Солнце – монетка, - скупой проворчал.
Нет, сковородка! – обжора вскричал.
Нет, каравай, - хлебопек произнес.
Компас, - сказал убежденно матрос.
Солнце – звезда, - астроном объявил.
Доброе сердце – мечтатель решил.
 

Урок 3/20

 презентация

Тема: Источники энергии и внутреннее строение Солнца.

Цель: Рассмотреть источник энергии Солнца, термоядерные реакции (протон протонный цикл) и внутреннее строение звезд.

Задачи:
1. Обучающая: Ввести понятия: Солнце как раскаленный плазменный шар, термоядерной реакции, дефекта массы, протон-протонного цикла. Рассмотреть возможность расчета параметров внутреннего строения Солнца с помощью элементарных физико-математических понятий. Дать представление о гелиосейсмологии.
2. Воспитывающая: Содействовать формированию идеи о причинно-следственных связях в природе (на примере рассмотрения цепочки явлений – от превращения в недрах Солнца ядер атомов водорода в ядра атомов гелия до освещения и обогревания Земли светом и теплом Солнца). Подчеркнуть, что Солнце будет еще миллиарды лет обладать такой же светимостью, как сейчас. На примере раскрытия загадки источников солнечной энергии продемонстрировать познаваемость мира и его закономерностей. Подчеркнуть огромное практическое значение для научно-технического прогресса открытия гелия на Солнце и термоядерного источника энергии Солнца.
3. Развивающая:  Выделить главное в теме урока: в отличие от планет и их спутников, астероидов и комет Солнце представляет собой самосветящееся небесное тело, излучающее свет и тепло, заинтересовать учащихся соответствующими проблемными ситуациями. На примере источников энергии Солнца продемонстрировать неразрывную связь явлений микро- и макромира.

 Знать:
I-й уровень (стандарт) - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение.
II-й уровень - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.
Уметь:
I-й уровень (стандарт)- производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна.
II-й уровень- производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна, примерных параметров давления и температуры с глубиной.

Оборудование: Таблицы: Солнце, строение Солнца. Схема термоядерной реакции. CD- "Red Shift 5.1". ПКЗН. графика из ЦОР (ниже) иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение. иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.

Межпредметные связи: физика (термоядерные реакции, элементарные частицы, дефект массы, роль гелия в атомной физике, ионизация атомов и др.), химия (элементы периодической системы Менделеева – водород и гелий, а.е.м.),  математика (вычисления, необходимые для решения задач).

Ход урока:

I Опрос учащихся.

У доски:	1. Хромосфера. 2. Фотосфера 3. Солнечная корона и активностью. 4. Задача №3 (стр. 118, можно увидеть невооруженным глазом объект Ø=45 тыс.км, но пятно размером в Землю видно не будет.)
Остальные:	Диктант: Что можно увидеть в телескоп на Солнце? [пятна, факелы, протуберанцы]. Каково направление вращения Солнца? [в сторону движения планет]. Чему равен солнечный параллакс?[8,794″=8,8″]. Во сколько раз Солнце больше Земли?[в 109 раз]. Какова эффективная температура Солнца? [5800К]. Почему солнечное пятно темнее фотосферы? [ниже температура]. Какой слой атмосферы мы видим на Солнце? [фотосфера]. Во сколько раз нужно увеличить размер Солнца, чтобы светимость увеличилась в 2 раза? [4 раза]. Каков период солнечной активности? [11 лет]. Яркие гигантские выступы и арки (выбросы вещества на Солнце в хромосферу)-[протуберанцы]. Причина появления гранул на Солнце. [конвенция]. Угловой размер (видимый диаметр) Солнца [≈30/=0,50]. В каком физическом состоянии вещество на Солнце? [плазменное]. Идеальный излучатель - поглотитель энергий [черное тело]. Причина появления пятен? [концентрация магнитного поля].
Задача:	Какова мощность излучения, приходящаяся на 1 кг солнечного вещества. (N=L/M = 3,876.1026 / 2.1030  ≈1,94.10-4 Вт)

II Новый материал

1. Источник энергии Солнца.
Излучает L?=3,876^.10²⁶ Дж/с –огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение.

  В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия. (Ноб. лауреат).

   Внутри Солнца (звезд) Н ионизирован - т.е. в виде ядер протона ¹₁ Н. Двигаясь с очень большими скоростями (при Т>10 млн.К) протоны несколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций такого типа:  протон-протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл:
¹Н+¹Н→²D+е⁺+ν    (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв).
2D+¹H>³He+γ   (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв).
3Не+³Не→⁴Не+¹Н+¹Н   (гелий+протон+протон+12,8Мэв)  и все снова, т.е. внутри Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий (из 4 ядер ¹Н образуется ядро ⁴Не).
При этом выделяется огромная энергия. Например рассчитаем выделение энергии при "сгорании" 1гр водорода.

Е=?mc2	Формула Эйнштейна	,00728 а.е.м- масса протона; 1,00866 а.е.м - масса нейтрона1
?m=(mр.Z+mh.N)-mядра	дефект массы	4,0026 а.е.м - масса ядра гелия, 1 а.е.м = 1,6605655·10-27 кг
N=ν.NА=(m/M).NА	число молекул	NА= 6,022045.1023 моль-1- число Авогадро
N=(m/M).NА=(10-3/4.10-3).6,022045 .1023≈1,5.1023
Е1 =?mc2=[((2.1,0087+2.1,0073) - 4,0026).1,6605655·10-27].(3.108 м/с)2≈0,44.10-11 Дж
Е=1,5.1023.0,44.10-11=6,6.1012 Дж.

   Т.к. М_?=2^.10³⁰ кг, то Н гореть еще 150 млрд.лет, но горит в центре только 0,1М_?, следовательно еще гореть Солнцу примерно  5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4 млн.т. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов.

    Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца. Нейтринные телескопы имеются в шахте Хоумстейк (штат Южная Дакота, США), в Японии (система "Камиоканде"), на Байкале и другие. В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory) были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.

2. Внутреннее строение Солнца.

 Конвективная зона - происходит перемешивание вещества. нагретые слои поднимаются к фотосфере и остыв, уступают место нижним более нагретым.
  Зона излучения (Зона лучистого переноса) – (от 0,3R до 0,7R) здесь происходит процесс переноса энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем многократного поглощения и последующего ее переизлучения с постепенным увеличением длины волны и понижения температуры. Образовавшиеся в процессе ядерного синтеза фотоны с высокой энергией сталкиваются с электронами и ионами, порождая повторное световое и тепловое излучение. Лучистый теплообмен – передача тепла между нагретыми телами, обусловленная процессом испускания, переноса, отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии. Промежуток времени, за который энергия, произведённая в ядре, достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет 170 тысяч лет.

   Ядро - Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150 000 километров, в которой идут термоядерные реакции. Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды и в ~6,6 раз выше плотности самого плотного металла на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 миллионов градусов. Анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2×10²⁷ тонн. В общепринятой теоретической модели Солнца (так называемой "Стандартной модели") предполагается, что подавляющая часть энергии вырабатывается реакциями прямого синтеза водорода c образованием гелия, и только лишь 1,5% - реакциями так называемого цикла CNO, в котором в процессе реакции углерод циклически превращается сначала в азот и кислород, после чего реакция снова приводит к образованию углерода.
   Гелиосейсмология – наука изучающая колебания Солнца. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны подобие звуковых в воздухе: распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами волны 103 - 104 км. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут (лежат в диапазоне примерно от 3 до 10 мин). Амплитуда колебаний от 100 – 200 м/сек до 1 – 2 км/сек в хромосфере. Впервые обнаружили колебания Р. Лейтон, Р. Нойс и Дж. Саймон в 1960-х годах.
   В солнечных пятнах колебания период колебаний составляет 2 – 3 минуты. Это так же резонансные колебания, а резонатором является хромосферные колебания над пятнами.
   Все перечисленные резонансные колебания в солнечной атмосфере могут возбуждаться волновыми силами из конвективной зоны. В тех случаях, когда единый волновой процесс охватывает все Солнце, говорят о пульсации Солнца как звезды. Были открыты колебания с периодом 2ч40мин с амплитудами в 20 км (около 10-30% от диаметра Солнца) едва уловимые для самой чувствительной аппаратуры. Наблюдаются так же пульсации с периодом в 20 – 40 минут. Точные измерения продолжительности солнечных затмений, а также прохождения Меркурия и Венеры по диску Солнца показали, что в XVII веке диаметр Солнца превышал нынешний примерно на 2000 км ,то есть на 0,1%.

Т=Т (r) p=p (r) ρ=ρ (r)

функции от глубина. Приближенные расчеты можно выполнить с помощью обычных формул, выделив условно внутри Солнца столбик площадью S и h=R   F=mg=ρVg=ρSRg. Из закона Всемирного тяготения g=GM/R2. Тогда вес столба P=ρSGM/R. Отсюда давление p=F/S=ρGM/R. Применяя уравнение Менделеева-Клапейрона (pV=(m/μ)RT) можно вычислить один из параметров: давление, среднюю плотность, температуру если известны другие. Если считать среднюю плотность для средины (R/2), то получим давление p=4ρGM/R.

3. Закрепление материала
1. Задача:  На сколько худеет Солнце за 1 минуту? (Е=?mc²=Lt, ?m= Lt/c²=3,876^.10^{26 .}60/(3^.10⁸)²≈2,6^.10¹²кг)
2. Задача: Какая энергия поступает в оз. Песчаное, имеющее площадь 1,2 кв.км, в течение 1 минуты в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 45^о, а через атмосферу проходит 80% солнечной энергии? Когда Солнце на этой высоте? (из E=e₁^.S^.t и e₁=0,8^. q^.sin a получим Е=55,2 млрд. Дж. Из формулы h=90-φ+δ, учитывая что φ=54^о, получим δ =9^о, по ПКЗН это октябрь или апрель).
3. Задача: Сравните количество энергии, которое выделяется при вспышке, с количеством энергии, выделяющимся при взрыве мегатонной бомбы (4¹⁰ Дж). (Приняв, что при вспышке выделяется 10²⁵ – 10²⁶ Дж, находим: эта энергия в миллиарды раз превосходит энергию, выделяющуюся при взрыве мегатонной бомбы).
4. CD- "Red Shift 5.1" - положение и характеристики Солнца в данный момент времени.

III. Итог
1. Откуда Солнце черпает неиссякаемый источник энергии?
2. Что такое протон-протонный цикл?
3. Как вычислить излучаемую Солнцем энергию, дефект массы?
4. Что представляет собой внутреннее строение Солнца?
5. Как происходит перенос энергии из недр на поверхность?
6. Оценки.

Дома: §20, вопросы стр. 122,  ПР №6

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца? (Решение. При «сгорании» 1 кг водорода выделяется примерно 6,3·10¹⁴ Дж. Масса Солнца 2·10³⁰ кг. Если принять, что Солнце целиком состоит из водорода, то при сгорании этого количества водорода выделилось бы 12,6·10⁴⁴ Дж. Ежегодно Солнце излучает примерно 12,6·10³³ Дж. Следовательно, для поддержания нынешней светимости Солнца водорода хватило бы на 10¹¹ лет. (Очевидно, что реальное время поддержания нынешней светимости Солнца должно быть меньше полученного значения).

Изменен  10.01.2010 года

«Планетарий»  410,05 мб		Ресурс позволяет установить на компьютер учителя или учащегося полную версию инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". "Планетарий" -  подборка тематических статей - предназначены для использования учителями и учащимися на уроках физики, астрономии или естествознания в 10-11 классах.  При установке комплекса рекомендуется использовать только английские буквы в именах папок.
Демонстрационные материалы 13,08 мб		Ресурс представляет собой демонстрационные материалы инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий".
Планетарий 2,67 мб		Данный ресурс представляет собой интерактивную модель "Планетарий", которая позволяет изучать звездное небо посредством работы с данной моделью. Для полноценного использования ресурса необходимо установить Java Plug-in
Урок	Тема урока	Разработки уроков в коллекции ЦОР	Статистическая графика из ЦОР
Урок 20	Источники энергии и внутреннее строение Солнца		Внутреннее строение Солнца 229,8 кб Плотность солнечного вещества в ядре 148,1 кб Зависимость температуры от расстояния до центра Солнца 137,4 кб