урок по физике для 11 класса на тему: 'Небесная сфера и координаты на ней'

Небесная сфера и координаты на ней

(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: определить основные круги, линии и точки небесной сферы, описать горизонтальную и экваториальную системы координат, обосновать их необходимость для описания движения небесных и космических объектов.

Образовательные задачи урока:

1. Сформировать умения учащихся находить и определять основные плоскости, линии, точки небесной сферы;

2. Сформировать умения учащихся определять горизонтальные координаты космических, небесных объектов, основных точек небесной сферы;

3. Сформировать умения учащихся по картам звездного атласа определять экваториальные координаты звезд.

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. Основные круги, линии и точки небесной сферы.

2. Система небесных координат.

Содержание лекции

1. Основные круги, линии и точки небесной сферы

Способность наших глаз видеть окружающий мир стереоскопически на расстоянии несколько километров уменьшается. Сильно удаленные друг от друга светила, кажутся наблюдателю равноудаленными от него. В нашем восприятии небо - гигантская сфера.

Небесная сфера - воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в глазу у наблюдателя, на которую проецируются все космические объекты так, как их видит наблюдатель.

Понятие небесной сферы используется для описания движения небесных светил, космических аппаратов.

Созвездие - участок небесной сферы в строго определенных границах. Существующие границы и названия созвездий утверждены в 1922г. на I съезде Международного астрономического союза, созданного в 1919г.

Первые упоминания о созвездиях соотносятся с месопотамской цивилизацией. Подтверждение этому базируется на находке в Месопотамии нескольких табличек (возраст табличек с названием созвездий датируется примерно II тысячелетием до н.э.). Всего небо разделено на 88 созвездий, из которых 48 ввел Птолимей во II веке н.э. В большинстве случаев это экваториальные и северные созвездия.

Южное небо было «заселено» позже, в эпоху великих географических открытий начиная с XVI века. Французский аббат Никола Луи де Лакайль ввел 14 созвездий в XVIII веке, среди которых Печь, Живописец, Скульптор, Насос, Микроскоп, Телескоп.

На небесных картах границы созвездий указывают пунктирными линиями, а звезды в каждом из созвездий в зависимости яркости обозначают греческими и латинскими буквами. Самые яркие звезды имеют собственные имена.

Основные плоскости, линии, точки небесной сферы представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Основные точки и линии небесной сферы

Отвесная линия - линия, проходящая через глаз наблюдателя по которой направлена сила тяжести.

Зенит и надир. Отвесная линия пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках: в зените Z, над головой наблюдателя, и в диаметрально противоположной точке - надире Z'.

Математическим или истинным горизонтом называется большой круг небесной сферы (SWNE), плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии.

Физический (видимый) горизонт - линия, по которой «небо сходится с Землей». Физический горизонт представляет собой малый круг, радиус которого зависит от высоты расположения наблюдателя над поверхностью Земли.

Альмукантарат светила - малый круг небесной сферы, проходящий через светило М и плоскость которого параллельна плоскости математического горизонта.

Ось мира - диаметр небесной сферы, вокруг которого происходит ее вращение. Ось мира параллельна земной оси.

Северный и южный полюса мира - это точки пересечения оси мира с небесной сферой. Северный полюс мира (Р) находится в созвездии Малой Медведицы, в 0,51° от звезды α Малой Медведицы. Южный полюс мира (Р') находится в созвездии Октанта.

Небесный экватор - большой круг небесной сферы (QQ'), плоскость которого перпендикулярна к оси мира.

Теорема о высоте полюса мира. Угол наклона оси мира к плоскости математического горизонта (высота полюса мира) равен углу географической широты местности.

Докажите теорему о высоте полюса мира, используя рисунок 4.

Рисунок 4. Соотношения между линиями и плоскостями на небесной сфере и земном шаре

Небесная или суточная параллель светила М - малый круг небесной сферы (вМв), плоскость которого параллельна плоскости небесного экватора.

Опираясь на рисунки 3 и 5, заполните пропуски в ниже приведенных определениях.

Круг склонения светила М или часовой круг - большой полукруг небесной сферы РМР', проходящий через …………… .

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы PZQP'Z'Q', плоскость которого проходит через…………………….

Полуденная линия - линия пересечения …………………………… .

Полуденная линия пересекается с небесной сферой в двух точках: севера (N) и юга (S).

Точка востока (Е) и точка запада (W) - точки пересечения ………….. …………………………………………………………………………………… .

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. 5). Вследствие этого угол ε между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора равен 23°26'.

Рисунок 5. Эклиптика и небесный экватор

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.

На рисунке 3 проведите суточные пути: а) для звезд, которые можно наблюдать в зените; б) для звезд, которые в течение суток бывают только в одной точке горизонта.

2. Система небесных координат

Горизонтальная система координат используется для непосредственных определений видимых положений светил с помощью угломерных инструментов, а так же для их быстрого нахождения в данный момент времени на небесной сфере.

Рисунок 6. Горизонтальная система небесных координат

В горизонтальной системе координат основной плоскостью является плоскость математического горизонта, отсчет ведется от зенита (z) или математического горизонта, и от точки юга (s).

К горизонтальным координатам относят (см. рис. 6):

1. h - высота светила над горизонтом (0°<h<90° и -90°<h<0°) ; z - зенитное расстояние светила z = 90° - h;

2. А - азимут светила, отсчитывается к западу от точки юга (0⁰<A<360⁰).

Вследствие вращения небесной сферы горизонтальные координаты непрерывно меняются, поэтому вместе с горизонтальными координатами светила необходимо указывать время их определения,

Экваториальные системы координат определяют положение светила на небесной сфере. Первая экваториальная система координат применяется для определения времени, вторая - для составления звездных карт и каталогов. Основной плоскостью является плоскость небесного экватора, отсчет ведется от полюса мира (Р) или плоскости небесного экватора, и от одной из 'точек небесного экватора: в 1-ой системе - от точки Q, во 2-ой системе - от точки весеннего равноденствия (см. рис. 7).

Рисунок 7. Экваториальные системы координат

К координатам 1-ой экваториальной системы относят:

1. δ - склонение светила (угол между плоскостью небесного экватора и светилом);

2. t - часовой угол (угол между плоскостью небесного меридиана и направлением на светило) отсчитывается в сторону суточного вращения неба, выражается в градусах или часах и минутах.

К координатам 2-ой экваториальной системы относят:

1. δ - склонение светила;

2. α - прямое восхождение (угол между точкой весеннего равноденствия и направлением на светило) отсчитывается против часовой стрелки и выражается в часах и минутах, градусах.

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

Вопросы для обсуждения

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?

Задания для самостоятельной домашней работы (работа рассчитана на 8 вариантов).

1. По картам звездного атласа определить экваториальные координаты:

1) Альдебарана и Фомальгаута; 2) Альтаира и Проциона; 3) Веги и Ригеля; 4) Арктура и Сириуса; 5) Кастора и Антареса; 6) Регула и Алголя; 7) Денеба и Поллукса; 8) Капеллы и Спики.

2. По картам и спискам объектов звездного атласа определить названия, принадлежность к созвездиям, основные характеристики и уточненные экваториальные координаты небесных объектов, приближенные экваториальные координаты которых равны:

1)=2^ч14^м, =+57⁰; =18^ч00^м, =-23⁰;

2)=17^ч50^м, =-35⁰; =1^ч30^м, =+30⁰;

3)=6^ч30^м, =+5⁰; =18^ч20^м, =-16⁰;

4)=17^ч35^м, =-32⁰; =0^ч40^м, =+41⁰;

5)=5^ч25^м, =+36⁰; =18^ч00^м, =-24⁰;

6)=16^ч49^м, =+37⁰; =5^ч30^м, =-5⁰;

7)=21^ч30^м, =+48⁰; =10^ч20^м, =-18⁰;

8)=18^ч50^м, =-6⁰; =1^ч35^м, =+16⁰;

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.