М. А. Кунаш. Астрономия. Методические рекомендации. Урок № 23

Личностные: высказывать мнение относительно достоверности косвенных методов получения ин- формации о строении и составе Солнца; участвовать в обсуждении полученных результатов аналитиче- ских выводов; проявлять заинтересованность в са- мостоятельном проведении наблюдения Солнца.

Метапредметные: использовать физические за- коны и закономерности для объяснения явлений и процессов, наблюдаемых на Солнце; формулировать логически обоснованные выводы относительно по- лученных аналитических закономерностей для све- тимости Солнца, температуры его недр и атмосферы. Предметные: объяснять физическую сущность источников энергии Солнца и звезд; описывать про- цессы термоядерных реакций протон-протонного цикла; объяснять процесс переноса энергии внутри Солнца; описывать строение солнечной атмосферы; пояснять грануляцию на поверхности Солнца; ха- рактеризовать свойства солнечной короны; раскры- вать способы обнаружения потока солнечных ней- трино; обосновывать значение открытия солнечных

нейтрино для физики и астрофизики.

Современные методы изучения Солнца. Энергия и температура Солнца. Химический состав Солнца. Внутреннее строение Солнца. Атмосфера Солнца.

Методические акценты урока. Содержание дан- ного урока обладает значительным методологиче-

ским и метапредметным ресурсом. С одной стороны, в рамках урока анализируются законы и закономер- ности квантовой и ядерной физики (закон Стефа- на—Больцмана, закономерность для светимости; спектроскопия, спектры поглощения и излучения; термоядерные реакции, закономерности слабого взаимодействия), элементы молекулярно-кинетиче- ской теории (виды теплопередачи, газовые законы); элементы электродинамики, элементы механики (гравитационное взаимодействие). С другой сторо- ны, демонстрация учителем моделей построения ло- гических доказательств и вывода аналитических за- висимостей позволяет формировать научное мышле- ние учащихся. По этой причине наиболее эффек- тивной формой построения урока выступает про- блемная беседа. В начале для активизации интереса необходимо организовать обсуждение значимости изучения темы. В результате выделяются следую- щие аспекты.

1. Солнце — ближайшая звезда. Изучение ее осо-

бенностей позволяет проанализировать особенности других звезд.

1. Солнце, являясь «центральным» телом Солнеч- ной системы, определяет процессы, протекающие на планетах, их спутниках и других телах, все осталь- ные системы испытывают его влияние.

2. Солнце — естественная астрономическая лабо- ратория, в которой возможно наблюдать процессы, недоступные для получения в условиях Земли.

3. Солнце, в отличие от планет и других тел Сол- нечной системы, является самосветящимся небес- ным телом, излучающим за счет процессов, происхо- дящих в его недрах. Вся энергия на Земле связана с преобразованием солнечной энергии, включая важнейшие биологические процессы.

По итогам беседы учитель ограничивает те вопро- сы, которые будут рассматриваться на данном уро- ке: химический состав и строение Солнца, источник его энергии. На первом этапе раскрытия содержания важно акцентировать внимание на методах получе- ния информации о Солнце и его изучении. Среди ме- тодов отмечают:

• визуальное наблюдение средствами наземных и космических обсерваторий. Телескопы для изуче- ния Солнца (башенные солнечные телескопы) имеют особую конструкцию (рис. 5.1 учебника). Подчерки- вается, что первым наблюдал Солнце с помощью те- лескопа Г. Галилей, обнаруживший не только сами пятна, но и изменения, которые с ними происхо- дили;

• спектральный анализ. С его помощью И. Фра- унгофером в 1814 г. впервые были обнаружены ли- нии поглощения, впервые открыт гелий;

• физические методы теоретического исследова- ния Солнца и его параметров с построением последу- ющей физической модели звезды.

Далее, анализируя результаты применения каж- дого из методов с опорой на текст учебника, раскры- ваются особенности и характеристики Солнца. На первом этапе анализируется поток солнечного излу- чения. Следует учесть, что часть предметных вопро- сов рассматриваются в опережающем режиме по от- ношению к физике: учащимся еще может быть не известен закон Стефана—Больцмана, и в процессе раскрытия данный материал изучается впервые. По- нятие «солнечная постоянная» также является но- вым для учащихся, поэтому предметное содержание разбирается подробно. Полученные результаты тем- пературы должны быть проанализированы.

Перед учащимися формулируется проблемный

вопрос: есть ли поверхность у Солнца, ведь наблюда- телю звезда представляется в виде небольшого диска диаметром около 0,5. Здесь следует напомнить об условности данного понятия для планет-гигантов. Данный вопрос приводит к результатам применения метода спектрального анализа. Используя диаграм- мы химического состава Солнца, подчеркивают, что в химическом составе светила преобладают легкие элементы, которые находятся в особом агрегатном состоянии — в состоянии плазмы. Всего на Солнце обнаружено более 70 химических элементов, но все они в иных пропорциях встречаются и на Земле. Хи- мический состав Солнца различен на разных глуби- нах.

Далее в процессе решения задач совместно с уча- щимися используются законы физики и раскрыва- ется ряд характеристик Солнца.

1. Определите плотность Солнца на расстоянии половины радиуса от центра, зная массу светила и его радиус (используйте данные приложения I).

2. Определите давление и температуру Солнца на расстоянии половины радиуса от центра, используя известные вам законы физики.

Полученные аналитически результаты обсужда- ются. При этом делаются следующие выводы.

1. Равновесие Солнца обеспечивается тем, что си- лы тяготения, стремящиеся сжать его, уравновеши- ваются силами внутреннего газового давления.

2. На расстоянии половины радиуса Солнца плот- ность превышает в 1,5 раза плотность воды, а давле- ние в миллиард раз больше атмосферного давления. В описываемых условиях одноименно заряженные ядра преодолевают электростатическое отталкива- ние, вступают в самоуправляемую термоядерную ре- акцию (подробно анализируется цепочка термоядер- ных реакций, представленная в учебнике (§ 21.2)).

3. Для проникновения во внешние слои Солнца излучение проделывает значительный путь, кото- рый можно объяснить на основе видов теплопереда- чи — конвекции и излучения. Согласно современной модели, термоядерные реакции происходят только в центральных областях не далее 0,3R. Ближе к по- верхности, где температура значительно меньше, энергия, выделившаяся в результате термоядерного синтеза, должна пройти сквозь толщу раскаленной плазмы. Преобладающий вид теплопередачи — из- лучение от слоя к слою. Слои не меняются местами, а энергия, излученная нижним слоем, поглощается верхним и переизлучается. Такое просачивание дли- тельно, с «потерей» частоты, происходит на расстоя- нии от 0,3R до 0,7R Солнца. Далее следует конвек- тивная зона, которая простирается до фотосфе- ры (рассматривается модель внутреннего строения Солнца, представленная на рисунке 5.5 учебника).

Возвращаясь к визуальным методам исследова- ния Солнца, рассматривается его поверхность и за- рисовывается в тетрадь. Основные акценты касают- ся следующего:

• непосредственному наблюдению доступна только фотосфера, которую мы и воспринимаем как поверхность Солнца. В этом слое наблюдается грану- ляция. В этом слое образуются и темные пятна — магнитные острова фотосферы, и фотосферные фа- келы — детали более светлые, чем фотосфера (дан- ные элементы стоит упомянуть на текущем уроке, но подробное рассмотрение их природы относится к теме следующего урока);

• хромосфера наблюдаема в моменты полных солнечных затмений. Именно в хромосфере возни- кают хромосферные факелы, которые расположены над фотосферными факелами и пятнами, а также мощные и быстрые процессы вспышек;

• солнечная корона также наблюдаема в момен- ты полных солнечных затмений, а также с помощью специального телескопа — коронографа. Размеры солнечной короны не остаются неизменными, рас- пространяясь на расстояние нескольких солнечных радиусов от края Солнца.

Подводя итоги урока, важно совместно с учащи- мися сделать выводы.

1. Солнце по своим физическим характеристикам является, с одной стороны, обычной звездой — лишь одной из звезд во Вселенной, но, с другой стороны, она является исключительной и необыкновенной, так как ее достаточно близкое расположение позво- ляет использовать множество методов для получе- ния информации об удаленных звездах.

2. Солнце и звезды — самоуправляемые термо- ядерные реакторы.

3. Существующая современная модель строения Солнца позволяет объяснить наблюдаемые свойства звезды, а также высказать убежденность в наличии влияния солнечной активности на Землю.

Учащимся целесообразно предложить ряд за- даний.

1. Перечислите правила, которыми необходимо руководствоваться при проведении наблюдения Сол- нца.

2. Оцените, какая энергия выделилась, если бы Солнце целиком состояло из водорода, который превратился бы в результате термоядерной рекции в гелий.

Домашнее задание. § 21.1—3; практическое зада- ние.

Используя приложение IХ учебника «Указания к наблюдениям. Наблюдения Солнца», проведите соб- ственные наблюдения Солнца. Обратите особое вни- мание на то, что все наблюдения звезды могут осу- ществляться только при наличии темного фильтра на объективе телескопа или бинокля. Наиболее без- опасно наблюдать Солнце в отраженном свете на экране.

1. Результаты первых наблюдений Солнца Гали- леем.

2. Устройство и принцип действия коронографа.

1. Плотность фотосферы Солнца не превышает по- рядка 10^–4 кг/м³, а число атомов преобладающего в фотосфере газа (водорода) — порядка 10¹⁷ в каждом кубическом сантиметре. Сравните параметры фото- сферы с плотностью и числом частиц, содержащих- ся в том же объеме воздуха при комнатной темпера- туре и нормальном давлении.

2. Сколько каменного угля сжигается для получе- ния энергии, выделяющейся при превращении 1 г водорода в гелий?

http://magru.net/pubs/5982#2 — Структура и внутреннее излучение Солнца.

http://galspace.spb.ru/index101.html — Строение Солнца. Видимая поверхность звезды.

1