Технологическая карта урока по астрономии «модель горячей вселенной и реликтовое излучение»

Предмет

Астрономия

Учитель

Дятлова Галина Юрьевна

Тема урока

МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ И РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Тип урока

Урок «открытия» нового знания

Дата урока

Цели и задачи урока

Цель: Познакомить учащихся с моделью «горячей Вселенной», реликтовым излучением; сформировать представление о физических условиях на ранних стадиях расширения Вселенной.

Задачи:

Образовательная : сформировать понятия: модель «горячей Вселенной», реликтовое излучение; познакомиться с образованием химических элементов во Вселенной; объяснить обилие гелия во Вселенной и его необходимость образования на ранних этапах эволюции Вселенной; познакомиться с наблюдаемыми свойствами реликтового излучения.

Развивающая: развивать научность мышления, умение анализировать, выделять главное, применять полученные знания для объяснения явлений; работать с литературой.

Воспитывающая:: привитие любви и уважения к достижениям науки; акцентирование внимания учащихся на том, что в мире развивающихся тел и их систем существует замкнутый цикл материального мира; формирование комуникационных компетенций, умение говорить и слушать других.

Планируемые результаты

Предметные: Развитие пространственного, логического мышления, творческого потенциала личности.

Знать - связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной;

- что такое фотометрический парадокс;

- необходимость общей теории относительности для построения модели Вселенной;

- понятие «горячая Вселенная»;

- крупномасштабную структуру Вселенной;

- что такое метагалактика;

- космологические модели Вселенной -

Уметь

- использовать знания по физике и астрономии для описания и объяснения современной научной картины мира

Личностные: Формирование положительного отношения к учению, готовности и способности, обучающихся к саморазвитию и самообразованию

Метапредметные:

1. Умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формировать для себя новые задачи в учебе и познавательной деятельности;

2. Умение самостоятельно планировать пути достижения целей;

3.Умение соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата;

4. Умение оценивать правильность выполнение учебной задачи, собственные возможности ее решения;

Методы и формы обучения

Методы: интерактивный (объяснительно-иллюстративный, демонстративный), проблемный.

Формы: фронтальная, индивидуальная, работа в парах

Основные понятия

модель «горячей Вселенной», реликтовое излучение; образованием химических элементов во Вселенной; обилие гелия во Вселенной и его необходимость образования на ранних этапах эволюции Вселенной; свойства реликтового излучения.

Межпредметные связи

физика (спектральный анализ, термоядерный синтез, скорость света, элементарные частицы); обществоведение (материальность мира и его познаваемость, основные формы существования материи, движение материи, пространство и время); биология (познание сущности жизни на клеточном и молекулярном уровнях), математики, информатики

Ресурсы:

- основные

- дополнительные

интерактивная доска, компьютер, презентация, эволюционные схемы, колекция ЦОР, фрагменты видеоуроков: У Вселенной было начало. Видеоурок «NICA — Вселенная в лаборатории»; Реликтовое излучение.

Этапы урока

Обучающие и развивающие компоненты, задания и упражнения

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

Универсальные учебные действия

I. Мотивация к учебной деятельности (2 – 3 мин)

Цели: эмоциональная, психологическая и мотивационная подготовка учащихся к восприятию учебного материала.

- Добрый день. Сегодня вы продолжаем изучать тему «Строение и эволюция Вселенной».

Свой урок я хочу начать такими словами

«Не так давно, менее столетия назад, астрофизики легко рассчитывали орбиты планет, открывали новые звёзды, но никому не приходило в голову, что наша Вселенная расширяется. Пространство словно раздвигается в разные стороны. Все космические объекты: планеты, звезды, галактики – словно убегают друг от друга. Причём, чем дальше находятся космические объекты, тем выше скорость их удаления. Создаётся такое впечатление, будто бы мы находимся в центре вселенского взрыва и все космические объекты улетают от нас в разные стороны.

http://litsait.ru/proza/raznoe/rasshirjayuschajasja-vselennaja.html

.»

Но прежде давайте обратимся к тому материалу, который вам уже знаком. Внимание на экран

Создает условия для возникновения у учеников внутренней потребности включения в учебную деятельность. Задает вопросы.

Обобщает высказывания учащихся.

Слушают учителя. Отвечают на поставленные вопросы, при необходимости дополняют друг друга.

Личностные: понимают необходимость учения, выраженного в преобладании учебно-познавательных мотивов.

Коммуникативные: высказывают собственное мнение; слушают друг друга, строят понятные речевые высказывания

II. Актуализация знаний

Цели: подготовка к активному и осознанному усвоению нового материала. Формулирование темы урока и постановка цели.

Проверка домашнего задания в виде интерактивного текста, включающего основные понятия, которые изучены в данной теме, такие как:

1. Раздел астрономии, занимающийся изучением строения Вселенной и процессов,

происходящих в ней, называется:

а) космогонией б) космологией в) космонавтикой г) астрофизикой

2. Соотнесите термины, указанные буквами и определения, указанные цифрами:

а) Вселенная б) Метагалактика в) Галактика г) Звездная система; 1) Самая большая наблюдаемая, нестационарная, постоянно эволюционирующая,

расширяющаяся система, не имеющая центра расширения

2) Материальная система, безграничная в пространстве и развивающаяся во времени

3) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник нетеплового излучения

(не связанный с нагретым газом)

4) Вращающаяся система, имеющая в центре мощный источник теплового излучения

3. Выберите главные космологические признаки Вселенной:

а) анизотропность б) изотропность в) неоднородность г) однородность

д) сингулярность

Ключ к тесту: 1. б) 2. а – 2), б – 1), в – 3), г – 4) 3. б), г)

А теперь давайте подумаем, на какие вопросы мы сегодня должны с вами ответить? И что мы с вами должны будем затронуть на этом уроке?

Давайте сформулируем тему нашего урока:

- Какая будет цель урока?

Организует осведомленность и обсуждение.

Обобщает высказывания учащихся.

Слушают учителя. Рассуждают, высказывают свое мнение. Формулируют тему и цели урока. Записывают в тетрадь тему урока.

Познавательные: слушают учителя, извлекая нужную информацию.

Коммуникативные: высказывают собственное мнение, обосновывают свою точку зрения, слушают друг друга.

Регулятивные: самостоятельно формулируют тему и цели урока после предварительного обсуждения.

III. Изучение нового материала

Цели: дать конкретные представления о эволюции звезд, Звездообразование, диаграмме Герцшпрунга – Рессела , Основные фазы в эволюции звезды,, Звезда как динамическая саморегулирующаяся система.

Постановка и решение проблемы.

Вспомним, что по современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия – термоядерные реакции.

Существует гипотеза, что около 30% по массе наблюдаемого во Вселенной гелия образовалось в недрах звёзд.

Проверьте это предположение. (Работа с учебником Стр.132)

В термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода в недрах Солнца каждую секунду выделяется 4 · 10²⁶ Дж энергии. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия ΔЕ = 4,8 · 10^–12 Дж. Поэтому каждую секунду в Солнце образуется 10³⁸ ядер атомов гелия, или 6, · 10¹¹ кг гелия. Полагая, что возраст Галактики близок к возрасту Вселенной: 1,3 · 10¹⁰ лет = 3,9 · 10¹⁷ с, легко подсчитать массу гелия, которая могла бы образоваться во всех звёздах (10¹¹ звёзд) за этот промежуток времени: 6,7 · 10¹¹ кг/с · 10¹¹ · 3,9 · 10¹⁷ с = 2,6 · 10⁴⁰ кг.

Вывод: Это составляет 13% от всей массы Галактики (масс всех звёзд Галактики 2 · 10⁴¹ кг), что существенно меньше наблюдаемой массы гелия.

Исходя из этого в 1946 году астрофизик Георгий Гамов, американский физик российского происхождения (учился вместе с А.Фридманом) и его коллеги разработали физическую теорию начального этапа расширения Вселенной, объясняющую наличие в ней химических элементов синтезом при очень высоких температуре и давлении. Начало расширения по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». Соавторами Гамова были Р. Альфер и Г. Бете, поэтому иногда эту теорию называют «α, β, γ-теория» или модель горячей Вселенной.

Модель «горячей Вселенной» - космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц, и протекает при дальнейшем  адиабатическом космологическом расширении, иначе теория Большого взрыва

1. Практический.

У вас на столах имеется таблица, где эволюция Вселенной расписана с точностью до секунды! Имеется также рисунок модели молодой Вселенной. И вы можете по данной таблице проследить сейчас ход моих рассуждений по одной из теорий, названной «Большим взрывом» (Приложение 1)

Модель Молодой Вселенной

Известные нам законы физики начали действовать с момента t_в= 10^-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка ћ и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли R_в= 10³¹ м при плотности материи r _в=10⁷⁴–10⁹⁴ г/см³ с температурой Т_в = 1,3 × 10³² К.

   При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с²породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы  частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t_в = 10^-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.

  Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10⁹ К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.

   Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться.

    Через 10¹² с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение.

За миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К.

    "Блины" массой до 10¹⁴ М_ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду ("дроблению") "блинов" на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10¹⁰-10¹²М_, из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет.

1. Теоретический

Итак, на ранних этапах расширения вещество Вселенной имело огромную плотность и очень высокую температуру. Было также излучение, которое находилось в равновесии с веществом. Именно это излучение назвали реликтовым - космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). Как показали наблюдения, это излучение не связано ни с одним из известных небесных тел или их систем.

Гипотезу о существовании такого излучения высказал Георгий Гамов. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Реликтовое фоновое микроволновое излучение открыли в 1964 году американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Оно оказалось в высокой степени изотропным, одинаковым по всем направлениям и своим существованием подтверждает модель горячей расширяющейся Вселенной. Его называю ещё: космическое микроволновое фоновое излучение» cosmic microwave background, CMB; реликтовое излучение; трехградусное космическое излучение

За это открытие ученые в 1978 году получили Нобелевскую премию.

Фрагмент видеоурока https://www.youtube.com/watch?v=YWkanmxwMg8 Реликтовое излучение

Физкультминутка

Создает условия для получения учениками опорных знаний:
Объясняет новый материал.
Вовлекает учащихся в самостоятельную познавательную деятельность

Слушают учителя. Знакомятся с видеофрагментом, Рассуждают, высказывают свое мнение. Формулируют в чем заключается модель горячей вселенной, , что такое реликтовое излучение, . Записывают в тетрадь определение Обсуждают.

Познавательные: просматривая видеофрагмент и объяснение учителя извлекая нужную информацию, а так же самостоятельно находят ее в материалах учебника. Анализируют, сравнивают, учатся понимать информацию, делают выводы.

Коммуникативные: высказывают собственное мнение; слушают друг друга, задают вопросы, отвечают на вопросы.

Личностные: положительное отношение к познавательной деятельности, желание приобретать новые знания, умения, совершенствовать имеющиеся.

IV. Закрепление нового

Цель: закрепить знания по теме. Организовать индивидуальную работу (или работу в группах). Обнаружить и устранить пробелы.

Обсуждение

Какие основные открытия положены в основу Большого Взрыва?

Организует практическую работу.

Все обучающиеся, обсуждают и проверяя друг друга в парах (группах).

Познавательные: понимать информацию, использовать ее для решения учебных задач, анализировать, сравнивать, делать выводы.

Коммуникативные: осуществлять совместную деятельность в парах (группах) с учетом выполнения конкретного задания.

Личностные: осознавать свои трудности, стремиться к их преодолению.

V. Рефлексия учебной деятельности (3 мин)

Цели: определение степени усвоения темы урока классом. Сделать выводы. Поблагодарить учащихся за работу на уроке.

А сейчас я предлагаю Вам сделать оценку своей работы на уроке, используя предложенные высказывания (те которые вам ближе)

КАК ПРИЯТНО ЗНАТЬ, ЧТО ТЫ ЧТО-ТО ЗНАЕШЬ.

МОЛЬЕР

(На этом уроке, я поняла, что я что-то знаю, и мне было очень приятно это осознавать. Я поверила в свои силы)

Я ЗНАЮ, ЧТО Я НИЧЕГО НЕ ЗНАЮ

СОКРАТ

(Я открыл для себя очень много нового. Я даже не подозревал, что порой за обычными порой явлениями кроются большие и удивительные открытия. И у меня появился интерес узнать об этом еще больше.)

ПОЗНАНИЕ НАЧИНАЕТСЯ С УДИВЛЕНИЯ

АРИСТОТЕЛЬ

(Этот урок был для меня открытием. На протяжении всего урока я не переставала удивляться тому, что все в мире взаимосвязано и как наука шагнула далеко вперед и познании мира в которой мы живем)

Обеспечивает рефлексивную деятельность учащихся, их оценивания. Учитель выставляет и комментирует отметки. И демонстрирует на экране выводы по теме урока.

Оценивают эффективность своей деятельности на уроке, самоосознают возникшие трудности и способы их преодоления. Делают выводы.

Регулятивные: адекватно оценивать свои достижения, осознавать трудности, искать причины их преодоления.

Личностные: способность к самооценке своих действий, поступков.

VII. Домашнее задание (1-2 мин)

§ 36 Вопросы и задания стр.133

Подготовка реферативных работ и тезисов к уроку-конференции

-

Объясняет домашнее задание

Записывают домашнее задание

Название эпохи

Физические процессы

Время, прошедшее с момента Большого Взрыва

Температура

Рождение классического пространства-времени

Вселенная рождается из состояния сингулярности, из пространственно-временной «пены»

5∙10^–44 c

10³² К

Стадия инфляции

Вселенная начинает расширяться, появляются возмущения плотности, из которых потом образуются скопления галактик. Появляется барионная асимметрия

5∙10^–44–10^–36 c

более 10²⁸ К

Рождение вещества

Появляется горячая плазма, состоящая из элементарных частиц, «кваркового супа»

начиная с 10^–36 c

10²⁸ К

Радиационная стадия

Вещество и излучение находится в равновесии. На каждый барион приходится 10⁹ фотонов

вплоть до 10^–4 c

до 10¹³ К

Стадия рекомбинации

Аннигиляция частиц и античастиц с образованием квантов излучения

вплоть до 1 с

5∙10¹²–10¹³ К

Первичный нуклеосинтез

Образуются протоны и нейтроны. Синтез ядер водорода и гелия, а также лития и берилия

1–200 с

10⁹–10¹⁰ К

Стадия рекомбинации водорода

Вещество становится прозрачным. Образование реликтового излучения

1 с – 1 000 000 лет

4500–3000 К

Возникновение галактик

Начало возникновения звезд и галактик

1 миллиард лет

30 К

Современная эпоха

Существование галактик и звезд. Расширение Вселенной продолжается

15–20 миллиардов лет

2,725 К