Конспект урока астрономии «Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная» (10–11 классы)

Трубеко Фаина Ивановна,

учитель физики МБОУ «Лицей №1»

г. Лысьва Пермский край

 

Тема урока: «Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная»

Тип урока:  Урок открытия нового знания

Цель: обучающие формируют для себя представление о космологии и космологической модели Вселенной, с помощью закона Хаббла вычисляют примерный радиус и возраст Вселенной.

Планируемые образовательные результаты

 

Предметные

связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечной и бесконечной Вселенной;

использовать знания по физике и астрономии для описания и объяснения современной картины Вселенной;

Космологические модели Вселенной.

Метапредметные

умение воспринимать, перерабатывать и предъявлять информацию в словесной, образной, символической формах, анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами;

поиск и выделение необходимой информации из условия для решения задач, применение методов информационного поиска;

Личностные

целенаправленно организовывать собственную познавательную деятельность, мотивированность на изучение нового;

формировать способность обучающихся самостоятельно осуществлять динамику роста в плане личностного развития, ставить учебные цели, уметь контролировать и оценивать учебную деятельность и ее результаты

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация.
 

Ход урока

 

В необъятной Вселенной безмерно долгое время будут

возникать для нас, один за другим, новые нерешенные

вопросы; таким образом, перед человеком лежит

уходящий в бесконечность путь научного труда...

Академик Ф. А. Бредихин

I. Мотивация учебной деятельности.

Учитель: Приветствие. Эпиграфом к сегодняшнему уроку взяты слова академика Бредихина. Какой же вопрос является самым важным в изучении Вселенной? (Слайд 1)

Ученики высказывают свою точку зрения.

 

Учитель: На экране новое для вас понятие «Космология».

Прием «Семантическое исследование» слова «Космология». Попробуйте объяснить, что мы будем понимать под указанным термином. (Космос — с греческого «вселенная». Логос — на том же древнем языке означает: «понятие, учение или наука»). (Слайд 2).

Ученики высказывают свою точку зрения и дают определение: Космология — раздел астрономии, изучающий строение и развитие Вселенной в целом. (Слайд 3).

Учитель предлагает учащимся сформулировать тему урока, затем записывает ее на доске (Слайде 4).

Учитель предлагает классу вопросы для обсуждения:

1. Каковы особенности космологии как науки? (Работа в парах. Ученики отвечают, затем сравнивают свою точку зрения с информацией на Слайде 5).

Предмет космологии - вся Вселенная, рассматриваемая как единое целое.

Вселенная - самый большой по масштабу объект науки. Он существует в природе в единственном экземпляре.

Вселенную можно только наблюдать, экспериментировать с нею невозможно.

Никаких других вселенных нам не дано, и сравнивать нашу Вселенную не с чем.

Опираясь на законы физики, математики, астрономии и философии космология создаёт модель о структуре и эволюции Вселенной.

2. Какие космологические теории вы знаете? (Ученики отвечают, Слайды 6 -10).

 

II. Актуализация знаний.

а) Учитель (Слайд 11): выберите правильные ответы к приведенным вопросам:

Размер Вселенной….

а) бесконечная; б) 14 млрд. световых лет; в) размер неизвестен.

Каков возраст Вселенной?

а) вечно; б) 13,7 млрд. лет; в) 20 млрд. лет.

Какова температура Вселенной?

а) 0 0С; б) 3К; в) нет температуры.

Учащиеся дают ответы на вопросы или затрудняются ответить на вопрос

б) Учитель: (Работа в группах) Оцените, используя закон Хаббла

Группа 1. Максимальный радиус Метагалактики?

 

Группа 2. Возраст Вселенной?

(расчет по форм уле

 

После обсуждения с учениками выполняются на доске расчеты

III. Выявление места и причины затруднения

Учитель (Слайд 12): Как и всякая наука, космология не стоит на месте - она развивается. Трудности в создании современной космологической теории.

В течение XIX в. обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в форме трех парадоксов, названных космологическими. Они, казалось, подрывали представление о бесконечности Вселенной.

а) Вопрос классу: Почему ночное небо кажется нам черным?

Фотометрический парадокс или парадокс Ольберса. Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким, как Солнце.

б) Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть, бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.

в) Термодинамический парадокс. Все тела во Вселенной стремятся к тепловому равновесию. Если Вселенная существует бесконечно долго, то почему же тепловое равновесие в природе до сих пор не наступило, а тепловые процессы продолжаются до сих пор?

Проблемная ситуация: Как разрешить эти парадоксы? Каков выход из тупика?

IV. Построение проекта выхода из затруднительного положения.

Учитель: (Слайд 17-19) Современная космологическая теория

1. Современная космология возникла в прошлом столетии, датой возникновения считается 1915 - 16 г. г., когда Альберт Эйнштейн создаёт общую теорию относительности – релятивистская теория тяготения.

2. В 1922 году советский математик Александр Фридман (рассказ о Фридмане), анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, предлагает модель Вселенной:

Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна либо расширяться, либо пульсировать;

Фридман показал, что решения уравнений общей теории относительности для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. 1 — это замкнутая Вселенная, 2 — открытая Вселенная, и 3 — плоская Вселенная;

предсказал три сценария изменения расстояния между объектами во Вселенной.

3. Хаббл пришёл к выводу, что красное смещение обусловлено эффектом Доплера и является следствием взаимного удаления галактик, чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются. Данное открытие совершило настоящий переворот в космологии. Стало ясно, что Вселенная не статична, а движется в направлении расширения. А это, в свою очередь свидетельствовало в пользу того, что она имела начало и когда-то была сконцентрирована (сжата) в одной области, или точке.

Учитель: Проблемный вопрос: Каковы возможные сценарии развития Вселенной? Ученики высказывают свою точку зрения и знакомятся возможными вариантами по Слайду 20.

Учитель: От чего зависит характер будущего расширения Вселенной?

Ученики затрудняются ответить.

Учитель (Слайд 21): Чтобы определить характер будущего расширения Вселенной необходимо сравнить критическое значение плотности вещества Вселенной с ее средней плотностью.

а) Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер движения и геометрия Вселенной определяется по формуле: G – гравитационная постоянная, Н=75км/сМпк - постоянная Хаббла.

Учащиеся рассчитывают кр = 10-26 кг/м3

б) (Слайд 22) Как рассчитать среднюю плотность вещества нашей Вселенной? (обсуждение и вычисление средней плотности Вселенной).

Обсуждение с учащимися:

Количество наблюдаемых галактик около N=100 млрд.,

в каждой галактике примерно n=1011 звезд,

масса звезд будем считать в среднем равной массе Солнца M1030 кг

M = NnM - масса Вселенной в объеме

 

Учитель предлагает учащимся прочитать по учебнику стр. 129, абзац «Если средняя плотность вещества во Вселенной….), представить информацию в виде таблицы, идет обсуждение.

V. Закрепление материала.

(Слайд 23-26) Выберите верные ответы:

1. С помощью постоянной Хаббла можно определить следующий параметр Вселенной:

радиус;

массу;

светимость;

среднюю температуру;

возраст.

2. Скорости разбегания галактик…

пропорциональны их возрасту;

пропорциональны расстоянию от наблюдателя;

пропорциональны расстоянию от центра Вселенной;

обратно пропорциональны расстоянию от центра Вселенной;

не подчиняются никакой закономерности.

3. Сопоставьте возможные сценарии эволюции Вселенной и ее среднюю плотность в настоящий момент.

4. Какие из перечисленных систем не участвуют в космологическом расширении Вселенной (т.е. не меняют из-за этого своих размеров). А) наша галактика; Б) скопление галактик в Деве; в) Вселенная; г) Солнечная система; Д) местная группа галактик.

VI. Рефлексия:

«Три М».

Учащимся предлагается назвать три момента, которые их удивили сегодня на уроке и один вопрос, на который они хотели бы получить ответ.

VII. Домашнее задание.

§§ 34, 35. Используя материал §35 подготовить сообщение «Расширение Вселенной и теория тяготения Ньютона».

Литература:

Астрономия 10-11 класс : учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / В.М. Чаругин; под ред. В.М. Чаругина: Просвещение, 2017.;

Википедия http://ru.wikipedia.org

Галузо И.В., Голубев В.А., Шимбалев А.А. Астрономия, практические работы и тематические задания, 11 класс, 2013

Штерн Б. Е. Прорыв за край мира. Москва, Троицк, 2014 г.