Методические указания по выполнению лабораторных работ по астрономии

Государственное профессиональное образовательное учреждение
Ярославской области

Угличский индустриально-педагогический колледж

Методические указания по выполнению лабораторных работ по астрономии

Автор: Павлов Александр Викторович, преподаватель методической цикловой комиссии естественно-математических дисциплин

г. Углич

2020 год

Аннотация.

В 2017-2018 учебном году в средние учебные заведения вернулся предмет «Астрономия». Рекомендованные учебные пособия предусматривают в основном изучение теоретического материала. Однако изложение целого ряда тем программы по астрономии полезно сопровождать выполнением лабораторных работ, активизирующих самостоятельную работу учащихся, их интерес к предмету, формирующих навыки исследовательской работы. Многие учителя астрономии самостоятельно разрабатывают материалы для организации лабораторных работ, которые можно найти в сети Интернет и использовать в учебном процессе. В основном эти разработки содержат описания лабораторных работ с подвижной картой звездного неба.

В данном пособии предлагается описание пяти лабораторных работ, которые планируются при изучении тем «Солнце и звезды» и «Система Земля-Луна». В работах используются фотоснимки Солнца и Луны, сделанные автором пособия в разные годы.

Лабораторные работы по теме «Солнечные пятна и Солнечная активность»

Лабораторная работа №1.

Цель работы. Изучение геометрических параметров солнечных пятен по фотографии Солнца.

Задачи.

1. 1. Определить размеры солнечных пятен, изображённых на фотографии.
      
   2. Определить общую площадь солнечных пятен.
   3. Определить какую часть поверхности Солнца занимают солнечные пятна.
   4. Сравнить размеры самого большого пятна с размерами других планет.

Оборудование и материалы. Измерительная линейка. Фотоснимок Солнца.

Теоретические сведения.

Солнечные пятна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы. Наблюдаются на диске Солнца (с помощью оптических приборов, а в случае крупных пятен — и невооружённым глазом) в виде тёмных пятен. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных (до нескольких тысяч гаусс) магнитных полей. Потемнение фотосферы в пятнах обусловлено подавлением магнитным полем конвективных движений вещества и, как следствие, снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях.

Количество пятен на Солнце (и связанное с ним число Вольфа) — один из главных показателей солнечной магнитной активности.

Солнечные пятна являются основной деталью, которую можно разглядеть на поверхности нашей звезды без применения сложной астрономической техники. Природа, тем не менее, оставалась загадкой вплоть до первой половины XX, когда на Солнце впервые были обнаружены магнитные поля и оказалось, что места их концентрации совпадают с местами формирования пятен.

Кипение солнечной плазмы непрерывно поднимает из его недр к поверхности горячую плазму и тем самым повышает температуру поверхности. В областях, где поверхность Солнца пробивают трубки сильного магнитного поля, эффективность конвекции подавляется вплоть до полной ее остановки. В результате без подпитки горячей конвективной плазмой поверхность Солнца остывает как раз до температур порядка 4000 градусов. Формируется пятно. В наши дни пятна изучают в основном как центры активных солнечных областей, в которых концентрируются солнечные вспышки.

Этапы выполнения работы.

Внимание! При выполнении расчетов необходимо все величины перевести в СИ.

Измерить линейкой диаметр Солнечного диска d. В справочнике найти реальный диаметр Солнца D. (1 392 000 км)

По формуле определить масштабный коэффициент.

С помощью линейки измерить диаметр солнечного пятна dn (если форма пятна отличается от окружности, провести измерения наиболее широкой и наиболее узкой части пятна и найти среднее значение).

По формулам и определить реальный диаметр солнечного пятна Dn и площадь пятна Sn

Также находятся площади всех остальных солнечных пятен на предложенном фотоснимке Солнца.

Суммируя площади всех пятен, находим общую площадь пятен So.

По формуле определяем площадь солнечного диска.

По формуле ×100% находим, какую часть солнечной поверхности занимают солнечные пятна.

Заполнить сравнительную таблицу.

Лабораторная работа №2

Цель работы. Определить период вращения Солнца вокруг своей оси.

Задачи.

Экспериментально определить период вращения Солнца вокруг своей оси по смещению солнечных пятен.

Сравнить найденное значение периода с реальным.

Оборудование. Измерительная линейка. Фотоснимки Солнца, сделанные с промежутком в несколько часов.

Теория вопроса.

Солнечные пятна видимым образом перемещаются по солнечному диску от восточного края к западному. Это перемещение Галилей в 1610 г. правильно понял как выражение осевого вращения Солнца, направленного так же, как вращение Земли.

Исследование движений пятен позволило установить, положение в мировом пространстве оси вращения и экватора Солнца и оценить длительность.

Из курса физики известно, что период движения тела по окружности определяется по формуле

Где Т-период, R-радиус окружности, v-линейная скорость.

Линейную скорость можно определить по изменению положения солнечных пятен на диске Солнца. Сами пятна неподвижны. Изменение их положения связаны с вращением Солнца вокруг своей оси.

Измерив расстояние, на которое переместилось пятно, и, зная истинный диаметр Солнца, можно определить линейную скорость движения пятна и затем период вращения Солнца.

Этапы работы

Выбрать пятно наиболее близко расположенное к экватору и центру Солнца.

С помощью линейки измерить на двух фотографиях сделанные с промежутком в несколько часов расстояние от края диска (точки востока) Солнца до центра пятна d1 и d2.

Найти перемещение пятна Sn= d2 - d1 на фотографии.

Измерить линейкой диаметр Солнечного диска d. В справочнике найти реальный диаметр Солнца D. (1 392 000 км)

По формуле определить масштабный коэффициент

и найти реальное перемещения пятна S= Sn

По формуле t=t2-t1 (где t2 и t1 время, в которое была сделаны фотографии) определить время движения пятна

По формуле , определить линейную скорость вращения Солнца.

По формуле найти период вращения Солнца (солнечные сутки).

Сравнить вычисленный период с реальным периодом вращения Солнца.

Лабораторная работа №3

Цель. Изучение солнечной активности по фотоснимкам.

Задачи.

1. 1. Подсчитать число Вольфа W по фотографиям Солнца.
      
   2. Сделать выводы об уровне Солнечной активности.

Теория вопроса.

Солнечная активность характеризуется различными факторами. Прежде всего, это количество солнечных пятен - областей с сильным магнитным полем и более низкой температурой. Сильное магнитное поле пятна подавляет конвективные течения, приносящие энергию из недр Солнца, и поэтому газ в центре пятна остывает, температура пятна на Солнце 4000 К - 5000 К. Но полный поток энергии сохраняется, поэтому около пятна образуется яркий ореол с более высокой температурой, чем 6000 К. Солнечная активность характеризуется также солнечными вспышками, протуберанцами, корональными дырами.

Статистика солнечных пятен сводится к подсчету числа групп пятен g и числа всех пятен f, включая в группы и одиночные пятна. По результатам подсчета вычисляется число Вольфа: W = 10g + f.

Например, если число групп пятен g = 10 и число пятен N = 90, то число Вольфа W = 10g + N = 190.

Если среднее число Вольфа превышает 200 единиц, а среднее количество солнечных групп было больше десяти, то такие параметры соответствуют эпохе максимума пятнообразовательной деятельности Солнца и максимальной солнечной активности.

Этапы выполнения работы

На предложенных фотографиях Солнца подсчитать общее число солнечных пятен f и число групп пятен g.

По формуле W = 10g + f определить число Вольфа.

На основании число Вольфа сделать выводы об уровне Солнечной активности.

В справочник найти сведения об уровне Солнечной активности во время выполнения фотоснимков и сравнить с экспериментальным результатом.

Контрольные вопросы.

1. 1. Какие явления, происходящие на Солнце, обусловлены наличием магнитного поля?
      
   2. От чего зависит светимость звезды?
   3. Почему образуются солнечные пятна?
   4. От чего зависит солнечная активность?
   5. Что такое число Вольфа?
   6. Как влияет Солнечная активность на Землю?
   7. Какие характеристики Солнца связаны с действием гравитационных сил?
   8. Что такое Солнечная постоянная?
   9. Какими способами осуществляется перенос энергии из недр Солнца наружу?
   10. Какие существуют методы получения информации о Солнце и его излучении?
   11. Каков химический состав Солнца?
   12. Что относится к внешним областям Солнца?
   13. Что относится к внутренним областям Солнца?

Лабораторные работы по теме «Строение Луны»

Теоретические сведения.

Луна – естественный спутник Земли. Её поверхность покрыта горами, с цирками и кратерами, протяженными горными хребтами. Она имеет широкие впадины, изрезана глубокими трещинами. Уже со времён Галилея началось составление карты Луны. Первые подробные карты лунной поверхности составил выдающийся польский астроном Я. Гевелий (1611-1687) и опубликовал их в 1647 г. в сочинении «Селенографии» или «Описание Луны». В 1651 году итальянский астроном ДЖ Риччиоли (1598-1671) тоже опубликовал карту Луны, составленную им совместно с итальянским физиком Ф. Гримальди. (1618-1663). Именно на этой карте впервые округлые низменности названы морями, которые сохранили свои названия до наших дней: Море Спокойствия, Море Ясности, Море Опасности, Море Дождей, Море Облаков и т.д. Поверхность морей имеет складки и холмы, а также небольшие остроконечные и округлые возвышенности, представляющие собой вершины невысоких гор, залитых затвердевшей впоследствии лавой. Характерные по своим очертаниям краевые зоны морей названы заливами, а небольшие изолированные темные низменности - озерами. Большую часть поверхности Луны занимают «материки» - более светлые возвышенности. Видимое с земли полушарие Луны очень хорошо изучено. Обратное полушарие Луны принципиально не отличается от видимого, но на нём меньше «морских» впадин и обнаружены небольшие светлые равнинные участки, названные галассоидами. На лунной поверхности зарегистрировано около 200000 деталей, из которых 4800 занесены в каталоги. Рельеф Луны формировался в сложном процессе эволюции с участием внутренних и внешних сил.

Лабораторная работа №4

Цель работы. Пользуясь фотографиями Луны, отождествить формы рельефа и указать название отдельных образований на её поверхности.

Задачи.

1. 1. Изучить карту видимой области Луны.
      
   2. Найти на фотографии Луне основные элементы рельефа.

Оборудование и материалы. Карта Луны. Фотографии Луны.

Этапы работы.

1. Изучите формы лунного рельефа на предложенных фотоснимках Луны.

2. Пользуясь контурной картой Луны, установите названия отдельных образований на её поверхности, отмеченных цифрами и числами, и запишите в тетрадь под соответствующими номерами

Лабораторная работа №5

Цель работы. Определить размеры лунных элементов рельефа.

Задачи.

1. 1. Определить линейный масштаб Луны на фотоснимке.
      
   2. Определить угловой масштаб Луны на фотоснимке.
   3. Определить размеры отдельных элементов рельефа Луны.
   4. Сравнить найденные размеры с реальными.

Оборудование и материалы. Фотографии лунной поверхности. Таблица с видимыми угловыми размерами Луны.

Пусть d1 – линейный диаметр Луны, выраженный в километрах;

d2 – угловой диаметр Луны, выраженный в минутах;

D – линейный диаметр фотографического изображения Луны в миллиметрах.

Тогда масштабы фотографического снимка будут:

линейный масштаб:

l = d1/D,

угловой масштаб:

ρ = d2/D.

Видимый угловой диаметр Луны изменяется в зависимости от её параллакса, и его значения на каждый день года приводятся в астрономических календарях - ежегодниках. Однако приближённо можно принять d2 = 32’. Зная расстояние до Луны (r = 380000 км) и её угловой диаметр, можно вычислить линейный диаметр d1 = r ⋅ d2. Измерив в миллиметрах размер d лунного объекта на фотографии с известными масштабами, получим угловые dρ и линейные dl его размеры:

dρ = ρ ⋅ d,

d1 = l ⋅ d.

По известным масштабам l и ρ фотографии полной Луны можно определять масштабы l1 и ρ1 фотографии участка лунной поверхности. Для этого необходимо отождествить одинаковые объекты и измерить в миллиметрах размеры d и d’ их изображений на фотографиях.

В масштабах фотографии участка лунной поверхности:

l1 = l ⋅ d/d’,

ρ1 = ρ ⋅ d/d’.

Используя полученные масштабы ρ1 и l1, можно определить угловые и линейные размеры лунных объектов с достаточной точностью.

Этапы работы.

1. Вычислить угловой и линейный масштабы фотографии видимого полушария Луны и определить угловые и линейные размеры моря, протяжённость горного хребта и диаметры двух кратеров (по заданию преподавателя).

2. По фотографии участка лунной поверхности отождествить объекты лунной поверхности, по размерам которых вычислить масштаб данной фотографии.

Контрольные вопросы.

1. 1. Какие наблюдения Луны доказывают, что там происходит смена дня и ночи?
      
   2. Сколько оборотов вокруг своей оси в течение года делает Луна по отношению к Солнцу?
   3. Почему у Луны нет атмосферы?
   4. Почему Луна имеет очень слабое магнитное поле?
   5. Почему на Луне происходит большой перепад температур?
   6. Какого цвета на Луне небо?
   7. Можно ли, находясь на Луне наблюдать лунные полярные сияния?
   8. Почему Луна обращена к Земле одной стороной, но наблюдается в разных фазах?
   9. Почему с Земли можно наблюдать больше 50% поверхности Луны?
   10. Перечислите основные элементы лунного рельефа.

Информационные источники.

1. 1. Астрономия. Учебное пособие / М.М. Дагаев и др. - М.: Просвещение, 2018. - 384 c.
      
   2. Бережной, А.А. Солнечная система / А.А. Бережной. - М.: ФМЛ, 2017. - 694 c.
   3. Дагаев М.М., Чаругин В.М. Астрофизика. Книга для чтения по астрономии. 8-10 классы. М.: 1988. - 208 с
   4. Язев, С. А. Лекции о Солнечной системе / С.А. Язев. - М.: Лань, 2013. - 384 c.
   5. https://belmathematics.by/stati/3664-reshebnik-po-astronomii-11-klass-na-urok-20-rabochaya-tetrad-stroenie-solnechnoj-atmosfery
   6. https://www.rutvet.ru/in-razmery-planet-solnechnoy-sistemy-8699.html