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
Основные характеристики звёзд
Урок 61. Физика 11 класс ФГОС
Конспект урока «Основные характеристики звёзд»
На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что всю информацию о звёздах мы получаем лишь на основе приходящего от них излучения. Все звёзды, как и наше Солнце, излучают свет потому, что их наружные слои сильно нагреты и имеют температуру равную многим тысячам градусов. Звезда излучает свет так же, как и любое нагретое тело, например нить накаливания в электрической лампе. При этом чем выше температура нити накаливания, тем более белый свет она излучает. Аналогично и с излучением звёзд: чем выше температура звезды, тем более голубоватым выглядит её свечение (как, например, у Плеяд — рассеянного звёздного скопления в созвездии Тельца).
И наоборот, холодные звёзды кажутся нам красноватыми. Это хорошо заметно на примере такого гиганта, как Бетельгейзе. Её температура составляет всего около 3600 К.
Изучение различных типов звёзд показало, что их температура заключена в пределах от 2000 до 60 000 К. Также было установлено, что изменение температуры меняет состояние атомов и молекул в атмосфере звёзд, что отражается в их спектрах. С учётом видов спектральных линий и их интенсивности строится спектральная классификация звёзд.
Современная спектральная классификация звёзд была создана в 20-е годы ХХ века в Гарвардской обсерватории (США). В ней спектральные типы принято обозначать большими буквами латинского алфавита в порядке, соответствующем убыванию температуры: O, B, A, F, G, K, M.
Звёзды, принадлежащие классу О, являются очень горячими, с температурой 30—60 тыс. К. При такой высокой температуре наибольшая интенсивность излучения приходится на ультрафиолетовую область спектра. Поэтому такие звёзды имеют ярко выраженный голубой оттенок. Типичным представителем является звезда Беллатрикс в созвездии Ориона.
К классу В относятся звёзды, температура которых колеблется 10—30 тыс. К. Они имеют голубовато-белый цвет. В качестве примера звезды данного класса можно привести Регул из созвездия Льва.
Звёзды белого цвета, с температурой поверхности 7500—10 000 К относятся к классу А. Их типичным представителем является Сириус — самая яркая звезда ночного неба.
К классу F принадлежат звёзды, температура которых 6000—7500 К. Они имеют жёлто-белый цвет. Примером звезды этого класса является Альтаир в созвездии Орла.
Жёлтые звёзды, с температурой поверхности 5000—6000 К относятся к классу G. Известным представителем этого класса является наше Солнце.
Звёзды, принадлежащие классу К, обладают оранжевым цветом. А температура их поверхности 3500—5000 К. К данному классу звёзд относится Альдебаран из созвездия Тельца.
И, наконец, класс М. В нём «обитают» холодные звёзды с минимальной температурой 2000—3500 К. Их цвет — ярко-красный, иногда тёмно-оранжевый. В качестве примера можно привести Бетельгейзе — красного сверхгиганта из созвездия Ориона.
По мере усовершенствования методов наблюдения за звёздами и их спектрами Гарвардская спектральная классификация дополнялась и расширялась. Поэтому астрономы стали выделять дополнительные спектральные классы для некоторых классов небесных тел. Так, например, буквой Q стали обозначать спектральные классы новых (молодых) звёзд. Спектры планетарных туманностей причислили к классу Р. А буквой W стали обозначать спектры звёзд типа Вольфа — Райе — это очень тяжёлые горячие звёзды, температура превышает звёзды O класса и достигает 100 000 К.
Выделяют в отдельные классы также углеродные звёзды (C класс), циркониевые звёзды (класс S) и белые карлики (класс D).
В 1995 году были впервые были обнаружены звёзды, температура которых не превышала 2000 К — коричневые карлики. Так появились спектральные классы L, Т и Y. Причём класс Y появился относительно недавно — в августе 2011 года. К нему относятся ультрахолодные коричневые карлики, с температурой поверхности 300—500 К.
Тонкие различия внутри каждого класса дополнительно подразделяют на 10 подклассов — от 0 (самые горячие) до 9 (самые холодные). Лишь спектральный класс O делится на меньшее количество подклассов: от 4 до 9,5. Например, наше Солнце принадлежит к спектральному классу G2.
Ещё одним фактором, влияющим на вид спектра звезды, является её светимость, которая не учитывается в Гарвардской классификации. Хотя различия в светимостях приводят к различию в спектрах звёзд-гигантов и карликов одинаковых Гарвардских спектральных классов. Поэтому в 1943 году в Йеркской обсерватории была разработана ещё одна классификация (МКК), которая учитывает светимость звёзд. С учётом двух классификаций наше Солнце имеет спектральный класс (G2V).
В начале ХХ века американский астроном Норрис Рассел и датский астроном Эйнар Герцшпрунг независимо друг от друга обнаружили существование зависимости между видом спектра и светимостью звёзд. Оказалось, что если по оси ординат откладывать светимости звёзд, а по оси абсцисс — их температуру, то звезды делятся на чётко выраженные группы — последовательности.
Посередине, с верхнего левого в нижний правый угол, тянется главная последовательность — ряд обычных, карликовых звёзд, составляющих около 90 % от всех звёзд во Вселенной. Здесь же располагается и наше Солнце.
В верхнем правом углу собрались звёзды, которые очень яркие, но температура их фотосферы достаточно низкая (на это указывает их красный цвет). Они образуют последовательность красных гигантов.
В верхней части диаграммы располагается последовательность сверхгигантов. Это звёзды с очень высокой светимостью, низкой плотностью и в десятки и сотни раз большими диаметрами, чем у Солнца.
А под главной последовательностью расположены горячие звёзды со слабой светимостью. Это последовательность белых карликов. Их размеры сравнимы с размерами Земли, а массы близки к массе Солнца.
Данная диаграмма называется диаграммой «спектр — светимости» или диаграммой Герцшпрунга — Рассела.
По мере развития астрофизики было установлено, что звёзды отличаются друг от друга не только цветом и температурой. Как показали наблюдения, многие из них образуют пары или являются членами сложных систем. При этом только в нашей Галактике примерно половина всех звёзд принадлежит к двойным системам.
Двойными звёздами называют близко расположенные пары звёзд.
Среди звёзд, которые видны на небе рядом, различают оптические двойные и физические двойные звёзды. В первом случае две звезды проецируются на небесную сферу рядом друг с другом. Хотя в действительности расстояние между ними может достигать миллионов световых лет.
А вот физические двойные звёзды действительно расположены в пространстве рядом друг с другом. Они не только связаны между собой силами тяготения, но и обращаются около общего центра масс.
Наблюдения за двойными звёздами и оценка их масс для различных типов показали, что:
· массы звёзд колеблются от 0,03 до 60 масс Солнца. Причём наибольшее количество звёзд имеет массу от 0,4 до 3 масс Солнца;
· существует зависимость между массами звёзд и их светимостями, что даёт возможность оценивать массы одиночных звёзд. Так, если масса звезды лежит в интервале от 0,5 до 10 масс Солнца, то её светимость пропорциональна 4 степени массы. Если же масса звезды больше 10 масс Солнца, — то 2 степени.
Помимо одиночных и двойных звёздных систем, выделяются также кратные системы, в которых число звёзд больше двух. Существуют звёзды тройные, четверные и даже более высокой кратности. Примером кратных звёзд может служить тройная звезда α Центавра. Причём, что интересно, одна из компонент — Проксима — является ближайшей к Земле звездой после Солнца.
А теперь давайте зададимся вопросом: откуда же звёзды, в том числе и наше Солнце, черпают энергию в течение миллионов и миллиардов лет? Этот вопрос волновал учёных не одно десятилетие (и даже столетие). Для ответа на него порой выдвигались самые невероятные гипотезы. Например, Уильям Гершель считал, что Солнце — это холодное и твёрдое тело, которое окружено огромным огненным океаном. Правда, вот не задача, такой океан должен был бы полностью выгореть через несколько тысяч лет после начала горения.
Герман Гельмгольц предполагал, что увеличение внутренней энергии и как следствие увеличение температуры Солнца происходит из-за его медленного гравитационного сжатия. Чтобы компенсировать потери энергии на излучение, достаточно было бы, чтобы диаметр Солнца ежегодно уменьшался на 75 метров. Но в этом случае срок «службы» Солнца составил бы несколько миллионов лет. Однако наша звезда живёт уже более 4,5 млрд миллиардов лет и планирует прожить ещё столько же.
Лишь в 30-х годах ХХ в. американский астрофизик Ханс Альбрехт Бете высказал предположение о том, что энергию Солнце получает за счёт термоядерных реакций, происходящих в его недрах. Им же был открыт водородный (или протон-протонный) цикл — цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
Обратите внимание на то, что для образования двух ядер 
, необходимых для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Чтобы представить, какое огромное количество энергии выделяется Солнцем в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что в среднем оно теряет примерно 4 миллиона тонн водорода в секунду! На первый взгляд, эта просто огромная величина. Однако она ничтожна, по сравнению с полной массой Солнца. А расчёты специалистов показывают, что «топлива» в его недрах достаточно для поддержания термоядерных реакций ещё в течение примерно 5 миллиардов лет. После этого в недрах Солнца начнутся необратимые реакции, которые приведут к его гибели.
Источник