М. А. Кунаш. Астрономия. Методические рекомендации. Урок № 29

Личностные: управлять собственной познава- тельной деятельностью; проявлять готовность к са- мообразованию; высказывать убежденность в воз- можности познания окружающей действительно- сти.

Метапредметные: выдвигать и сравнивать гипо- тезы относительно природы скрытой массы.

Предметные: описывать строение и структуру Галактики; перечислять объекты плоской и сфери- ческой подсистем; оценивать размеры Галактики; пояснять движение и расположение Солнца в Галак- тике; характеризовать ядро и спиральные рукава Га- лактик; характеризовать процесс вращения Галак- тики; пояснять сущность проблемы скрытой массы.

Наша Галактика на небосводе. Строение Галакти- ки. Состав Галактики. Вращение Галактики. Про- блема скрытой массы.

Методические акценты урока. Учитывая, что предметное содержание урока является для учащих- ся абсолютно новым, в процессе его раскрытия важ- но на каждом этапе учитывать три элемента: воз- можность иллюстрации рассматриваемого материа- ла (при наличии — опыт учащихся по наблюдению определенного элемента на звездном небе), описание и визуальное представление с использованием ме- диасредств (изображений, анимаций и т. д.), графи- ческое представление модели рассматриваемого эле- мента.

В начале урока с учащимися организуется беседа с целью систематизации их опыта наблюдения Млечного Пути на небе. При этом акцентируется внимание на следующих аспектах.

1. Млечный Путь тянется полосой по обоим небес- ным полушариям под наклоном около 63 к эквато- ру, не имеет резких границ, обладает на разных участках различной шириной и яркостью.

2. Млечный Путь — проекция Галактики на не- бесную сферу; Галактика — система небесных тел (главным образом, звезд), в которую входят и Сол- нце, и Солнечная система.

3. Большой круг, проходящий посередине вдоль всего Млечного Пути, — галактический экватор, а образующая его плоскость — галактическая пло- скость. Точки неба, равноудаленные на 90 от га- лактического экватора, — галактические полюсы.

4. Визуально по мере удаления в обе стороны от Млечного Пути число звезд значительно сокращает- ся, и меньше всего их находится вблизи галактиче- ских полюсов. Наибольшую яркость и насыщен- ность звездами Млечный Путь имеет в направлении созвездия Стрельца.

Учащимся предлагается рассмотреть фотографию Млечного Пути (рис. 6.1 учебника) и выполнить сле- дующие задания.

1. Заполните первую строку таблицы, изобразив графически наблюдаемую на небесной сфере проек- цию Галактики.

Далее необходимо активизировать внимание уча- щихся, совместно сформулировав вопросы теорети- ческого характера, исходя из наблюдаемых особен- ностей Млечного Пути относительно структуры и состава Галактики. Возможны следующие формули- ровки:

1. Только ли нашу Галактику мы наблюдаем на небе? Можно ли наблюдать другие галактики?

2. Из каких пространственных структурных ча- стей состоит Галактика, учитывая, что количество наблюдаемых небесных объектов неравномерно рас- пределено на небе?

3. Какие небесные тела, кроме звезд, входят в со- став Галактики и как они распределены в структур- ных составляющих Галактики?

Отвечая на первый вопрос, рассматривают туман- ность Андромеды и наблюдение в ней цефеид, позво- ливших определить расстояние до другой галакти- ческой системы (см. рис. 2 на цветной вклейке учеб-

ника). Этот элемент урока подводит к рассмотрению методов исследования характеристик Галактики:

• сравнение со структурой других галактик (пре- жде всего, со структурой туманности Андромеды);

• использование телескопов, осуществляющих исследования в различных диапазонах электромаг- нитного излучения;

• теоретические расчеты косвенных величин на основе прямых измерений светимости звезд, харак- теристик их спектра и т. д.

Важно озвучить длительность времени изучения структуры Галактики, рассмотреть некоторые важ- ные этапы (открытия Г. Галилея, исследования В. Гершеля, В. Я. Струве, Б. А. Воронцова-Вельями- нова и Р. Трюмплера, В. А. Амбарцумяна, А. А. Бе- лопольского). Учащимся предлагается продолжить работу с таблицей.

1. Заполните вторую строку таблицы, изобразив графически пространственную структуру Галакти- ки. При выполнении задания используйте материал

§ 25.1 учебника.

Далее обращают внимание учащихся на то, что при взгляде на галактический диск «сверху», приня- тая на сегодняшний день схема предполагает нали- чие спиральных ветвей, в основном содержащих го- рячие и яркие звезды, массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу пло- ской подсистемы Галактики, а объекты, концентри- рующиеся к ядру Галактики, лишь частично прони- кающие в диск, относятся к сферической подсис- теме.

1. Заполните третью строку таблицы, изобразив графически предполагаемую модель в проекции на- блюдения галактического диска «сверху». Поставь- те в соответствие пространственные структурные со- ставляющие для «боковой» проекции галактическо- го диска и для проекции наблюдения галактического диска «сверху» (используйте стрелки от правой

ячейки во второй строке таблицы к правой ячейке в третьей строке таблицы).

Обобщив графическую интерпретацию строения Галактики, предложенную учащимися, обращают

внимание на составляющие каждой из пространст- венных структурных составляющих, перечислив их и дав только общую характеристику:

• звездные скопления и ассоциации;

• туманности;

• разреженный межзвездный газ и пыль;

• космические лучи и магнитные поля. Подчеркивая, что на текущем уроке будет рассма-

триваться подробно только одна из групп «населе- ния» Галактики, учащимся предлагается задание.

1. Запишите определение понятия «звездное ско- пление» и заполните таблицу. При выполнении за- дания используйте материал § 25.2 учебника.

Сделайте вывод о причинах различия скоплений двух типов и следствиях существования в Галактике звездных скоплений и ассоциаций различного воз- раста.

Важнейшие акценты рассмотрения состава Га- лактики относительно звездных скоплений и ассо- циаций состоят в следующем:

• звезды формируются не в одиночку, а груп- пами;

  • процесс звездообразования продолжается и в настоящее время;

  • эволюция Галактики — история процесса звез- дообразования в ней.

Проанализировав характеристики звездных ско- плений и ассоциаций, следует обратить внимание на то, что звезды долгое время считались неподвижны- ми и лишь сравнение координат звезд, полученных в древности, с координатами звезд, полученными в начале XVIII в., показали, что звезды смещаются. Данное движение было названо собственным движе- нием звезды. Так как у учащихся есть базовый запас сведений, позволяющий объяснить метод обнаруже- ния собственного движения звезд, в беседе выявля- ют следующие методы, позволяющие обнаружить особенности движения звезд:

• сравнение вида созвездия в различные перио- ды времени, отстоящие друг от друга (для пояснения используется рисунок 6.10 учебника);

• фотографическое сравнение участков звездно- го неба на одном и том же телескопе через промежут- ки времени;

• изучение лучевой скорости, которая определя- ется по смещению линий в спектре звезды (по эф- фекту Доплера).

Далее учащимся предлагается, используя данные

§ 25.4 учебника, охарактеризовать вращение Галак- тики и движение звезд в ней, ответив на следующие вопросы:

1. Где расположено Солнце в Галактике и каковы особенности лучевых скоростей звезд относительно Солнца?

2. Дайте определение понятия «апекс звезды». В каком направлении расположен апекс Солнца?

3. Каков период обращения Солнца вокруг центра Галактики?

4. Сформулируйте определение понятия «корота- ционная окружность». В чем преимущество положе- ния Солнечной системы в Галактике?

В процессе обсуждения необходимо сделать сле- дующие акценты:

• галактический диск вращается;

• период вращения для разных расстояний от центра различен, Галактика вращается не как твер- дое тело;

• линейная скорость при удалении от центра сначала быстро возрастает, затем на очень большом расстоянии остается постоянной и даже увеличива- ется.

Данные аспекты являются основой для обсужде- ния понятия «скрытая масса». Обращается внима- ние на то, что выявленная зависимость скоростей вращения звезд от расстояния до центра Галактики (что обнаружено и в других галактиках) не согласу- ется с наблюдаемым распределением звезд, что сви- детельствует о существовании у галактик ненаблю- даемой материи, в 10 раз превышающей массу види- мых звезд. Ее природа неизвестна, поэтому она названа «темной материей».

Исследования короны Галактики с 1993 г. прово- дятся особым методом микролинзирования. Он ос- нован на том, что звезда своим гравитационным по- лем отклоняет свет, проходящий от более далекого объекта. Так как звезда — сферически симметрич- ное тело, она выступает в роли собирающей линзы. В результате яркость звезды для наблюдателя на Земле увеличивается как вспышка наблюдаемой звезды, если между ней и наблюдателем проходит тело с массой, сравнимой с массой Солнца. Одновре- менное наблюдение звезд в ближайшей галактике Большое Магелланово Облако позволило зафикси- ровать достаточно много вспышек, свидетельствую- щих о том, что их причина — микролинзирование звезд массами 0,2—0,3 солнечной массы. Кроме то- го, еще в середине 30-х гг. ХХ в. Ф. Цвикки, изме- рив скорости, с которыми галактики скопления Во- лосы Вероники движутся вокруг общего центра, по- зволил сделать вывод о том, что скорости галактик оказались гораздо больше, чем теоретически пред- полагаемые, с учетом суммарной массы скопления. Следовательно, истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой, но также прояв- ляется гравитационно. Выполненное через 40 лет Ф. Цвикки изучение скоростей вращения вокруг га-

лактического центра вещества, расположенного на периферии галактик, не подчинялось законам Кеп- лера (теоретически скорость вращения галактиче- ских объектов должна была убывать обратно про- порционально квадратному корню из расстояния до центра; на практике оказалось, что для многих га- лактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра). Еще одно важное свидетельство будет рассматриваться позд- нее, и связано оно с теорией Большого взрыва. Необ- ходимо подчеркнуть, что о природе темной материи существует несколько предположений:

• часть темной материи — обычное вещество, не испускающее или почти не испускающее собствен- ное излучение (звезды небольших масс и низкой све- тимости, коричневые карлики);

• часть темной материи — слабо взаимодейству- ющие массивные частицы.

Подводя итог урока вместе с учащимися, следует отметить, что открытие короны Галактики не приво- дит к существенному изменению представлений о строении внутренней части Галактики и о процес- сах, которые там происходят. Оно имеет значение для оценки величин средней плотности вещества во Вселенной в целом и построения космогонической теории.

Домашнее задание. § 25.1, 25.2, 25.4; практиче- ские задания.

1. С каким угловым диаметром будет видна наша Галактика, диаметр которой составляет 0,03 Мпк, для наблюдателя, находящегося в галактике М31 (туманность Андромеды) на расстоянии 600 кпк?

2. Используя подвижную карту звездного неба, определите, через какие созвездия проходит Млеч- ный Путь.

1. История исследования Галактики.

2. Легенды народов мира, характеризующие ви- димый на небе Млечный Путь.

3. Открытие «островной» структуры Вселенной В. Я. Струве.

4. Модель Галактики В. Гершеля.

5. Загадка скрытой массы.

6 Опыты по обнаружению Weakly Interactive Massive Particles — слабо взаимодействующих мас- сивных частиц.

7. Исследование Б. А. Воронцовым-Вельямино- вым и Р. Трюмплером межзвездного поглощения света.

Один ученый проверяет закономерности электро- магнитных колебаний в колебательном контуре на Земле, а другой — в лаборатории на космическом ко- рабле, летящем вдали от звезд и планет с выключен- ным двигателем. Если колебательные контуры оди- наковые, то в обеих лабораториях эти закономерно- сти будут:

1. одинаковыми при любой скорости корабля;

2. разными, так как на корабле время течет мед- леннее;

3. одинаковыми только в том случае, если ско- рость корабля мала;

4. одинаковыми или разными в зависимости от модуля и направления скорости корабля.

http://www.youtube.com/watch?v=_sQD0Fbr FCw — Наша Галактика. Млечный Путь.

http://www.youtube.com/watch?v=99PR9HSDp BI — Наша Галактика. Взгляд со стороны.

1