"Звёздные системы - галактики" Астрономия 11 класс

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА ПО АСТРОНОМИИ «МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ И РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ»

Предмет	Астрономия
Учитель	Краснопеева М. В
Тема урока	Строение и эволюция Вселенной
Тип урока	Урок «открытия» нового знания
Дата урока
Цели и задачи урока	Цель: Познакомить учащихся с моделью «горячей Вселенной», реликтовым излучением; сформировать представление о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной. Задачи: Образовательная : 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.
Планируемые результаты	Предметные: Развитие пространственного, логического мышления, творческого потенциала личности. Знать - связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной; - что такое фотометрический парадокс; - необходимость общей теории относительности для построения модели Вселенной; - понятие «горячая Вселенная»; - крупномасштабную структуру Вселенной; - что такое метагалактика; - космологические модели Вселенной - Уметь - использовать знания по физике и астрономии для описания и объяснения современной научной картины мира  Личностные: Формирование положительного отношения к учению, готовности и способности, обучающихся к саморазвитию и самообразованию Метапредметные: 1. Умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формировать для себя новые задачи в учебе и познавательной деятельности; 2. Умение самостоятельно планировать пути достижения целей; 3.Умение соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата; 4. Умение оценивать правильность выполнение учебной задачи, собственные возможности ее решения;
Методы и формы обучения	Методы: интерактивный (объяснительно-иллюстративный, демонстративный), проблемный. Формы: фронтальная, индивидуальная, работа в парах
Основные понятия	модель «горячей Вселенной»,  реликтовое излучение; образованием химических элементов во Вселенной; обилие гелия во Вселенной и его необходимость образования на ранних этапах эволюции Вселенной; свойства реликтового излучения.
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), математики, информатики
Ресурсы: - основные - дополнительные	интерактивная доска,  компьютер, презентация, эволюционные схемы, колекция ЦОР, фрагменты видеоуроков: У Вселенной было начало. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории»; Реликтовое излучение.

Организационная структура урока

Этапы урока	Обучающие и развивающие компоненты, задания и упражнения	Деятельность учителя	Деятельность учащихся	Универсальные учебные действия
I. Мотивация к учебной деятельности (2 – 3 мин) Цели: эмоциональная, психологическая и мотивационная подготовка учащихся к восприятию учебного  материала.	- Добрый день. Сегодня вы продолжаем изучать тему «Строение и эволюция Вселенной». Свой урок я хочу начать такими словами «Не так давно, менее столетия назад, астрофизики легко рассчитывали орбиты планет, открывали новые звёзды, но никому не приходило в голову, что наша Вселенная расширяется. Пространство словно раздвигается в разные стороны. Все космические объекты: планеты, звезды, галактики – словно убегают друг от друга. Причём, чем дальше находятся космические объекты, тем выше скорость их удаления. Создаётся такое впечатление, будто бы мы находимся в центре вселенского взрыва и все космические объекты улетают от нас в разные стороны. http://litsait.ru/proza/raznoe/rasshirjayuschajasja-vselennaja.html .» Но прежде давайте обратимся к тому материалу, который вам уже знаком.  Внимание на экран	Создает условия для возникновения у учеников внутренней потребности включения в учебную деятельность. Задает вопросы. Обобщает высказывания учащихся.	Слушают учителя. Отвечают на поставленные вопросы, при необходимости дополняют друг друга.	Личностные: понимают необходимость учения, выраженного в преобладании учебно-познавательных мотивов. Коммуникативные: высказывают собственное мнение; слушают друг друга, строят понятные речевые высказывания
II. Актуализация знаний Цели: подготовка к активному и осознанному усвоению нового материала. Формулирование темы урока и постановка цели.	Проверка домашнего задания в виде интерактивного текста, включающего основные понятия, которые изучены в данной теме, такие как: 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) А теперь давайте подумаем, на какие вопросы  мы сегодня должны с вами ответить? И что мы с вами должны будем затронуть на этом уроке? Давайте сформулируем тему нашего урока: - Какая будет цель  урока?	Организует осведомленность и обсуждение. Обобщает высказывания учащихся.	Слушают учителя. Рассуждают, высказывают свое мнение. Формулируют тему и цели урока. Записывают в тетрадь тему урока.	Познавательные: слушают учителя, извлекая нужную информацию. Коммуникативные: высказывают собственное мнение, обосновывают свою точку зрения, слушают друг друга. Регулятивные: самостоятельно формулируют тему и цели урока после предварительного обсуждения.
III. Изучение нового материала Цели: дать конкретные представления о эволюции звезд, Звездообразование, диаграмме Герцшпрунга – Рессела , Основные фазы в эволюции звезды,, Звезда как динамическая саморегулирующаяся система. Постановка и решение проблемы.	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 1.       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» (Приложение 1)             Модель Молодой Вселенной 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 tв= 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 Rв= 1031 м при плотности материи r в=1074–1094 г/см3 с температурой Тв = 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 tв = 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. 2.      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 Физкультминутка	Создает условия для получения учениками опорных знаний: Объясняет новый материал. Вовлекает учащихся в самостоятельную познавательную деятельность	Слушают учителя.  Знакомятся с видеофрагментом, Рассуждают, высказывают свое мнение. Формулируют в чем заключается модель горячей вселенной,  , что такое реликтовое излучение, . Записывают в тетрадь определение Обсуждают.	Познавательные: просматривая видеофрагмент и объяснение учителя извлекая нужную информацию, а так же самостоятельно находят ее в материалах учебника. Анализируют, сравнивают, учатся понимать информацию, делают выводы. Коммуникативные: высказывают собственное мнение; слушают друг друга, задают вопросы, отвечают на вопросы. Личностные: положительное отношение к познавательной деятельности, желание приобретать новые знания, умения, совершенствовать имеющиеся.
IV. Закрепление  нового Цель: закрепить знания по теме. Организовать индивидуальную работу (или работу в группах). Обнаружить и устранить пробелы.	Обсуждение Какие основные открытия положены в основу Большого     Взрыва?	Организует практическую работу.	Все обучающиеся, обсуждают и проверяя друг друга в парах (группах).	Познавательные: понимать информацию, использовать ее для решения учебных задач, анализировать, сравнивать, делать выводы. Коммуникативные: осуществлять совместную деятельность в парах (группах) с учетом выполнения конкретного задания. Личностные: осознавать свои трудности, стремиться к их преодолению.
V. Рефлексия учебной деятельности (3 мин) Цели: определение степени усвоения темы урока классом. Сделать выводы. Поблагодарить учащихся за работу на уроке.	А сейчас  я предлагаю Вам сделать оценку своей работы на уроке, используя предложенные высказывания (те которые вам ближе) КАК ПРИЯТНО ЗНАТЬ, ЧТО ТЫ ЧТО-ТО ЗНАЕШЬ. МОЛЬЕР (На этом уроке, я поняла, что я что-то знаю, и мне было очень приятно это осознавать. Я поверила в свои силы) Я ЗНАЮ, ЧТО Я НИЧЕГО НЕ ЗНАЮ СОКРАТ (Я открыл для себя очень много нового. Я даже не подозревал, что порой за обычными порой  явлениями кроются большие и удивительные открытия. И у меня появился интерес узнать об этом еще больше.) ПОЗНАНИЕ НАЧИНАЕТСЯ С УДИВЛЕНИЯ АРИСТОТЕЛЬ (Этот урок был для меня открытием. На протяжении всего урока я не переставала удивляться тому, что все в мире взаимосвязано и как наука шагнула далеко вперед и познании мира в которой мы живем)	Обеспечивает рефлексивную деятельность учащихся, их оценивания. Учитель выставляет и комментирует отметки. И демонстрирует на экране выводы по теме урока.	Оценивают эффективность своей деятельности на уроке, самоосознают возникшие трудности и способы их преодоления. Делают выводы.	Регулятивные: адекватно оценивать свои достижения, осознавать трудности, искать причины их преодоления. Личностные: способность к самооценке своих действий, поступков.
VII. Домашнее задание  (1-2 мин)	§ 36  Вопросы и задания стр.133  Подготовка реферативных работ  и  тезисов    к   уроку-конференции -	Объясняет домашнее задание	Записывают домашнее задание

ЛИТЕРАТУРА

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

2.      2. Мультимедийная энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.

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

4.      4. Видеоуроки

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

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

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

8.      https://geektimes.ru/post/281974/

Приложение 1

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

Приложение 2

Использованы материалы с сайта:

1.      https://geektimes.ru/post/281974/

Опубликована 3D-модель реликтового излучения Вселенной для печати

Не знаете, чем украсить рабочий стол? Как вам такой вариант: маленькая копия ранней Вселенной. А именно, сферы реликтового излучения — заполняющего Вселенную микроволнового фонового излучения, возникшего в эпоху первичной рекомбинации водорода.

Это не просто красивый сувенир, а научно выверенная модель, составленная по данным космической обсерватории «Планк». Её можно использовать как учебное пособие. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму из электронов, протонов и фотонов. В этой плазме фотоны постоянно излучались, сталкивались с другими частицами и поглощались. По мере расширения Вселенной космологическое красное смещение вызывало остывание плазмы, так что на определённом этапе замедлившиеся электроны стали соединяться с замедлившимися протонами, образуя первые во Вселенной атомы (этот процесс называется первичной рекомбинацией водорода). Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, при температуре плазмы около 3000 °K.

С этого времени некоторые фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение — те древние фотоны, которые излучила плазма ранней Вселенной после Большого взрыва в сторону будущего расположения Земли. Спустя 13,8 млрд лет фотоны до сих пор идут к нам, потому что расширение Вселенной пока что продолжается.

Сейчас температура излучения составляет около 2,7 °K. Оно поступает со всех сторон практически равномерно.

Наблюдаемая Вселенная в преломлении через реликтовое излучение называется поверхностью последнего рассеяния. Это самый удалённый объект, который мы можем наблюдать.

Интересным феноменом реликтового излучения является его анизотропия, то есть неоднородность. В марте 2013 года специалисты Европейского космического агентства опубликовали самую подробную карту реликтового излучения, составленную по результатам сбора данных космической обсерваторией «Планк», начиная с 2009 года.



На этой карте чётко видны два странных явления. Первое — изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной.


Изменение амплитуды температур в двух половинах Вселенной

Второй феномен — необычно большое холодное пятно, хорошо заметное на карте. Раньше специалисты считали, что это ошибка измерения. Но обсерватория «Планк» предоставила более точную информацию, подтвердив эффект.


Сравнение разрешения астрономических спутников, регистрирующих реликтовое излучение

По мнению учёных, неравномерность реликтового излучения — температурные флуктуации — объясняется колебаниями плазмы в крошечной ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Традиционно температурные флуктуации отображаются областями разного цвета. Например, самые горячие области — красным, а самые холодные — синим. Эти области проецируются на плоскую карту с помощью стандартной стереографической проекции. Были попытки создать компьютерные 3D-модели сферы реликтового излучения, которые пользователь мог вращать и рассматривать на экране. Но в этом случае информация об анизотропии передавалась по тому же визуальному принципу через цветовую шкалу.

Магистранты кафедры физики Имперского колледжа Лондона предложили новый способ визуализации при помощи 3D-печати. На спроектированной ими сфере реликтового излучения области разных температур ощущаются не только визуально, но и тактильно. По их мнению, портативная сфера реликтового излучения, которую можно взять в руку, имеет ряд преимуществ в учебной и научной работе, а особенно полезна для людей с нарушениями зрения.

Сфера реликтового излучения — ещё один пример полезного применения 3D-печати для научных целей. Для преобразования научных данных космической обсерватории «Планк» в формат STL молодые британские учёные использовали программы MeshLab, Cura, Blender!, Netfabb и другие.

Научная работа опубликована в журнале European Journal of Physics (doi: 10.1088/0143-0807/38/1/015601).

Файлы для печати выложены отдельно на научном хостинге Zenodo.

128_scaled.stl — STL-файл для печати монохромной версии (исследователи использовали принтер Ultimaker).
cmbhollow.wrl — VRML-файл для окрашивания изделия в ZPrinter.



Аналогичный метод подходит для визуализации других научных данных, в том числе результатов астрономических наблюдений. Например, для печати топографических карт планет, моделей поверхностей и внутренней структуры звёзд, распределения звёзд в галактиках, распределения вещества в масштабной модели Вселенной. В каком-то смысле данную работу можно рассматривать как первый концептуальный образец для большого количества потенциальных вариантов использования.