Урок Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение.

Практическая работа «Разработка плана – конспекта урока»

(по учебнику Астрономия 10-11, авт. Чаругин В.М.)

Урок №31         Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение.

Цель:  Познакомить учащихся с моделью «горячая Вселенная», объяснить, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью «горячей Вселенной», познакомить с  реликтовым излучением; сформировать представление о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной.

Задачи урока:

Образовательная: повторить и конкретизировать космологическую модель Вселенной;

                               объяснить, как наукой доказывается образование химических элементов

                               во Вселенной; сформировать навык преобразования информации из

                               рисунка в таблицу; ввести понятие «реликтовое излучение».

Развивающая: развитие логического мышления путем систематизации фактов; развитие

                         наблюдательности; формирование мировоззрения; развитие познавательной

                         активности; умений делать выводы; применять полученные знания для

                         объяснения явлений.

Воспитательная: развитие коммуникативности; умение высказывать собственное

                               мнение;

                               участие в обсуждениях, уважая мнения других; содействовать

                               формированию

                               мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств

                               окружающего мира.

Оборудование к уроку: интерактивная доска, компьютер, презентация, фрагменты видеоуроков: «У Вселенной было начало», «Реликтовое излучение».

Тип урока: изучение нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Этапы урока.

1.   Мотивационный этап – 1мин.

2.   Актуализация знаний учащихся – 5 мин.

3.   Изучение нового материала-29 мин.

4.   Закрепление изученного – 6 мин.

5.   Оценка деятельности – 1 мин

6.   Домашнее задание – 2 мин

7.   Рефлексия – 1мин.

Раскрытие содержания этапов урока.

I этап. Мотивационный этап.

     Общие представления о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной можно получить из анализа химического состава вещества.

II  этап. Актуализация знаний учащихся (повторение):

Вспомните:  1)  Из каких объектов состоит Вселенная?

                      2)  Каков возраст Вселенной?

                      3)  Почему необходимо привлечение общей теории относительности для

                           построения  модели Вселенной?

III этап.  Изучение нового материала. (Материал, изложенный в учебнике можно взять за основу лекции)

                                                                      План.

1.      Характеристика химического состава первых звезд.

2.      Расчет массы гелия в Галактике за время ее существования.

3.      Модель горячей Вселенной.

4.      Работа с рисунком на странице 132 учебника и составление таблицы:

Время с момента возникновения Вселенной, с	Температура Вселенной К	Характеристика Вселенной

5.         Реликтовое излучение.   

1.   Естественно предположить, что до образования звезд вещество состояло из простейшего химического элемента – водорода. Поэтому первые звезды были чисто водородными. При термоядерных реакциях в недрах звезд образовывался гелий. В дальнейшем часть их вещества возвращалась в межзвездную среду либо при взрывах сверхновых, либо при спокойном сбросе вещества (как в планетарных туманностях), либо в процессах, сходных с солнечным ветром.

      В дальнейшем из сброшенного вещества формировалось новое поколение звезд. Из этого можно предположить, что весь наблюдаемый во Вселенной гелий образовался в недрах звезд  -  это около 30% по массе.

2.    Это предположение можно проверить математическими расчетами.  

        а)   Известно, что каждую секунду в недрах Солнца в термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода выделяется энергия

                         Е = 4  10 ²⁶ Дж

        б)   При образовании одного ядра гелия выделяется энергия

                      ∆Е = 4,8. 10 ^-12 Дж

        в)   Поэтому каждую секунду в Солнце образуется  N = 10³⁸ ядер атомов гелия, или

               m = 6,7 10¹¹ кг гелия.

        г)   Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной

                           t = 1,3 10¹⁰ лет  =  3,9 10¹⁷ с,

        д)   легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звездах (10¹¹ звезд)  за это время:  

                      М = 6,7 10¹¹  кг/с . 10¹¹ . 3,9 10¹⁷ с = 2,6 10⁴⁰ кг.

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

3.   Исходя из этого в 1946 году астрофизик Г.А.Гамов пришел к выводу, что основная масса гелия образовалась не в звездах, а на ранних стадиях расширения Вселенной, еще до формирования в ней звезд.

       Учитывая то, что гелий может образовываться только в термоядерных реакциях при температуре свыше нескольких миллионов кельвинов, то на ранних этапах расширения

Вселенная была не только плотной, но и горячей. Поэтому принятая в настоящее время модель расширяющейся Вселенной получила название модели 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.

4.    Работа с рисунком учебника на странице 132.

       Заполнение таблицы:

Время с момента возникновения Вселенной, с	Температура Вселенной К	Характеристика Вселенной
10-43	1027	Начало времени. Физический вакуум.
10-32	1013	Кварки Излучение
10-6	108	Протон Электрон Нейтрон Излучение

                    и т.д.

5. Реликтовое излучение.

Откуда взялось реликтовое излучение?

       Считается, что по этому излучению можно узнать ответ на вопрос: откуда взялась Вселенная? По сути, реликтовое излучение – это то, что осталось от «строительства Вселенной», когда она начала только зарождаться после расширения плотной горячей плазмы. По его свойствам ученые пытаются построить картину момента большого взрыва, что, возможно, даст ответ на вопрос: как появилась Вселенная? Но все же законы сохранения энергии создают определенные разногласия о возникновении Вселенной, потому что ничто из ниоткуда не берется и никуда не девается. Динамика нашей Вселенной – это переходы, смена свойств и состояний.

       На ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. По мере расширения температура вещества уменьшалась и, следовательно, уменьшалась температура теплового излучения, которая к тому времени должна была снизиться до 3 К (-270^оС).

       Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним  из известных небесных тел или их систем. Оно равномерно заполняет видимую Вселенную, т.е. характеризует горячее и сверхплотное состояние вещества в начале расширения. Поэтому это излучение получило название реликтового излучения, т.е. оставшегося от ранних этапов эволюции Вселенной.

      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 называют ещё: космическое микроволновое фоновое излучение» cosmic microwave background, CMB, реликтовое излучение, трехградусное космическое излучение.

За это открытие ученые в 1978 году получили Нобелевскую премию.

IV этап.   Закрепление изученного материала.

1.      Объясните, почему современная модель расширяющейся Вселенной названа моделью горячей Вселенной?

2.      Что такое реликтовое излучение?

V этап.  Оценка деятельности.

VI этап.  Домашнее задание.

         1.   § 36 в учебнике стр. 132-134;

         2.   Закончить заполнение таблицы.

         3.   Подведем итоги (стр. 134).

VII этап.  Рефлексия.

Методическое обеспечение.

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

2.   Энцикопедия для детей. Астрономия. М.: Аванта+, 2013г.

3.   Д.Рандзини, Справочник Космос, М.: ООО «Издательство АСТ», 2003г.

4.   Мультимедийная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.

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

6.   Видеоуроки.