечные полюсы, практически недоступные для наблюдения с Земли. Именно на полюсах Солнца раскрываются линии его магнитного поля, которое является важным объектом изучения. Солнце неохотно раскрывает свои тайны. До сих пор не решена загадка солнечных нейтрино, вернее, их малого количества. Требуются новые эксперименты и новые космические посланники к светилу.
Активность Солнца как по срокам, так и по интенсивности ее проявлений в столь короткий даже по человеческим меркам отрезок времени пока непонятна. Последний пик солнечной активности пришелся на 2001 г., следующий должен произойти примерно в 2012 г. Однако вместо ожидаемого спада активности, который (теоретически) должен был прийти на смену пику, Солнце снова бурлит и волнуется.
Последние годы отмечены беспрецедентным всплеском солнечной активности, не имеющим аналогов в истории наблюдений за светилом. Несмотря на то, что, согласно современным представлениям, Солнце находится сейчас не в максимуме 11 -летнего цикла активности, 1 июля 2002 г. была зафиксирована мощнейшая вспышка, сопровождавшаяся выбросом протуберанца, размер которого более чем в 30 раз превышал диаметр Земли. Во второй половине того же месяца на Солнце произошла серия из четырех вспышек — самых мощных за всю историю наблюдений за Солнцем космической станцией «SOHO».
21 октября 2003 г. были зарегистрированы еще две мощные вспышки, связанные с одной из сильнейших в нынешнем 11-летнем цикле группой солнечных пятен. Одна из них была сравнима по размерам с крупнейшей планетой Солнечной системы Юпитером. В августе 2004 г. солнечные пятна можно было наблюдать невооруженным глазом, а редкими по красоте полярными сияниями смогли вдоволь насладиться жители таких районов Земли, где и снега-то никогда не видели.
Сейчас наше Солнце достигло среднего возраста. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и оно погаснет. Но перед этим светило пройдет стадию красного гиганта. Планеты Меркурий и Венера будут им поглощены, на Земле закипят океаны, а на далеком Титане начнут таять льды и может появиться жизнь. Но самому Солнцу останется совсем немного — оно начнет гаснуть. Медленно сжимаясь, наша главная звезда умрет. Внешние оболочки исчезнут, и останется только беленькая звездочка не больше Земли. Медленно остывая до нулевой температуры, Солнце закончит свою жизнь как черная невидимка.
Человечество прошло долгий путь до правильного понимания природы Солнца и звезд, до определения их истинного места во Вселенной. Сегодня мы знаем, что Солнце — желтая звезда средней величины, которая излучает тепло и свет последние 5 млрд. лет. Оно оказалось обычной звездой среднего возраста. И даже расположено не в центре, а ближе к краю огромного звездного скопления, называемого Галактикой, включающего в себя 150 млрд. звезд. Оно осталось главным только для нашей планетной системы. Ее светом и жизнью. Оно поддерживает существование всех тел в Солнечной системе.
Таким образом, о Солнце в настоящее время известно следующее. Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, линейный диаметр — в 109 раз, а объем — в 1 300 000 раз больше земного. Температура в центре от 10 до 15 млн. градусов, температура видимой части 6000 С. Солнце теряет в секунду 4 млн. т своего вещества. Ускорение свободного падения на Солнце в 27,9 раз больше земного. Солнечная постоянная 1,4 кВт/м, светимость 3,8 • 10 26 Вт, видимая звездная величина 26,8′».
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
10.4.1. Посчитайте индекс активности Солнца.
10.4.2. Посчитайте абсолютную звездную величину Солнца, если расстояние до него 150 млн. км.
10.4.3. На Солнце произошла вспышка, в результате которой была выброшена плазма. Через трое суток выброс солнечной плазмы достиг Земли и вызвал сильное возмущение ее магнитосферы. С какой скоростью двигалась плазма? (1 а. е. — 150 млн. км)
Итоги урока и домашнее задание.
Скачать Чтобы скачать материал зарегистрируйтесь или войдите!
Источник
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