Лекция на тему: "Движение и гравитация"

                                  Движение и гравитация

                                               Лекция.

 

Содержание

    Гео и гелиоцентрическая системы мира, ученые. Конфигурации планет, синодический и сидерический периоды обращения планет. Законы Кеплера   Определение размеров тел и расстояний в Солнечной системе, горизонтальный параллакс, форма и размеры Земли. Закон всемирного тяготения, возмущения в движении тел Солнечной системы, массы небесных тел, приливы, искусственные спутники и космические аппараты.

Предметные результаты:

— знать  исторический аспект развития представлений о гелиоцентрической системе мира;

— знать терминологию  (конфигурация планет, синодический и сидерический периоды обращения планет, горизонтальный параллакс, угловые размеры объекта, астрономическая единица);

— определять расстояние до планет по горизонтальному  параллаксу, а размеры планет  по угловым размерам и расстоянию;

—определять массы планет на основе третьего закона Кеплера; формулировать законы Кеплера,

— описывать особенности движения тел Солнечной системы под действием сил тяготения по орбитам с различным эксцентриситетом;

— объяснять причины возникновения приливов и отливов на Земле и возмущений в движении тел Солнечной системы;[1]

      Представления в древности о строении Вселенной было изложено в трудах Птолемея, который был сторонником геоцентризма и считал неподвижную Землю, вокруг которой движутся все небесные объекты, центром Вселенной. Движение тел происходит равномерно и по окружности. Эта модель просуществовала до XVI века и к 1543 г. Коперником (1473-1543) была предложена другая, гелиоцентрическая модель мира, согласно которой Земля вместе с Луной, которая движется вокруг Земли,  а также другие планеты и их спутники обращаются вокруг Солнца..Впервые  были определены относительные расстояния планет от Солнца и характер движения, продолжение и дальнейшее развитие эта модель найдет  в трудах Г. Галилея (1564-1642) и И. Кеплера (1571-1630), который откроет законы движения планет.

Планеты разделяют на внутренние (Меркурий, Венера,) и внешние (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.) по расположению их орбит относительно орбиты Земли. Характерные взаимные положения Солнца, Земли и планет называются конфигурациями. Одинаковые конфигурации планет происходят в разных точках их орбит, в разных созвездиях, в разное время года. Конфигурации, при которых внутренняя планета, Земля и Солнце выстраиваются по одной линии, называются соединениями (рис. 1).

Рис. 1,2 Конфигурации планет:
Земля в верхнем соединении с Меркурием,
в нижнем соединении с Венерой и в противостоянии с Марсом

Если расположение Земля, внутренняя планета и Солнце, небесное явление называется нижним соединением. В «идеальном» нижнем соединении происходит прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца.   Если расположение  Земля, Солнце,  Меркурий или Венера, явление называется верхним соединением. В «идеальном» случае происходит покрытие Солнцем планеты, которое, конечно, не может наблюдаться из-за несравнимой разницы в блеске светил.  Для системы Земля - Луна - Солнце в нижнем соединении происходит новолуние, в верхнем соединении - полнолуние.

Конфигурация, при которой Солнце, Земля и внешняя планета выстраиваются на одной линии, называется: 1)  Солнце, Земля, внешняя планета - противостоянием; 2) если  Земля,  Солнце, внешняя планета - соединением планеты с Солнцем (рис. 2).

Предельный угол между Землей, Солнцем и внутренней планетой называется наибольшим удалением или элонгацией и для Венеры составляет 48°. Внутренние планеты могут наблюдаться только вблизи Солнца и только по утрам или вечерам, перед восходом или сразу после захода Солнца. Видимость Меркурия не превышает часа, видимость Венеры – 4 часов, (см. рис)

Сидерическим (звездным) периодом обращения планеты называется промежуток времени Т, за который планета совершает один полный оборот вокруг Солнца по отношению к звездам.

Синодическим периодом обращения планеты называется промежуток времени S между двумя последовательными одноименными конфигурациями.

Для нижних (внутренних) планет: .                                      

                     Для верхних (внешних) планет:

Продолжительность средних солнечных суток s для планет Солнечной системы зависит от сидерического периода их вращения вокруг своей оси t, направления вращения и сидерического периода обращения вокруг Солнца Т.

Определение масс небесных тел

Законы Кеплера

1. Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

2. Радиус – вектор планеты за одинаковые промежутки времени описывает равные площади, скорость движения планет максимальна в перигелии и минимальна в афелии.    

3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся между собой как          кубы их  средних расстояний от Солнца              ,           

Уточненный Ньютоном третий  

Закон Кеплера

Определение расстояний и размеров тел в Солнечной системе

Размеры и форма Земли

Величайшее достижение древних это представление о том, что Земля-шар, свободно находящийся в пространстве. Первое определение размеров Земли провел греческий ученый Эратосфен в Египте. Он предложил измерять длину дуги земного меридиана и определить, какую часть от полной окружности она составляет, после чего определить длину дуги в 1 градус, потом длину окружности и ее радиус. Эратосфен ввел термины-широта и долгота. Сейчас для определения длины дуги использовали метод триангуляции, точность измерения базиса в 10 км составляла 1 мм. Уже к 18 веку выяснили, что форма Земли отличается от шара, она немного приплюснута у полюсов, ее полярный радиус короче экваториального на 21 км. Сегодня Земля измерена достаточно полно, средний радиус 6371,032км.

Определение размеров  в солнечной системе производят по годичному параллаксу.

Горизонтальный параллакс (р) это угол, под которым со светила виден радиус Земли, перпендикулярный лучу зрения. Расстояние D=R/sinp. Для малых углов синус можно заменить на значение самого угла в радианах. Один радиан равен 206265². Зная расстояние и угловой диаметр в радианах  можно определить размер  тела r=Dr.

Закон Всемирного тяготения:  Сила тяготения между телами  (Солнцем и планетой) пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Изменения характеристик движения космических тел вследствие притяжения со стороны других космических тел, помимо центрального, называются возмущениями и наблюдаются в виде отклонений от траекторий, вычисленных на основе задачи 2-х тел (законов Кеплера) В зависимости от силы и времени воздействия возмущения разделяются на вековые и периодические, играющие важную роль в эволюции орбит космических тел.

Вековые  возмущения зависят от взаимного положения космических  тел и происходят в одном направлении, постепенно накапливаясь с течением времени. В Солнечной системе вековые возмущения изменяют лишь долготу восходящего угла и долготу перигелия орбит планетных тел; структура нашей планетной системы почти не изменяется со временем. В других планетных и звездных системах в некоторых случаях вековые возмущения могут стать причиной частичного или полного разрушения этих космических систем.

Долгопериодические и короткопериодические возмущения зависят от относительного положения космических тел, изменяют все элементы их орбит попеременно в противоположных направлениях и повторяются во времени.[2]

Приливы – деформации   литосферы(коры) и гидросферы  космических тел в результате воздействия притяжения других космических тел. Присущи звездным и другим образованиям.

На земле приливы наблюдаются в виде периодического повышения и понижения уровня воды в морях и океанах вследствие разности между притяжением Луной Солнцем всей Земли в целом и ее водной оболочки. Приливы и отливы происходят два раза в сутки. Приливы лунного происхождения в 2,2 раза мощнее солнечных приливов. В среднем их продолжительность 12 часов, 25 минут. Наиболее высокие приливы происходят при совпадении направлений действия сил притяжения со стороны Луны и Солнца через 1-2 суток после новолуния и полнолуния.

Кроме космических причин на высоту приливов влияют характеристики побережья: наиболее мощные приливы происходят в узких глубоких бухтах (фиордах) со скалистыми берегами. 18- метровые приливы наблюдаются на атлантическом побережье Канады; в России в Пенжинской губе Охотского моря они достигают 13-метровой высоты. Самые низкие приливы происходят при противоположных  направлениях действия сил притяжения Солнца и Луны, через 1-2 суток после первой и третьей четверти.

Причиной приливов является приливное ускорении: разность ускорений, вызываемых притяжением небесного тела в данной точке и в центре планеты.

Космическая скорость    является   скоростью кругового движения и для ИСЗ запускаемых на околоземные низкие орбиты (Н=200км) и составляет около 8 км/с.(7,78)

Вторая космическая скорость- скорость параболического движения. Для стартующих с Земли автоматических межпланетных станций и равна 11,02 км/с.

При скоростях больших первой       космической, но меньше второй космической тело движется по эллиптической орбите. Если скорость меньше первой тело тоже движется про эллиптической орбите, которая целиком будет лежать внутри кругвой орбиты. Такие траектории полета земных космических аппаратов называют баллистическими

При скорости выше второй космической траектория небесного тела представляет

 собой гиперболу. Скорость, с которой запущенный с Земли космический аппарат покинет пределы Солнечной системы иногда называют третьей космической скоростью (42 км/с)[3]она равна сумме скоростей движения Земли вокруг Солнца и второй космической скорости космического аппарата относительно Земли.

 

 

Особенности курса астрономии и методика его изучения определяются программными требованиями  к результатам освоения курса.

Специфика предмета в том, что он не мыслим без наблюдений, значит наблюдения и наглядность неотъемлемая часть изучения предмета.

На протяжении всего курса надо объяснять различие между видимым положением объекта  наблюдения и действительным.

          Астрономия изучает объекты материального мира в развитии, поэтому  конечная цель – формирование представления о развивающейся Вселенной, познакомить с наиболее современными данными и методами их получения, идеями и гипотезами, способствовать самостоятельному приобретению знаний, ориентации и фильтрации потока информации.

Формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий, раскрытия фундаментальных природных  закономерностей.

Атеистическое воспитание  в результате опровержения мифа о «сотворении мира» (Земли) в свете данных о возрасте Земли, Солнца, Солнечной системы и истории их происхождения как частном случае соответствующего космического процесса. Формирование научного мировоззрения  в ходе знакомства с определенным типом космических объектов,  раскрытия фундаментальных природных закономерностей (причинной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и процессов, перехода количественных изменений в качественные, единства и взаимодействия противоположностей. В основании формируемой в сознании учащихся научной картины мира должны лежать философские положения: материальности мира, связи материи и движения, несотворимости и неуничтожимости материи и движения, существование движущейся материи в пространстве и во времени; понятия пространства и времени; многообразия и качественного своеобразия форм материи и взаимосвязи между ними, материальном единстве мира; Вселенной. Весь курс астрономии с самого начала должен изучаться под углом зрения этих положений. Широта и общность этих понятий требует обобщений широкого и разностороннего материала, охватывающего ряд разделов курса астрономии, базирующихся на философских положениях, исходящих из закона единства и и борьбы противоположностей, закона перехода количественных изменений в качественные, положения о несотворимости и неуничтожимости материи, о роли практики в познании, о конкретности и относительности истины.

Следует учитывать, что элементы астрономии изучались в курсе начальной школы, географии, физики, поэтому на завершающем этапе естественнонаучного образования  следует акцентировать внимание на научности, познаваемости, исторической и междисциплинарной связи, гражданственности и патриотизме.

Учитывая, что изучение астрономии идет в старшей школе, когда уже есть  определенные знания и мировоззрение, следует подбирать такую форму урока, где уточняются, обобщаются, классифицируются знания учащихся, где каждый может выступить обосновать свою точку зрения, предложить информацию, полученную из разных современных источников, лучше акцентировать  на способности человечества к познанию мира, освоению космического пространства, созданию сложнейших аппаратов для исследования космоса, единству в вопросах экологии планеты и околоземного пространства, опасностям в планетарном масштабе.  

Предполагаю, что курс будут вести учителя естественники, знакомые с ЕГЭ и ОГЭ, которые владеют различными классическими методиками ведения урока, это позволит расширить и разнообразить уроки астрономии, на которых с успехом можно применять игровые формы: квест, брейн - ринг, 100 вопросов, турнир, круглый стол, диспут, «Что? Где? Когда?», «Что я вижу?», космическое путешествие, суд, викторины и т.д. Однако, не следует забывать об олимпиадах, проектах, конкурсах, презентациях, видеофильмах,  проверке знаний и т.д.. Желательно заранее довести до сведения учащихся что и как проверяется в курсе астрономии, что это не просто интересный урок, что вопросы астрономического содержания появятся в ВПР и ЕГЭ, что в курсе есть задачи и контрольные работы, все это излагается в рабочей программе.

Личностными результатами обучения являются:

−         готовность и способность к саморазвитию, вырабатывать собственную позицию по отношению к общественно-политическим событиям прошлого и настоящего на основе осознания и осмысления истории, духовных ценностей и научных достижений  нашей страны,

−        способность к осознанию российской идентичности в поликультурном социуме, чувство,

−        причастности  к историко-культурной общности российского народа и судьбе России, патриотизм, готовность к служению Отечеству, его защите, чувство ответственности перед Родиной, готовность,

−        к конструктивному участию в принятии решений, готовность противостоять идеологии экстремизма, национализма, ксенофобии, дискриминации по социальным, религиозным, расовым, национальным признакам,

−        мировоззрение, соответствующее современному уровню развития науки, готовность к научно- техническому творчеству, владение достоверной информацией о передовых достижениях и открытиях мировой и отечественной науки, заинтересованность в научных знаниях об устройстве мира и общества, готовность и способность к образованию на протяжении всей жизни, экологическая культура, бережное отношение к родной земле, природным богатствам России и мира, понимание влияния социально –экономического процесса на состояние природной и социальной среды, ответственности за состояние природных ресурсов, умений и навыков разумного природопользования, нетерпимого отношения к действиям, приносящим вред экологии, приобретение опыта экологонаправленной  деятельности.

Предметные результаты  даны к каждому разделу[4].

Литература

1.              П.И. Бакулин, Э.В.Кононович, В.И. Мороз. «Курс общей астрономии», М., Наука, изд. 4 и выше.

2.                  «Астрономия» учеб. пособие для студентов  физ - мат факультетов  пед. институтов  М.М. Дагаев, В.Г. Демин, И.А. Климишин, В.М. Чаругин, М. Просвещение,1983 и далее).

3.      А.П. Клищенко, В.И. Щупляк. Астрономия, М. Новое знание, 2004.

4.                  УМК     Учебник «Астрономия», Б А. Воронцов-Вельяминов, Е.К. Страут,  М. Дрофа, 2017.

5.                  УМК Метод. пособие для учителя, Программа  Б А. Воронцов-Вельяминов, Е.К. Страут, М. Дрофа, 2017.

6.                  А.Ю. Румянцев. Методика преподавания астрономии в средней школе. Курс лекций по методике преподавания астрономии для учителей физики и астрономии и студентов физико-математических факультетов педагогических вузов.   Магнитогорск,  2001.

7.      Страут Е.К. рабочая программа к УМК Б.А Воронцова-Вельяминова, Е.К. Страут, - М. Дрофа, 2017.

---

[1] Страут Е.К. Рабочая программа к УМК Б.А Воронцова-Вельяминова, Е.К.Страут, - М. Дрофа, 2017.

       [2] А.Ю. Румянцев. Методика преподавания астрономии в средней школе. Курс лекций. Магнитогорск, 2001.

[3] А.Ю. Румянцев. Методика преподавания астрономии в средней школе. Курс лекций. Магнитогорск, 2001.

[4] Страут Е.К. Рабочая программа к УМК Б.А Воронцова-Вельяминова, Е.К. Страут, -М. Дрофа, 2017.

Краткое описание документа:

Движение и гравитация

Лекция.

Содержание

Гео и гелиоцентрическая системы мира, ученые. Конфигурации планет, синодический и сидерический периоды обращения планет. Законы Кеплера Определение размеров тел и расстояний в Солнечной системе, горизонтальный параллакс, форма и размеры Земли. Закон всемирного тяготения, возмущения в движении тел Солнечной системы, массы небесных тел, приливы, искусственные спутники и космические аппараты.

Предметные результаты:

— знать исторический аспект развития представлений о гелиоцентрической системе мира;

— знать терминологию (конфигурация планет, синодический и сидерический периоды обращения планет, горизонтальный параллакс, угловые размеры объекта, астрономическая единица);

— определять расстояние до планет по горизонтальному параллаксу, а размеры планет по угловым размерам и расстоянию;

—определять массы планет на основе третьего закона Кеплера; формулировать законы Кеплера,

— описывать особенности движения тел Солнечной системы под действием сил тяготения по орбитам с различным эксцентриситетом;

— объяснять причины возникновения приливов и отливов на Земле и возмущений в движении тел Солнечной системы;[1]

Представления в древности о строении Вселенной было изложено в трудах Птолемея, который был сторонником геоцентризма и считал неподвижную Землю, вокруг которой движутся все небесные объекты, центром Вселенной. Движение тел происходит равномерно и по окружности. Эта модель просуществовала до XVI века и к 1543 г. Коперником (1473-1543)

---

[1] Страут Е.К. Рабочая программа к УМК Б.А Воронцова-Вельяминова, Е.К.Страут, - М. Дрофа, 2017.