Урок по физике для 11 класса: 'Движение Солнца среди звезд'

Движение Солнца среди звезд

(урок - лекция)

Этот урок для учащихся XI классов занимающихся по учебнику Г.Я. Мякишева, Б.Б. Буховцева «Физика. 11 класс» (профильные классы)

Образовательная цель урока: изучить движение Солнца относительно далеких звезд.

Образовательные задачи урока:

1. Определить основные виды небесного движения Солнца и соотнести их с такими явлениями, как изменение продолжительности дня и ночи, смена сезонов года, наличие климатических поясов;

2. Сформировать умения учащихся находить и определять основные плоскости, линии, точки небесной сферы, связанные с движением Солнца;

3. Сформировать умения учащихся определять горизонтальные координаты Солнца;

Общие замечания

Информация в лекции подается в сжатой форме, поэтому короткая фраза может потребовать длительных размышлений. Развитие потребности в размышлении, а, следовательно, и в понимании содержания той или иной темы учащимися, соотносится с выполнением заданий:

• заполни пропуски (ученики вместо значка «…», используя материал лекции, должны записать выражение, используя язык символов, предложить определение понятия, восполнить пропущенные рассуждения и т.д.);

• сформулируй ответ на вопросы, решение которых базируется на определенном теоретическом материале темы (вопросы отмечены значком);

• заполни таблицу (схему);

• ответь на вопросы репродуктивного характера после каждой темы.

Практические советы при работе с информацией:

• получив новую информацию, продумайте ее и четко сформулируйте ответ на вопрос: «О чем она и для чего ее Вам сообщили?»;

• приобретайте привычку самому задавать вопрос «почему?» и самостоятельно находить на его пути ответа, размышляя, беседуя с товарищами, преподавателем;

• проверяя формулу, решая задачу и т.д., выполняйте математические операции постепенно, записывая все промежуточные выкладки;

• встретив ссылку на ранее пройденный материал, восстановите в памяти то, что необходимо для понимания изучаемого в данный момент материала.

Основные вопросы лекции

1. Эклиптика. Эклиптическая система координат.

2. Движение небесных светил.

3. Движение Солнца среди звезд.

Содержание лекции

1. Эклиптика. Эклиптическая система координат.

Эклиптика - большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Направление этого движения (около 1 в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли. Слово «эклиптика» происходит от греческого слова «эклипсис» - затмение.

Ось вращения Земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный примерно 66°34' (см. рис. 1). Вследствие этого угол ε между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора равен 23°26'.

Рисунок 1. Эклиптика и небесный экватор

Опираясь на рисунок 1, заполните пропуски в ниже приведенных определениях.

Ось эклиптики (ПП') - ………………

………………………………………….. .

Северный полюс эклиптики (П) - ……………………………………………. .

Южный полюс эклиптики (П') - ………………………………………………………………………….. .

Эклиптика проходит через 13 созвездий. Змееносец не относится к зодиакальным созвездиям.

Точками весеннего (γ) и осеннего (Ω) равноденствий называют точки пересечения эклиптики и небесного экватора. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени - в созвездии Овна). Дата весеннего равноденствия - 20 (21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени - в созвездии Весов). Дата осеннего равноденствия - 22 (23) сентября.

Точка летнего солнцестояния и точка зимнего солнцестояния - точки, отстоящие на 90°от точек равноденствия. Точка летнего солнцестояния лежит в северном полушарии, приходится на 22 июня. Точка зимнего солнцестояния лежит в южном полушарии и приходится на 22 декабря.

Эклиптическая система координат.

Рисунок 2. Эклиптическая система координат

В качестве основной плоскости эклиптической системы координат (рис. 2) выбирают плоскость эклиптики. К эклиптическим координатам относят:

1. β - эклиптическая широта светила, отсчитывается от эклиптики в сторону полюса эклиптики П или ;

2. λ - эклиптическая долгота светила, которая отсчитывается от точки весеннего равноденствия в сторону годичного движения Солнца.

Широта и долгота звезды не меняются в результате суточного движения небесной сферы. Эклиптическая система координат используется, в основном, при изучении движения планет. Это удобно потому, что планеты движутся относительно звезд приблизительно в плоскости эклиптики. Вследствие малости β формулы, содержащие cos β и sin β, могут быть упрощены.

Соотношение между градусами, часами и минутами следующее: 360=24, 15=1, 1=4.

2. Движение небесных светил

Суточное движение светил. Суточные пути светил на небесной сфере - окружности, плоскости которых параллельны небесному экватору. Данные окружности называются небесными параллелями. Суточное движение светил является следствием вращения Земли вокруг своей оси. Видимость светил зависит от их небесных координат, положения наблюдателя на поверхности Земли (см. рис. 3).

Рисунок 3. Суточные пути светил относительно горизонта, для наблюдателя находящегося: а - в средних географических широтах; б - на экваторе; в - на полюсе Земли.

1. Сформулируйте теорему о высоте полюса мира.

2. Опишите, как вы можете объяснить свойства суточного движения светил, вследствие обращения Земли вокруг своей оси на различных широтах?

3. Как изменяется при суточном движении светила его: а) высота; б) прямое восхождение; в) склонение?

4. Меняется ли в течение суток высота, прямое восхождение и склонение основных точек небесной сферы: Z, Z׳, P, P׳, N, S, E, W?

3. Движение Солнца среди звезд.

Кульминация - явление пересечения светилом небесного меридиана. В верхней кульминации светило имеет наибольшую высоту. Азимут светила в верхней кульминации равен ……. А в нижней - наименьшую. Азимут светила в нижней кульминации равен …... Момент верхней кульминации центра Солнца называется истинным полуднем, а нижней - истинной полночью.

Высота светила (h) или зенитное расстояние (z) в момент кульминаций зависит от склонения светила (δ) и широты места наблюдения (φ)

Рисунок 4. Проекция небесной сферы на плоскость небесного меридиана

В таблице 3 приведены формулы для определения высоты светила в верхней и нижней кульминации. Вид выражения для высоты светила в кульминации определяется с опорой на рисунок 4.

Таблица 3

Высота светила в кульминации

№

Склонение светила

Высота светила в верхней кульминации

Высота светила в нижней кульминации

1

δ < φ

h=90˚-φ+δ

h=90˚-φ-δ

2

δ = φ

h=90 ˚

h=0˚

3

δ > φ

h=90˚+φ-δ

h= φ+δ-90˚

Имеется три категории светил, для мест на земле, для которых 0<φ<90˚:

1. незаходящие, у которых h>0˚;

2. восходящие и заходящие;

3. невосходящие, у которых h<0˚.

Если склонение светила δ < -(90˚- φ), то оно будет невосходящим. Если склонение светила δ >(90˚- φ), оно будет незаходящим.

Определите категории светил, используя рисунок 10, для мест на Земле, удовлетворяющих условию: а) φ=0; б) φ=90˚ .

Условия видимости Солнца и смена времен года зависит от положения наблюдателя на поверхности Земли и от положения Земли на орбите.

Годичное движение Солнца - явление движения Солнца относительно звезд в сторону, обратную суточному вращению небесной сферы. Данное явление - следствие движения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите в направлении вращения Земли вокруг ее оси, т.е. против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса на южный (см. рис. 5).

Рисунок 5. Наклон оси вращения Земли и времена года

Рисунок 6. Схема положений Земли при летнем и зимнем солнцестоянии

При годичном движении Солнца происходят следующие явления: изменение полуденной высоты, положения точек восхода и захода Солнца, продолжительности дня и ночи, вида звездного неба в один и тот же час после захода Солнца.

Обращение Земли вокруг Солнца, а так же то, что ось суточного вращения Земли всегда параллельна самой себе в любой точке земной орбиты - главные причины смены времен года. Данные факторы определяют различный наклон солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и разную степень освещенности полушария, на которое оно светит (см. рис. 5, 6). Чем выше Солнце над горизонтом, тем сильнее его способность нагревать земную поверхность. В свою очередь, изменение расстояния от Земли до Солнца в течение года не влияет на смену времен года: Земля, пробегая свою эллиптическую орбиту, находится в наиболее близкой точке в январе, а в наиболее удаленной - в июле.

Используя материал лекции, заполните таблицу 4.

Таблица 4

Суточное движение Солнца в разные времена года на средних широтах

Положение на эклиптике

Склонение

Полуденная высота

Минимальная высота

Точка восхода

Точка захода

Продолжительность дня

20(21) .03

22.06

22(23).09

22.12

Астрономические признаки тепловых поясов:

1. в холодных поясах (от φ=66˚34' до φ=90˚) Солнце может быть незаходящим и невосходящим светилом. Полярный день и полярная ночь могут длиться от 24 часов до полугода. Полярная ночь длится полгода на широте φ=90˚, если склонение Солнца имеет значение от ….. до….. Солнце не заходит в день летнего солнцестояния и не восходит в день зимнего солнцестояния на широте φ=….. (в остальные дни Солнце на этой широте восходит и заходит);

2. в умеренных поясах (от φ=23˚26' до φ=66˚34') Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените. Продолжительность дня и ночи короче 24 часов;

3. в жарком поясе (от φ=+23˚26' до φ=-23˚26') Солнце всегда восходящее и заходящее светило. На северном тропике (φ=+23˚26') Солнце в день летнего солнцестояния в полдень достигает высоты h=…. . Солнце имеет минимальную полуденную высоту h=+43˚08' в день …………… . На южном тропике (φ=-23˚26') Солнце достигает максимальную высоту в полдень в день ………………….., а минимальную в день …………………. . Солнце в местах лежащих между тропиками, бывает в зените (h=….) два раза в году, в те дни, когда его склонение равно географической шир

1. Как изменятся границы тепловых поясов, если угол наклона оси вращения Земли к плоскости земной орбиты уменьшится? станет равным 90˚?

2. При каком угле наклона оси вращения Земли к плоскости ее орбиты не будет умеренных поясов?

Изменение вида звездного неба. Каждой последующей ночью по сравнению с предыдущей звезды предстают перед нами немного сдвинутыми к западу. От вечера к вечеру одна и та же звезда восходит на 4 минуты раньше. Через год вид звездного неба повторяется.

Если некая звезда находится в точке зенита в 9 часов вечера 1 сентября, в какое время она будет в зените 1 марта? Сможете ли Вы ее видеть? Ответ обоснуйте.

Прецессия - конусообразное вращение земной оси с периодом 26000 лет под действием сил тяготения со стороны Солнца и Луны. Прецессионное движение Земли заставляет северный и южный полюсы мира описывать на небе окружности: ось мира описывает вокруг оси эклиптики конус, радиусом около 23˚26', оставаясь, все время наклоненной к плоскости движения Земли под углом около 66˚34' по часовой стрелке для наблюдателя северного полушария (рис. 7).

Прецессия меняет положение небесных полюсов. 2700 лет назад вблизи Северного полюса мира находилась звезда α Дракона, названная китайскими астрономами Царственной звездой. В настоящее время Полярной звездой является α Малой Медведицы. К 10000 году Северный полюс мира сблизится со звездой Денеб (α Лебедя). В 13600 году полярной звездой станет Вега (α Лиры).

Рисунок 7. Прецессионное движение земной оси

В результате прецессии точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний медленно перемещаются по зодиакальным созвездиям. 5000 лет назад точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца, затем переместилась в созвездие Овна, а сейчас находится в созвездии Рыб (см. рис. 8). Это смещение составляет = 50",2 в год.

Рисунок 8. Прецессия и нутация на небесной сфере

Притяжение планет слишком мало, чтобы вызвать изменения в положении оси вращения Земли, но оно действует на движение Земли вокруг Солнца, изменяя положение в пространстве плоскости земной орбиты, т.е. плоскости эклиптики: наклонение эклиптики к экватору периодически меняется, которое в настоящее время уменьшается на 0",47 в год. Изменение положения плоскости эклиптики вносит изменение, во-первых, в значение скорости перемещения точек равноденствий в результате прецессионного движения (v= 50",2 * cos ε), во-вторых, кривые, описываемыми полюсами мира, не замыкаются (рис.9).

Рисунок 9. Прецессионное движение северного полюса мира. Точками в центре показаны положения полюса мира

Нутация земной оси - мелкие различные колебания оси вращения Земли около своего среднего положения. Нутационные колебания возникают потому, что прецессионные силы Солнца и Луны непрерывно меняют свою величину и направление; они равны нулю, когда Солнце и Луна находятся в плоскости экватора Земли и достигают максимума при наибольшем удалении от него этих светил.

В результате прецессии и нутации земной оси полюсы мира в действительности описывают на небе сложные волнистые линии (см. рис. 8).

Следует отметить, что эффекты прецессии и нутации порождаются внешними силами, которые изменяют ориентировку оси вращения Земли в пространстве. Тело же Земля остается в этом случае, так сказать, фиксированным по отношению к меняющейся оси. Поэтому флаг, установленный сегодня па Северном полюсе, будет и через 13 000 лет отмечать Северный полюс, и широта а пункта останется равной 90°. Так как ни прецессия ни нутация не приводят к каким-либо изменениям широты на Земле, эти явлении не вызывают и климатических изменений. Однако они все же создают сдвиг времен года относительно некоторого идеального календаря.

Что Вы можете сказать об изменениях эклиптической долготы, эклиптической широты, прямого восхождения и склонения всех звезд, в результате прецессионного движения земной оси?

Задания для самостоятельной домашней работы

1. Назовите основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

2. Где восходят и заходят небесные светила для наблюдателя, находящегося в северном (южном) полушарии Земли?

3. Как строятся системы астрономических координат?

4. Что называется высотой и азимутом светила?

5. Как называются экваториальные и эклиптические координаты?

6. Как связаны прямое восхождение и часовой угол?

7. Как связаны склонение и высота светила в момент верхней кульминации?

8. Что такое прецессия и нутация?

9. Почему звезды всегда восходят и заходят в одних и тех же точках горизонта, а Солнце и Луна - нет?

10. Как связано видимое движение Солнца по небесной сфере с движением Земли вокруг Солнца?

11. Что такое эклиптика?

12. Какие точки называются равноденственными и почему?

13. Что такое солнцестояние?

14. Под каким углом наклонена эклиптика к горизонту и почему меняется этот угол в течение суток?

15. В каком случае эклиптика может совпасть с горизонтом?

16. Нанести ручкой на окружности, изображающей модель небесной сферы точки, в которых находится Солнце:

а) 21 марта (день весеннего равноденствия),

б) 22 июня (день летнего солнцестояния),

в) 23 сентября (день весеннего равноденствия),

г) 22 декабря (день зимнего солнцестояния).

По нанесенным точкам наметить положение эклиптики. Укажите на эклиптике (приближенно) положение Солнца 21 апреля, 23 октября и в день вашего рождения. Найти перечисленные в предшествующих пунктах точки на модели небесной сферы.

Литература

1. Левитан, Е.П. Методика преподавания астрономии в средней школе / Е.П. Левитан. - М.: Просвещение, 1965. - 227 с.

2. Малахов А.А. Физика и астрономия (компетентностный подход) : учеб.-метод. пособие / А.А. Малахов ; Шадр. гос. пед. ин-т. - Шадринск : Шадр. Дом Печати, 2010. - 163 с.

3. Майоров, В.Ф. Как узнать, что Земля вращается? / В.Ф. Майоров // Физика. - 2010. - № 2. - С. 45-47.

4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н. Н.Физика: Учеб. Для 10 кл. общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 2010.

5. Пинский А.А., Разумовский В.Г., Бугаев А.И. и др. Физика и астрономия: Учеб для 9 кл. общеобразоват. Учреждений / Под ред. А.А. Пинского, В.Г. Разумовского.- М.: Просвещение, 2001. - С. 202-212

6. Рандзини, Д. Космос / Д. Рандзини; Пер. с итал. Н. Лебедевой. - М.: ООО «Издательство Астрель», 2004. - 320 с.