Ученики на Учителя.com


Конспект урока "Строение Солнца, солнечной атмосферы. Солнечно-земные связи" 11 класс

Предмет: астрономия
Учитель: Дашко Татьяна Леонидовна
Уровень образования: базовый
Тема: « Строение Солнца, солнечной атмосферы. Солнечно-земные связи»
Тип урока: изучение и первичное закрепление новых знаний и способов
деятельности.
Время проведения: 1 полугодие
Участники: 11 класс
Цель: формирование фундаментального астрономического понятия "звезда" на примере
рассмотрения физической природы и основных характеристик Солнца как ближайшей и
наиболее изученной звезды.
Задачи обучения:
Общеобразовательные - формирование понятий:
- об основных характеристиках Солнца как космического тела: массе, размерах,
плотности, движении, химическом составе и состоянии вещества, магнитном поле,
возрасте и т.д.
- о внутреннем строении Солнца (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и
солнечной атмосфере (фотосфере, хромосфере, короне);
- об основных параметрах внутреннего строения (температуре, давлении, плотности газа и
т.д.)
- об энергетике Солнца;
- о космических явлениях, наблюдаемых в атмосфере Солнца (грануляция, пятна,
факельные поля, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер).
Воспитательные:
1) Формирование научного мировоззрения учащихся:
- в ходе знакомства с определенным типом космических объектов – звездами и при
рассмотрении основных физических характеристик Солнца как ближайшей из звезд;
- при изучении материала об энергетике Солнца.
2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о "сотворении
мира" в свете данных о природе и возрасте Солнца как звезды, рядовой по своим
параметрам. Политехническое воспитание при знакомстве учащихся с применениями
научных знаний о Солнце в практической деятельности человека.
Развивающие - формирование умений:
- анализировать информацию, объяснять свойства космических объектов на основе
важнейших физических теорий;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов
механики, молекулярной физики и термодинамики.
Ученики должны знать:
- об основных физических характеристиках Солнца (приближенные значения
соответствующих числовых величин;);
- о внутреннем строении (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и структуре
атмосферы (фотосфере, хромосфере, короне) Солнца;
- о возможности расчета параметров внутреннего строения Солнца (температуре,
давлении, плотности газа и т.д.) на основе законов физики;
- основные сведения о термоядерных реакциях в недрах Солнца как основе звездной
энергетики;
- астрономические величины (температура фотосферы, температура и давление в центре
Солнца, массу и размеры Солнца в сравнении с земными).
Ученики должны уметь:
- анализировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения
космических объектов, делать выводы;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов
механики, молекулярной физики и термодинамики.
Наглядные пособия и демонстрации:
- презентация «Солнце»
- таблицы: "Солнце"; "Строение Солнца"; "Солнечная система".
Задание на дом: Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 22 (1, 2); упр. 19.
План урока
Этапы
урока
Содержание
Методы изложения
Время,
мин
1
Актуализация астрономических знаний;
повторение материала по природоведению
(естествознанию), физике и астрономии
Фронтальный опрос,
беседа
10
2
Изложение нового материала:
1) Основные физические характеристики
Солнца.
2) Внутреннее строение и структура
атмосферы; объекты и явления,
наблюдаемые в солнечной атмосфере.
3) Энергетика Солнца.
Лекция, беседа, рассказ
учителя
20-25
3
Закрепление изученного материала. Решение
задач
Работа у доски,
самостоятельное решение
задач в тетради
10-12
4
Подведение итогов урока. Домашнее задание
Ход урока:
Урок начинается с объявления о начале изучения новой, одной из важнейших в курсе
астрономии, темы "Солнце и звезды". Учитель объясняет школьникам цель и задачи
изучения новой темы: изучение физической природы звезд и звездных систем. Внимание
учащихся обращается на следующие положения:
1. Звезды - отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся
от других космических объектов.
2. Звезды – один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный)
тип космических тел.
3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в
которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.
4. Атомы вещества, из которого состоит наша планета и мы сами образовались свыше 6
миллиардов лет назад в недрах звезд.
5. От ближайшей из звезд – Солнца - зависит существование и развитие жизни на Земле.
Затем в ходе фронтального опроса и беседы с учениками мы повторяем и актуализируем
знания о природе Солнца и звезд, обретенные школьниками ранее на уроках
природоведения, естествознания, физики среднего и старшего звена, и астрономии.
Следует проверить понимание понятий "космические объекты", "космические тела" и
"космические системы".
Далее следует лекционное изложение нового материала. Оно начинается с рассмотрения
основных физических характеристик и внутреннего строения Солнца как ближайшей и
наиболее подробно изученной звезды. Строение Солнца можно продемонстрировать при
помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более
качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно, с соответствующими
пояснениями, воспроизвести его на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради).
Солнце
Масса Солнца 1,989× 10
30
кг, в 333434 раз превышает массу Земли и в 750 раз - всех
планетных тел Солнечной системы. Радиус Солнца 695990 км, в 109 раз больше земного.
Средняя плотность солнечного вещества 1409 кг/м
3
, в 3,9 раза ниже плотности Земли.
Ускорение силы тяжести на экваторе 279,98 м/с
2
(28 g). Экватор Солнца наклонен под
углом 7,2 к плоскости эклиптики. Сидерический период вращения на экваторе равен
25,38 суток и увеличивается по направлению к полюсам (до 32 суток на широте 60 ).
Солнце обладает магнитным полем со сложной структурой средней напряженностью 1-2
Гс.
Возраст Солнца около 5 млрд. лет.
Видимая звездная величина (блеск) Солнца -26,6
m
. Мощность общего излучения Солнца
374× 10
21
кВт. Светимость Солнца 4× 10
20
Вт. Земля получает 1/2000000000 часть
солнечной энергии: на площадку в 1 м
2
, перпендикулярную солнечным лучам за
пределами земной атмосферы приходится 1,36 кВт лучистой энергии.
Температура видимой поверхности (фотосферы) Солнца 5770 К. Спектральный класс
Солнца G2.
Химический состав Солнца: водород - 71 %, гелий - 26,5 %, остальные элементы 2,5 %.
Солнце не содержит в своем составе неизвестных на Земле химических элементов.
Агрегатное состояние солнечного вещества – ионизированный атомарный газ (плазма).
Вглубь Солнца, с увеличением температуры и давления, степень ионизации растет вплоть
до полного разрушения атомов в ядре Солнца.
Внутреннее строение Солнца:
1. Ядро (зона термоядерных реакций) - центральная область, простирающаяся на 1/3
радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2× 10
18
Па, температуре
1,5- 1,6× 10
7
К и плотности плазмы до 16 г/см
3
протекают термоядерные реакции
превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением
колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.
2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R) – область, в которой
выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате
последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн. Плавно
распределяясь по возрастающему объему вещества, энергия (и, в соответствии с законом
Вина, длина) электромагнитных волн постепенно уменьшаются от 10
-11
-10
-12
Дж (g - и
жесткое рентгеновское излучение) на границе с ядром до 10
-16
Дж (жесткий ультрафиолет)
на границе с конвективной зоной, где плотность плазмы составляет около 0,16 г/см
3
при
давлении до 10
13
Па и температуре до 10
6
К.
3. Зона конвекции (0,29 R) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В
ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со
скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. В энергию
магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону
тепловой энергии Солнца. На дне конвективной зоны с 22-летней периодичностью
накапливается намагниченная плазма, образующая мощный магнитный слой. На глубины
0,8-0,9 R появляются первые нейтральные атомы – сначала гелия, затем водорода, выше
их концентрация увеличивается.
Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:
Фотосфера (сфера света) - слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы,
обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 10
6
Па
наблюдается гранулы - ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700
км и временем существования до 8 минут - восходящие потоки раскаленных газов.
Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. Убывание
температуры в наружных слоях фотосферы приводит к тому, что в спектре видимого
излучения Солнца, почти полностью возникающего в фотосфере, наблюдаются темные
линии поглощения. Они называются фраунгоферовыми в честь немецкого оптика Й.
Фраунгофера (1787-1826), впервые зарегистрировавшего в 1814г. несколько сотен таких
линий. По той же причине (падение температуры от центра Солнца) солнечный диск с
края кажется более темным. Светлые участки фотосферы , на которых поверхность
Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами).
Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту
с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные
пятна.
Фотосфера условно считается "видимой поверхностью" Солнца (хотя на самом деле это
тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях
солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим
фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых
обстоятельствах или при помощи специальных приборов.
Хромосфера толщиной около 10
4
км наблюдается во время полных солнечных затмений
как красноватое кольцо вокруг Солнца. Её температура составляет десятки и сотни тысяч
кельвин. Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно
плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со
скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества –
хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной
поверхности. На высоту от 10
4
–10
5
км вздымаются протуберанцы - сравнительно
холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой
формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные
взрывы с выделением энергии до10
25
Дж.
Корона – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень
сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т
<1,5× 10
6
К) и внешнюю (Т <3× 10
6
К), образующую на расстоянии в несколько радиусов
Солнца поток солнечного вещества - заряженных частиц (е
-
, р) и электромагнитного
излучения - солнечный ветер, "дующий" со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700
км/с на полюсах Солнца. Лучше всего хромосферу и корону наблюдать со спутников и
орбитальных космических станций в УФ-вых и рентгеновских лучах.
Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции
превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.
Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу
Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества
звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро
растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к
центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2× 10
18
Па! В недрах более
массивных звезд температура и давление еще выше.
Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода,
26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.
Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода -
протоны - сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы
электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются,
образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии.
Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более
массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные
термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и
углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.
Водород – "звездное топливо", "сгорающее" в недрах звезд для того, чтобы они могли
жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все
меньше водорода и все больше гелия.
Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с
меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше "сгорает",
превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых
звезд-карликов долгий век - они живут десятки миллиардов лет.
Наше Солнце - желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5
миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.
Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового
давления)
Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными - мощностью в
миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными
термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и
миллиардов лет.
Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом
пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.
Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в
окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.
На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них -
сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных
реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая - сила
тяготения - стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но
противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и
миллиарды лет.
Солнечно-земные связи. Солнце оказывает огромное влияние на явления, происходящие
на Земле. Коротковолновое его излучение определяет важнейшие физико-химические
процессы в верхних слоях земной атмосферы. Видимые и ИК лучи являются основными
поставщиками тепла для Земли. В различных странах мира, в том числе и в нашей стране,
проводятся работы по более широкому использованию солнечной энергии для
хозяйственных и промышленных целей. Солнце не только согревает и освещает Землю.
Проявление солнечной активности сопутствует возникновению целого ряда
геофизических явлений. Потоки заряженных частиц, ускоренные во вспышках, влияют на
магнитное поле З. и вызывают магнитные бури, которые приводят к проникновению
заряженных частиц в более низкие слои атмосферы, отчего и возникают полярные сияния.
Коротковолновое излучение С. Усиливает ионизацию верхних слоев атмосферы, что
сильно влияет на условия распространения радиоволн, иногда нарушается радиосвязь.
Оказалось, то активные процессы на С., влияя на атмосферу и магнитное поле З.,
косвенным образом влияют и на сложные процессы органического мира – как животного,
так и растительного. Эти воздействия и механизм в настоящее время исследуются
учеными.
На заключительном этапе урока можно предложить ученикам выполнить 1-3 задачи.
Какая энергия поступает за 1мин. от Солнца в озеро площадью 1 км в ясную погоду, если
высота Солнца над горизонтом 30, а атмосфера пропускает 80% излучения?
Решение: Т.к. солнечная постоянная составляет 1,36 кВт/м
2
(за пределами атмосферы), то
на 1м
2
озера за 1 сек поступает энергия, равная
1,36*10
3
Дж/(с*м
2
)*0,8*0,5=544 Дж/(с*м
2
), а на всю его площадь за 1 мин:
544 Дж/(с*м
2
) 60с*10
6
м
2
=3,3*10
10
Дж.
Какая мощность излучения в среднем приходится на 1 кг солнечного вещества?
Решение: зная полную мощность излучения Солнца (его светимость L=4 10
26
Вт) и его
массу (М=2 10
30
кг), нетрудно рассчитать, что искомая величина составляет 2 10
-4
Вт/кг.
Итоги урока: ответить на вопросы учителя, анализируя усвоенный материал.
Скачать материал

География - еще материалы к урокам: