Разработка урока «Наземные и космические приборы и методы исследования астрономических объектов»

Тема урока «Наземные и космические приборы и методы исследования астрономических объектов»

Цель: знакомство обучающихся с методами астрономических исследований.

Задачи обучения:

Общеобразовательные:

формирование понятий:

- о методах астрономических исследований: астрономических наблюдениях (визуальных, фотографических, фотометрических, спектроскопических и т.д.), астрономических измерениях;
- о классификации методов астрономических исследований в зависимости от их задач и используемых инструментов;
- об условиях проведения и особенностях астрономических исследований;
- о применении законов физики для определения основных физических характеристик космических объектов и взаимосвязи этих характеристик;
- об астрономических формулах, позволяющих рассчитывать основные физические характеристики космических объектов на основе данных астрономических наблюдений;
- о применении физических приборов в астрономических исследованиях, их назначении, устройстве и принципе действия.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения обуучащихся в ходе знакомства с методами астрономических исследований. Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в развитии астрономических и космических методов исследования Вселенной. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом применении физики для создания астрономических методов исследования.

Развивающие: формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы, решать задачи на расчет основных физических характеристик космических тел по данным астрономических наблюдений.

Учащиеся должны знать:

1. Назначение телескопов.

2. Виды телескопов, а именно телескопы во всех диапазонах электромагнитных волн.

3. Методы астрофизических исследований.

Демонстрационный материал. Интерактивные модели телескопов. Презентация.

Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение заданий с помощью электронного планетария.

Использование новых информационных технологий. Работа с интерактивными моделями.

План урока

Конспект урока.

Методы астрофизических исследований

Астрономия является одной из древнейших наук.

Астрономия происходит от двух греческих слов:astron – «звезда, светило» и nomos – «закон».

Астрономия изучает строение Вселенной, движение, физическую природу, происхождение и эволюцию небесных тел и образованных ими систем. Астрономия исследует также фундаментальные свойства окружающей нас Вселенной.

Как наука, астрономия основывается, прежде всего, на наблюдениях. В отличие от физиков астрономы лишены возможности ставить эксперименты. Практически всю информацию о небесных телах приносит нам электромагнитное излучение. Только в последние сорок лет отдельные миры стали изучать непосредственно: зондировать атмосферы планет, изучать лунный и марсианский грунт, изучать непосредственно атмосферу Титана.

В XIX веке физические методы исследования проникли в астрономию, и возникла симбиотическая наука - астрофизика, которая изучает физические свойства космических тел. Астрофизика делится на: а) практическую астрофизику, в которой разрабатываются и применяются практические методы астрофизических исследований и соответствующие инструменты и приборы, способные получить максимально полную и объективную информацию о космических телах; б) теоретическую астрофизику, в которой на основании законов физики даются объяснения наблюдаемым физическим явлениям.

Телескопы бывают самыми разными – оптические (общего астрофизического назначения, коронографы, телескопы для наблюдения ИСЗ),радиотелескопы, инфракрасные, нейтринные, рентгеновские. При всем своем многообразии, все телескопы, принимающие электромагнитное излучение, решают две основных задачи:

• создать максимально резкое изображение и, при визуальных наблюдениях, увеличить угловые расстояния между объектами (звездами, галактиками и т. п.);

• собрать как можно больше энергии излучения, увеличить освещенность изображения объектов.

Способность увеличивать угол характеризуется увеличением телескопа. Оно равно отношению фокусных расстояний объектива F и окуляра f.

Изучение Вселенной началось и продолжается в течение нескольких тысячелетий, но вплоть до середины прошлого века исследования были исключительно в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Поэтому доступной областью излучения был диапазон от 400 до 700 нм. Первые астрономические научные наблюдения являлись астрометрическими, изучалось  только расположение планет, звёзд и их видимое движение на небесной сфере.(Слайд 2.)

В XX веке астрономия стала всеволновой. В настоящее время излучение от космических объектов регистрируется во всем диапазоне электромагнитного спектра от длинноволнового радиоизлучения (частота 10⁷ Гц, длина волны  = 30 м) до гамма-излучения (частота 10²⁷ Гц, длина волны  = 310^–19м = 310^–10нм).(Слайд 3.)

Наблюдения в других спектральных диапазонах позволили сделать важные открытия. Сначала были изобретены радиотелескопы. Так, радиоволны принесли информацию о наличии крупных молекул в холодных молекулярных облаках, об активных галактиках, о строении ядер галактик, в том числе и нашей Галактики, тогда как оптическое излучение от центра Галактики полностью задерживается космической пылью. Любой радиотелескоп по принципу своего действия похож на оптический: он собирает излучение и фокусирует его на детекторе, настроенном на выбранную длину волны, а затем преобразует этот сигнал, показывая условно раскрашенное изображение неба или объекта. Чтобы существенно улучшить угловое разрешение, в радиоастрономии используют радиоинтерферометры. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра. Радиотелескопы, находящиеся в разных странах и даже на разных континентах, также могут соединяться в единую систему наблюдений. Такие системы получили название радиоинтерферометров со сверхдлинной базой(РСДБ). Такие системы дают максимально возможное угловое разрешение, в несколько тысяч раз лучше, чем у любого оптического телескопа. (Слайды 4,5.)

Наша Земля надежно защищена атмосферой от проникающего жесткого электромагнитного излучения, от инфракрасного излучения. Поэтому современные инфракрасные, рентгеновские и гамма обсерватории вынесены за пределы земной атмосферы.(Слайды 6,7.)

Наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазонах позволяли исследовать космические объекты на поздних стадиях их жизни, открыть пульсары, черные дыры, столкновения скоплений галактик и т.д.

С помощью астрофизических методов можно определять скорости космических объектов, химический состав, массу, оценивать их размеры. Космос является гигантской физической лабораторией, в которой естественным путем создаются физические условия, невозможные на Земле, - экстремальные значения температур, плотностей, светимостей и т.д. Природа космических тел и космического пространства является предметом исследования не только астрономов, но и физиков.

Обсудить вопросы. (Слайд 8.)

1.Почему можно проводить наблюдения на Земле в радиодиапазоне, но нельзя проводить в гамма - диапазоне?

2.Почему есть наземные радиотелескопы и нет наземных гамма - телескопов?

3.К какому типу телескопов относится орбитальная обсерватория Чандра? В каком диапазоне проводятся наблюдения на этой обсерватории?

4.На какой максимальной частоте проводятся наблюдения и к какому диапазону это относится?

5.Какие объекты являются яркими источниками рентгеновского излучения? Как их наблюдают с Земли или с помощью орбитальных рентгеновских телескопов?

6.Какие объекты являются мощными источниками гамма-излучения?

7.На каких самых длинных волнах ведутся наблюдения радиотелескопами? (Ответ: 30 м. Радиоволны с длиной волны λ > 30 м не проходят через атмосферу Земли).

8.На каких минимальных частотах ведутся наблюдения радиотелескопами? (Ответ: 10 МГц).

Вопросы обучащимся (Тест)

Вариант 1.

1. Какое из перечисленных электромагнитных излучений имеет наибольшую длину волны?

А.Инфракрасное излучение.

Б. Видимое излучение.

В. Ультрафиолетовое излучение

Г. Рентгеновское излучение

2. Термин «всеволновая астрономия» означает:

А. прозрачность земной атмосферы для всех волн электромагнитного излучения, приходящего из космоса;

Б. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-излучения;

В. изучение невидимых диапазонов электромагнитного спектра у небесных светил;

Г. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне видимого спектра электромагнитного излучения, от красного до синего цветов.

3. Увеличение разрешающей способности телескопа возможно:

А. При уменьшении диаметра объектива;

Б. При уменьшении длины волны регистрируемого излучения

В. При уменьшении диаметра окуляра

Г. При увеличении длины волны регистрируемого излучения

4. Как можно вычислить увеличение телескопа?

А. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию окуляра.

Б. Отношение фокусного расстояния окуляра к фокусному расстоянию объектива.

В. Отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.

Г. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию объектива.

5. Самый большой в мире наземный телескоп имеет диаметр около:

А.5 м;

Б.6 м;

В.10 м;

Г. 20 м;

Вариант 2.

1. Какое из перечисленных электромагнитных излучений имеет наименьшую длину волны?

А.Гамма-излучение.

Б. Видимое излучение.

В. Ультрафиолетовое излучение

Г. Рентгеновское излучение

2. Термин «всеволновая астрономия» означает:

А. изучение невидимых диапазонов электромагнитного спектра у небесных светил;

Б. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне видимого спектра электромагнитного излучения, от красного до синего цветов.

В. прозрачность земной атмосферы для всех волн электромагнитного излучения, приходящего из космоса;

Г. изучение излучения небесных объектов во всем диапазоне электромагнитного спектра от радиоволн до гамма-излучения;

3. Телескоп служит:

А. Для увеличения углового размера небесного объекта.

Б. Для усиления блеска звезд.

В. Для увеличения углового расстояния между небесными объектами

Г. Для всего вышеперечисленного

4.Чем собирается свет в телескопе-рефлекторе?

А. Выпуклым зеркалом

Б. Выпуклой линзой

В. Вогнутым зеркалом

Г. Рассеивающей линзой

5. Как можно вычислить увеличение телескопа?

А. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию окуляра.

Б. Отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра

В. Отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию объектива

Г. Отношение фокусного расстояния окуляра к фокусному расстоянию объектива

Ответы на тест

Вариант 1

Вариант 2

Задание на дом:

Б.А. Воронцов-Вельяминова: повторить §§ 1(1, 2), 2 (2), изучить § 14