Уроки. Урок 22

Песни у людей разные, а моя одна на века –
Звездочка моя ясная, как ты от меня далека
Поздно мы с тобой поняли, что вдвоем вдвойне веселей
Даже проплывать по небу, а не то, что жить на земле!
 

Урок 5/22

презентация

Тема: Определение расстояния до звезд

Цель: Повторение тригонометрических функций в прямоугольном треугольнике, свойств синусов малых углов, перевода радианной меры угла в градусную, логарифмы десятичные. Рассмотреть параллактический и визуальный (через блеск) способы определения расстояний до звезд.

Задачи:
1. Обучающая: Ввести понятия: световой год, годичный параллакс, парсек, килопарсек, мегапарсек, абсолютная звездная величина. Вывести формулу определения расстояния до звезды по ее годичному параллаксу.  Вывести формулу для определения расстояния до звезд по видимой и абсолютной звездной величине. Продолжить начатые в начале изучения курса астрономии наблюдения звездного неба (основные созвездия, различия звезд по блеску и цвету).
2. Воспитывающая: Акцентировать внимание учащихся на эволюции представлений о звездах (от «золотых гвоздиков», вбитых в «небесный свод», до раскаленных плазменных шаров, подобных нашему Солнцу). Обратить внимание учащихся на мировоззренческое значение определения расстояний до звезд (звезды находятся от нас на различных и всегда очень больших расстояниях, не существует никакой «сферы неподвижных звезд»). Отметить, что в числе астрономов, впервые определивших расстояния до ближайших звезд, был астроном Пулковской обсерватории В. Я. Струве.
3. Развивающая: Учащиеся должны твердо усвоить на уроке, что существуют различные методы определения расстояний до звезд. Использовать естественную проблемную ситуацию: даже в крупные телескопы звезды (в отличие от небесных тел Солнечной системы) видны как точечные светящиеся объекты. Для развития эмоций использовать примеры, поясняющие, как велики расстояния даже до ближайших звезд.

Знать:
1-й уровень (стандарт) - способы определения расстояний до звезд: параллактический и визуальный; единицы измерения расстояний: астрономическая, парсек, световой год. Понятие видимой и абсолютной звездной величины.
2-й уровень - способы определения расстояний до звезд: параллактический и визуальный; единицы измерения расстояний: астрономическая, парсек, световой год. Понятие видимой и абсолютной звездной величины.
Уметь:
1-й уровень (стандарт) - переводить расстояние в различные единицы измерения и находить расстояние до звезд.
2-й уровень -переводить расстояние в различные единицы измерения и находить расстояние до звезд.

Оборудование: Таблицы: звезды, карта звездного неба, звездный атлас. Диапозитивы-схемы: годичный параллакс, расстояние до звезд, расстояние до ближайших звезд. Д/ф «Звезды», видеофильм «Астрономия», часть 2. CD- "Red Shift 5.1" (показ вида звездного неба, получение характеристик), фотографии и иллюстрации астрономических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по астрономии».

Межпредметные связи:   математика (решение прямоугольных треугольников, использование приближенных вычислений, когда имеются тригонометрические функции малых углов, логарифмы десятичные и его свойства); физика (свет, фотометрия).

Ход урока:

1. Новый материал

Вселенная ,конечно, бесконечна
А звезды – население ее…
   Какие объекты, наблюдаемые на небе Вы знаете?
   Как Вы понимаете, что такое звезда?
   Какая звезда ближе всего находится к Земле?
   Во всех системах, в т.ч. К. Птолемея (150г) и даже Н. Коперника (1543г) - звезды неподвижны, т.е. имелась сфера неподвижных звезд, только у Н. Коперник она дальше удалена.  Но уже в 1610г Г. Галилей, разглядев в Млечном Пути множество звезд, говорит, что они находятся на разном расстояние от Земли.
    В прекрасно иллюстрированном звёздном атласе «Уранометрия» (Uranometria, 1603) немецкого астронома И.Байера (1572–1625), где изображены созвездия и связанные с их названиями легендарные фигуры, звезды были впервые обозначены буквами греческого алфавита приблизительно в порядке убывания их блеска: a – ярчайшая звезда созвездия, b – вторая по блеску, и т.д. Когда не хватало букв греческого алфавита, Байер использовал латинский. Полное обозначение звезды состояло из упомянутой буквы и латинского названия созвездия. Например, Сириус – ярчайшая звезда в созвездии Большого Пса (Canis Major), поэтому его обозначают как a Canis Majoris, или сокращенно a CMa; Алголь – вторая по яркости звезда в Персее обозначается как b Persei, или b Per.
   В 1727г Дж. Брадлей (1693-1762, Англия), производя измерения координат γ Дракона с 14 декабря 1725г по 14 декабря 1726г определяет, что звезда описала эллипс с большой полуосью 20,4". Еще в течение года проверил на других звездах Þ  вывод тот же, ® все звезды в течение года описывают на небе эллипсы, - что доказывает годичное движение Земли вокруг Солнца [открыл Аберрацию света , 1727г].
   Это была первая в мире попытка определения параллакса звезды и впервые в качестве базиса использовал R земной орбиты, который равен 146,9 млн.км =1 а.е.(астрономической единице).   Так насколько далеки звезды от нас (не считая Солнца)
1 способ (параллактический) = БАЗИС=1а.е (т.е. радиус земной орбиты)
 
Годичным параллаксом звезды называется угол, под которым со звезды можно было бы видеть большую полуось земной орбиты, перпендикулярную направлению на звезду. r=1/π.
Из Δ  видно, что r=a/sinπ
Так как для звезд угол π очень мал (< 1?), то переходим к радианной мере (стр49)
 1 рад =206265?, тогда r=206265"a/π=206265"/π а.е.
Расстояние до звезды , которое соответствует параллаксу = 1? - называют парсеком, тогда
Из формулы видно, что:
1пк = 206265а.е. =206265*149,6*106км =3,08*1013км
1св.г. = 3*105км/с*365,25*24*3600с = 9,46*1012км
1 пк = 3,08*1013км/ 9,46*1012км = 3,26св.лет
1кпк (килопарсек) = 103пк    1Мпк (мегапарсек) = 106пк
     Впервые параллакс был измерен к 8 февраля 1837г русским астрономом Василий Яковлевич Струве  (1793-1864). После 17 измерений звезды Веги он определил ее параллакс в 0,125" (в действительности почти 0,129", что соответствует 7,756 пк).
  8 августа 1989г был запущен астрономический спутник «Гиппарх» (Hipparcos, «Гиппаркос – High Precision Parallaxes Collecting Satellite – спутник для определения высокоточных параллаксов, ЕКА - Европейского космического агентства) для определение координат близлежащих звезд с точностью до 0,001" и до 13m. На КА был установлен рефлектор с диаметром объектива 290 мм и фокусным расстоянием 1400 мм. Перед объективом расположены два плоских зеркала, наклоненных друг к другу под углом 29°. Стабильность этого угла имела первостепенное значение для точности наблюдений. Поле зрение инструмента составляло около 1 кв. градуса.
    Из-за неполадок, спутник вместо геостационарной, вышел на эллиптическую орбиту, что затруднило выполнение поставленной задачи.
    Космический аппарат проработал на орбите 37 месяцев, в течение которых он с высокой точностью измерял дуги между звездами, отстоящими друг от друга примерно на 58°. Для обзора всего неба аппарат вращался вокруг своей оси с периодом 2h 05m , а ось вращения имела прецессионное движение с периодом 57 суток и амплитудой 43°. В качестве приемника излучения использовался фотоумножитель с решеткой, точное измерение времени прохождения звезд через щели решетки позволяло определить угловое расстояние между звездами.
  По результатам его работы напечатан в июле 1997 году каталог Hipparcos (Перриман и др., 1997), который является одним из наиболее точных массовых каталогов положений, собственных движений и параллаксов 118 218 звезд, удаленных от нас на расстоянии до 1000 пк (точность измерений местоположения и параллаксов  0,001"=1 mas). Кроме того составлен каталог Tycho, содержащий уже 1 058 332 звезд, с точностью измерения тех же параметров до 25 mas.
Gaia — космический телескоп Европейского космического агентства, преемник проекта Hipparcos. Предположительно будет выведен на орбиту в 2011г. Главная задача телескопа — составить подробную карту распределения звёзд нашей Галактики.
                                         Ближайшие к нам звезды
Задача: Определите расстояние до Веги (а Лиры), найденное В.Я. Струве, в парсеках и световых годах. r = a/sinπ = a/π, r = 1/0,125 = 8 пк, 8*3,26=26,08 св.лет. (точнее = 7,756 пк или 25,297 св. лет)
II Способ  (визуальный ) = через блеск (яркость) звезд и звездные величины. (или звездная величина)
      Глядя на звездное небо видим, что яркость звезд неодинакова - поэтому Гиппарх (180-125, Др. Греция) к 126 г до НЭ, составляя каталог на 1008 звезд,  вводит понятие звездной величины [magnitude - величина (латинское)]. Самые яркие обозначал 1m (Вега), еле заметные - 6 m, считая, что они отличаются размером (тогда сфера звезд считалось была удалена на одно расстояние) . Позже выяснилось, что звездная величина характеризуется не размерами , а БЛЕСКОМ (яркостью) - освещенность, создаваемая звездой на Земле. Но шкалу Гиппарха сохранили. Причем звезды 1 m в 100 раз ярче 6 m.
    Обозначим X - разность в блеске на одну звездную величину, тогда X6-1=100 → X5=100, логарифмирует по основанию 10 и получим  5lg X=20, или lgX=0,4, тогда  X=2,512.
     Возьмем две произвольные звезды. Для 1-й звезды обозначим звездную величину m1 и блеск  I1, а для второй  соответственно  m2 ,I2. Тогда, как установил в 1856г английский астроном Н.Р. Погсон (1829-1891)  I1/I2=2,512m2-m1  Блеск звезд и звездная величина бывает разная, даже отрицательная. Так самая яркая звезда неба Сириус имеет m=-1,46 m, Солнце m¤ =-26,58m.
 
     Но видимая звездная величина ничего не говорит о светимости звезды, так как они находятся на разном расстоянии от нас. Для характеристики светимости (мощности излучения) применяют понятие абсолютной звездной величины (М) - видимой звездной величины звезды с расстояния в 10 пк. C 10 пк Солнце выглядело бы как звезда 4,84m. Если звезда имеет видимую звездную величину m, а абсолютную М, то из формулы Погсона получим I/I0=2,512М-m. Поскольку освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния, то из I/I0=r02/r2 или I/I0=102/r2 получим 102/r2=2,512M-m, откуда логарифмируя получим M=m+5-5 lgr.
Пример №9 - посмотреть решение.
 
Существуют и другие способы определения расстояний до звезд, некоторые их которых мы изучим дальше:
III. Кинематический (через собственное движение звезд) v=4,74μ/π
IIV. Фотометрический (для близких звезд до 15 пк) E=L/r2
V. Цефеидный (сравнение светимости с видимым блеском) M≈0,2. (2-lg p)
VI. Для очень удаленных - Закон Хаббла v=H.r
 
2. Закрепление материала:
1. Приложение №13. Каждому по звезде. Самостоятельно найти:
    а) по имеющемуся расстоянию - параллакс и выразить расстояние в парсеках, а.е., км.
    б) по известной видимой звездной величине и вычисленному расстоянию определить абсолютную звездную величину.
    в) Найти эту звезду на ПКЗН и определить координаты близлежащей по карте яркой звезды.
    г) CD- "Red Shift 5.1" - Найти данную звезду и определить её характеристики.
2. Дополнительно:
1. Годичный параллакс самой близкой звезды из созвездия Центавра (Альфа Центавра) = 0,76". Каково расстояние до нее в парсеках, световых годах, километрах? [параллакс найден в 1839г Т. Гендерсон - обсер. мыс Доброй Надежды, - тройная звезда, вся система летит к нам под углом 45° со скоростью 31 км/с]. [ r = a/sinπ = a/π, r = 1/0,76 = 1,32пк, 1,32.3,26=4,3 св.лет, чтобы не запоминать лучше в км найти из формулы r = 206265 . 1а.е./0,76=271400а.е, или =271400.149,6.106=4,06.1013км]
2. Экваториальные координаты яркой звезды α = 18ч35м, β = 38°44'. Какая это звезда? Вычислите расстояние до нее, если известно, что видимая и абсолютная звездные величины ее соответственно равны m = 0,03m и M = 0,58m. (по звездной карте определяем, что это звезда α Лиры (Вега). Расстояние до нее вычисляем по формуле M=m+5-5lgr, отсюда 5 lg r = m – M + 5, lg r =0,89, r = 7,76 пк).
 
3. Итог:
1. Что такое парсек, световой год? Соотношение между ними.
2. Во сколько раз световой год больше астрономической единицы?
3. Как вы думаете, почему на протяжении нескольких тысячелетий вид созвездий практически не меняется? (Вид созвездий почти не меняется (изменение ощутимо за десятки тысяч лет), так как расстояния до звезд велики по сравнению с перемещениями их в пространстве.
4. Основные способы определения расстояний до звезд и их математическое выражение.
5. Что такое абсолютная звездная величина?
6. Оценки.

Дома: §22 стр 131 (задачи 3, 4 и 5 (аналог задачи дополнительной № 2) письменно).

«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 22 Определение расстояния до звезд   Ковш Большой Медведицы: видимая и абсолютная звездные величины 129,8 кб
Расположение звезд созвездия Большой Медведицы в пространстве 163,1 кб
Созвездие Большая Медведица. Расстояние до звезд. 202,8 кб
Созвездие Орион. Расстояние до звезд. 235,3 кб
Система Сириуса 129,7 кб
Сравнительные размеры Солнца и звёзд системы альфа Центавра 184,8 кб