Конспект по астрономии на тему "Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение"

Урок 31.

ТЕМА: Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение

(Астрономия 10-11, авт. Чаругин В.М.)

Цель: Познакомить учащихся с моделью «горячей Вселенной», реликтовым излучением; сформировать представление о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной.

Задачи:

Обучающая : сформировать понятия:  модель «горячей Вселенной»,  реликтовое излучение; познакомиться с образованием химических элементов во Вселенной; объяснить обилие гелия во Вселенной и его необходимость образования на ранних этапах эволюции Вселенной; познакомиться с наблюдаемыми свойствами реликтового излучения.

Развивающая :  : развивать научность мышления, умение анализировать,   выделять главное, применять полученные знания для объяснения явлений;  работать с литературой.

Воспитывающая:  : привитие любви и уважения к достижениям науки; акцентирование  внимания учащихся на том, что в мире развивающихся тел и их систем существует замкнутый цикл материального мира; формирование комуникационных компетенций, умение говорить и слушать других.

Оборудование:   интерактивная доска,  компьютер, презентация, эволюционные схемы, колекция ЦОР, фрагменты видеоуроков: У Вселенной было начало. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории»; Реликтовое излучение.

Межпредметные связи: физика (спектральный анализ, термоядерный синтез, скорость света, элементарные частицы); обществоведение (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время); биология (познание сущности жизни на клеточном и молекулярном уровнях).

 Тип урока: изучение нового материала. 

 Вид урока: комбинированный.

Этапы урока.

        I.            Организационный этап.

     II.            Актуализация знаний учащихся.

  III.            Изучение нового материала.

  IV.            Закрепление изученного.

    V.            Оценка деятельности.

  VI.            Домашнее задание.

VII.            Рефлексия.

Организация работы на уроке.

     I  этап – Организационный:

                                                                 Эпиграф.

Вселенная тоже была молодою,
И бился в груди ее пламень творения!
Как женщина, власть потеряв над собою,
Она отдавалась на волю мгновения.
И в огненной пляске Пространства и Времени,
Доверившись слепо неведомым силам,
Она разрешила от тяжкого бремени,
Даруя начало мирам и светилам…
Дыхание горячее Тайны Великой
Потоками квантов к тебе прикоснется,
И космос огромный чужой многоликий,
Сквозь мрак мироздания тебе улыбнется.
И тот, кто увидел улыбки той отблеск,
Кто вздрогнул на миг и застыл ослепленный,
Так будет всю жизнь, позабыв сон и отдых,
Искать ее снова в просторах Вселенной.
                                             Б. Комберг

Знакомство с темой и целями урока; система оценки результатов.

II этап - Актуализация знаний учащихся (повторение):

Тестовое задание.                1. Раздел астрономии, занимающийся изучением строения Вселенной и процессов, происходящих в ней, называется: а) космогонией    б) космологией    в) космонавтикой   г) астрофизикой             2. Соотнесите термины, указанные буквами и определения, указанные цифрами: а) Вселенная    б) Метагалактика    в) Галактика    г) Звездная система;                                                                                          1) Самая большая наблюдаемая, нестационарная, постоянно эволюционирующая,  расширяющаяся система, не имеющая центра расширения      2) Материальная система, безграничная в пространстве и развивающаяся во времени     3) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник нетеплового излучения (не связанный с нагретым газом)                4) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник теплового излучения             3. Выберите главные космологические признаки Вселенной: а) анизотропность     б) изотропность       в) неоднородность     г) однородность д) сингулярность Ключ к тесту: 1. б)  2. а – 2), б – 1), в – 3), г – 4)      3. б), г)

III  этап - Изучение нового материала.

1.      Мотивационно-ориентировочная деятельность учащихся.

Вспомним, что по современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия – термоядерные реакции.

Существует гипотеза, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.

Проверьте это предположение.  (Работа с учебником Стр.132)

В термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 10²⁶ Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ = 4,8 · 10^–12 Дж.  Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 10³⁸ ядер атомов гелия, или  6, · 10¹¹ кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной:    1,3 · 10¹⁰ лет = 3,9 · 10¹⁷ с, легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звёздах  (10¹¹ звёзд) за этот промежуток времени:  6,7 · 10¹¹ кг/с · 10¹¹ · 3,9 · 10¹⁷ с = 2,6 · 10⁴⁰ кг.

Вывод: Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики  2 · 10⁴¹ кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.

             Исходя из этого в 1946 году астрофизик Георгий Гамов, американский физик российского происхождения (учился вместе с А.Фридманом) и его коллеги разработали физическую теорию начального этапа расширения Вселенной, объясняющую наличие в ней химических элементов синтезом при очень высоких температуре и давлении. Начало расширения по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». Соавторами Гамова были Р. Альфер и Г. Бете, поэтому иногда эту теорию называют «α, β, γ-теория» или модель горячей Вселенной.

Модель «горячей Вселенной» - космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем  адиабатическом космологическом расширении, иначе теория Большого взрыва

2.      Практический.

У вас на столах имеется таблица, где эволюция Вселенной расписана с точностью до секунды! Имеется также рисунок модели молодой Вселенной. И вы можете по данной таблице проследить сейчас ход моих рассуждений по одной из теорий, названной «Большим взрывом»

                                                          Таблица Эволюция Вселенной по теории «Большого взрыва»

Название эпохи	Физические процессы	Время, прошедшее с момента Большого Взрыва	Температура
Рождение классического пространства-времени	Вселенная рождается из состояния сингулярности, из пространственно-временной «пены»	5∙10–44 c	1032 К
Стадия инфляции	Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия	5∙10–44–10–36 c	более 1028 К
Рождение вещества	Появляется горячая плазма, состоящая из элементарных частиц, «кваркового супа»	начиная с 10–36 c	1028 К
Радиационная стадия	Вещество и излучение находится в равновесии. На каждый барион приходится 109 фотонов	вплоть до 10–4 c	до 1013 К
Стадия рекомбинации	Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения	вплоть до 1 с	5∙1012–1013 К
Первичный нуклеосинтез	Образуются протоны и нейтроны. Синтез ядер водорода и гелия, а также лития и берилия	1–200 с	109–1010 К
Стадия рекомбинации водорода	Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения	1 с – 1 000 000 лет	4500–3000 К
Возникновение галактик	Начало возникновения звезд и галактик	1 миллиард лет	30 К
Современная эпоха	Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается	15–20 миллиардов лет	2,725 К

                                                                                                Модель Молодой Вселенной

Далее рассказ учителя соотносим с таблицей.

(Если хороший интернет фрагмент видеоурока https://www.youtube.com/watch?v=xSxKtGYv7jY   У Вселенной было начало. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории») или  https://www.youtube.com/watch?v=wMV2TYmgxGs  Рождение Вселенной или момент творения. Начало всего. Большой Взрыв. Фильм про космос 31.10.2016)

           Известные нам законы физики начали действовать с момента t_в= 10^-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка ћ и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли R_в= 10³¹ м при плотности материи r _в=10⁷⁴–10⁹⁴ г/см³ с температурой Т_в = 1,3 × 10³² К.                                                               

     При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с²породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы  частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t_в = 10^-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.    

       Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10⁹ К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.                                                                                                                                                     

   Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться.                                           

    Через 10¹² с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение.

За миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К.     

    "Блины" массой до 10¹⁴ М_¤ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду ("дроблению") "блинов" на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10¹⁰-10¹²М_¤, из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет.

Вывод:

3.      Теоретический

Итак, на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. Именно это излучение назвали реликтовым - космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем.

Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое микроволновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной. Его называю ещё: космическое микроволновое фоновое излучение» cosmic microwave background, CMB;   реликтовое излучение;  трехградусное космическое излучение

 За это открытие ученые в 1978 году получили Нобелевскую премию.

Фрагмент видеоурока https://www.youtube.com/watch?v=YWkanmxwMg8 Реликтовое излучение

I.               II.               III.               IV.            Закрепление изученного. Обсуждение Какие основные открытия положены в основу Большого Взрыва?     V.            Оценка деятельности.  VI.            Домашнее задание. § 36  Вопросы и задания стр.133  Подготовка реферативных работ  и  тезисов    к   уроку-конференции VII.            Рефлексия.

Методическое обеспечение

1. В.М. Чаругин  «Астрономия. 10–11 кл.», учебник, М, Просвещение, 2018г.

2. Мультимедийная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.

3. Мультимедийный курс «Открытая астрономия», версия 2,5 Физикон, 2002г.

4. Видеоуроки

https://www.youtube.com/watch?v=xSxKtGYv7jY   У Вселенной было начало. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории»

  https://www.youtube.com/watch?v=wMV2TYmgxGs  Рождение Вселенной или момент творения. Начало всего. Большой Взрыв. Фильм про космос 31.10.2016

https://www.youtube.com/watch?v=YWkanmxwMg8 Реликтовое излучение

Краткое описание документа:

Конспект урока по учебнику . В.М. Чаругина «Астрономия. 10–11 кл.», М, Просвещение, 2018г.

Цель: Познакомить учащихся с моделью «горячей Вселенной», реликтовым излучением; сформировать представление о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной.

Задачи:

Обучающая : сформировать понятия: модель «горячей Вселенной», реликтовое излучение; познакомиться с образованием химических элементов во Вселенной; объяснить обилие гелия во Вселенной и его необходимость образования на ранних этапах эволюции Вселенной; познакомиться с наблюдаемыми свойствами реликтового излучения.

Развивающая : : развивать научность мышления, умение анализировать, выделять главное, применять полученные знания для объяснения явлений; работать с литературой.

Воспитывающая: : привитие любви и уважения к достижениям науки; акцентирование внимания учащихся на том, что в мире развивающихся тел и их систем существует замкнутый цикл материального мира; формирование комуникационных компетенций, умение говорить и слушать других.