Введение
Одним из результатов реформы школьного образования в Республике Казахстан является объединение учебных предметов «Физика» и «Астрономия» в единый интегрированный предмет [1]. В то же время, по учебному плану университета при подготовке бакалавра специальности «Физика», будущего учителя, физика и астрономия изучаются раздельно. Это требует особого внимания к профессиональной подготовке студентов в процессе изучения данных предметов. Межпредметные связи существуют между многими дисциплинами. Между физикой и астрономией они особенно тесные, так как физика изучает простейшие формы движения материи, и установленные ею законы проявляются и в ближайших окрестностях Земли и во Вселенной в целом. Государственный общеобязательный стандарт образования (среднее общее) включает в содержание обучения интегрированный предмет «физика и астрономия», одной из целей которого является «формирование научного мировоззрения ученика путем целостного представления об объективной физической картине мира как развивающейся системе фундаментальных физических теорий» [2].
По учебному плану бакалавриата физика изучается до астрономии в течение нескольких семестров в виде традиционных разделов: механика, молекулярная физика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика, физика атома, атомного ядра и элементарных частиц. [3] Каждый раздел физики включает вопросы, относящиеся к определенному виду движения материи, соответствующие понятия, законы и фундаментальные теории. Специфика астрономии в том, что она опирается на эти понятия законы и теории. Опыт показывает, что эффективность изучения астрономии при подготовке будущего учителя к обучению учащихся единому предмету «физика и астрономия», в значительной степени зависит от внимания к актуализации соответствующих знаний, полученных в разное время при изучении физики.
Предлагаемое учебно-методическое пособие разработано с целью повышения качества профессиональной подготовки учителя физики и астрономии, путем обеспечения учебного процесса дополнительным дидактическим материалом. В первой части пособия предлагается материал по фундаментальным вопросам физики (время, порядок и беспорядок, фундаментальные взаимодействия), актуализация которых целесообразна на начальном этапе изучения астрономии. Во второй части – разработка содержания тем по разделу «Физика Солнечной системы» в соответствии с Государственной программой по астрономии. К каждой теме приведены вопросы актуализации, контрольные вопросы и рекомендованные темы самостоятельной работы, проектной деятельности.
Солнечная система и некоторые фундаментальныевопросы физики. Проблема интеграции
1.1 Интеграция физики и астрономии при подготовке бакалавра специальности «Физика»
Аннотация. Рассматриваются особенности подготовки бакалавра специальности «физика» к обучению учащихся по программе интегрированного предмета «физика и астрономия» в школе. Обращается внимание на роль актуализации знаний, понятий, законов, фундаментальных теорий физики при изучении студентами астрономии. Приводятся перечень вопросов физики, необходимых при изучении астрономии по разделу «Солнечная система».
Физика – наука о природе. Область ее исследования включает в себя окружающий нас мир от окрестности Земли до дальнего Космоса. Астрономия – наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Она зародилась в глубокой древности. Одной из древнейших наук является и физика. Тесная взаимная связь этих наук в течение многих веков объясняется тем, что астрономия в своих исследованиях использует физические законы, физические приборы. В свою очередь, астрономия стимулирует развитие физики, расширяя область ее исследования от околоземного пространства до глубин космоса. Межпредметные связи физики обширны. Она тесно связана с химией, биологией и другими науками. Физика изучает простейшие формы движения материи. Установленные ею законы проявляются как на Земле, так и во Вселенной в целом. Поэтому и существует тесная взаимосвязь между физикой и астрономией. Следствием такой связи является то, что при проведении реформы образования в современной школе, когда возник вопрос об интеграции школьных дисциплин, предмет «физика и астрономия» стал первым интегрированным предметом. Интеграция этих предметов дает возможность более глубокого понимания физической картины мира, более эффективного формирования научного мировоззрения. В то же время, при подготовке учителя физики и астрономии по программе бакалавриата дисциплины физика и астрономия изучаются раздельно. Это, естественно, создает определенные трудности в будущей работе учителя при проведении занятий по интегрированному предмету. Чтобы повысить качество подготовки учителя, уровень его профессиональной компетентности в области интегрированного предмета, целесообразно обратить особое внимание на межпредметные связи астрономии, которая изучается после прохождения общего курса физики. Если при изучении астрономии акцентировать внимание на вопросах физики, то это будет способствовать более глубокому пониманию физики и астрономии как по сути единого предмета. Это можно сделать на этапе актуализации. В данном пособии этот вопрос рассматривается на примере раздела «Солнечная система» в курсе астрономии.
При современной кредитной системе обучения студент обеспечивается Учебном – методическим комплексом дисциплины (УМКД), в котором определены структура, содержание всех видов учебной работы и требования к обучаемым. С целью углубления интеграции физики и астрономии в представленный в пособии лекционный комплекс УМКД по астрономии в содержание каждой темы включены актуальные вопросы физики. В астрономии используются физические понятия, законы и теории; физические методы в астрономии, физические принципы в конструкции астрономических приборов. Вещество в Солнечной системе находится в различных агрегатных состояниях. Тела солнечной системы находятся в непрерывном движении различном по своему характеру. Следовательно, для изучения солнечной системы необходимы знания законов механики. Это кинематические законы, определяющие различные виды движения (равномерное, неравномерное, прямолинейное, криволинейное), различные траектории (прямые, эллипсы, окружности др.). Особенности движения определяют силы действующие на движущиеся тела или частицу. Поэтому для изучения движения необходимо использование законов динамики, которые определяют зависимость движения от массы тела и сил действующих на него. Для планет и малых тел солнечной системы определяющим является гравитационное взаимодействие с Солнцем, определяющее основной характер движения, и взаимодействие с другими телами, которое проявляется как возмущение в основном движении. Для элементарных заряженных частиц, атомных ядер, ионов, в межпланетном магнитном поле, в магнитном поле Солнца, и планет, важно магнитное взаимодействие (сила Лоренца). Взаимодействие заряженных частиц между собой и действие на заряженные частицы электрических полей определяются силами Кулона. Солнце – это звезда, то есть источник электромагнитного излучения, в том числе в видимом диапазоне, источник света. Вопрос о том, почему Солнце является источником излучения, решается ядерной физикой и физикой элементарных частиц - термоядерные реакции синтеза.
Таким образом, изучение Солнечной системы в курсе астрономии требует знания различных разделов физики, из которых можно выделить следующие вопросы.
Актуальными вопросами при изучении астрономии являются:
время: понятие, измерение.
движение и его характеристики; виды движения.
Общими для физики и астрономии, в том числе и Солнечной системы, являются понятия агрегатного состояния вещества:
твердое;
жидкое;
газообразное;
плазменное состояние.
В Солнечной системе имеют место все виды взаимодействий, известные в настоящее время в физике:
сильное (ядерное) взаимодействие;
электромагнитное;
гравитационное взаимодействие;
слабое взаимодействие.
Важными при изучении физики Солнечной системы являются физические понятия:
вещество;
поле.
Значительную долю информации о Солнечной системе получают по анализу электромагнитного излучения в разных диапазонах. Поэтому важны вопросы:
шкала электромагнитных волн;
свет;
механизм излучения;
взаимодействие электромагнитных волн с веществом.
В Солнечной системе вещество находится и в электронейтральном и в заряженном состоянии, поэтому важны понятия:
электрический заряд;
носители заряда;
элементарные частицы;
атомы и ионы.
Для изучения Солнечной системы важны законы физики:
законы движения;
закон Всемирного тяготения;
законы электричества и магнетизма;
законы излучения;
законы взаимодействия и др.
Краткую актуализацию физических знаний целесообразно проводить в начале каждого аудиторного занятия. Некоторые вопросы физики требуют более полного рассмотрения при изучении астрономии. К таким вопросам относятся: проблема времени и его измерения, классическая механика, специальная и общая теории относительности, теории тяготения, электромагнитные поля, фундаментальные взаимодействия и т.п. Таким вопросам могут посвящаться отдельные занятия СРСП. По ним обучаемым может быть предложена подготовка рефератов, разработка проектов.
Солнечная система: общие сведения
Аннотация. Дается понятие Солнечной системы и приводится краткий обзор ее структуры. Обращается внимание на значительные различия в характеристиках планет земной группы и планет-гигантов, причина которого является одним из нерешенных вопросов для современной науки, одним из вопросов Космогонии.
Солнечная система - это система небесных тел, которая состоит из звезды Солнце и движущихся вокруг него больших планет с их спутниками, а также бесчисленного множества малых планет, комет и метеорных тел. В состав Солнечной системы входит также какое-то количество газа, имеющегося в межпланетном пространстве и за пределами планетной системы (облако Оорта и т.п.).Вокруг Солнца в одном направлении и примерно в одной плоскости вращаются девять больших планет - Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Эти планеты - самые значительные по массе тела Солнечной системы, кроме Солнца. Вещество, входящее в Солнечную систему (кроме Солнца), сосредоточена в больших планетах. Но их общая масса составляет только одну семьсотпятидесятую часть массы Солнца. Таким образом, основная доля вещества Солнечной системы принадлежит Солнцу. Теперь в составе Солнечной системы есть также искусственные объекты, которые вращаются вокруг Луны, Земли, других планет или непосредственно вокруг Солнца.
Солнечная система входит в состав огромной звёздной системы - Нашей Галактики, объединяющей несколько сотен миллиардов звёзд (все видимые простым глазом звёзды и Млечный Путь), и многие из них, как уже доказано, окружены планетами. Наша Солнечная система, таким образом, не одинока во Вселенной. В Галактике Солнце расположено в 68 световых годах от ее плоскости и в 25000 световых годах от ее центра, то есть Солнечная система находится почти в плоскости Галактики и на половине расстояния от центра. Солнечная система находится в спокойной области Галактики вдали от мест современного звездообразования. Солнце со своей системой движется вокруг центра Галактики со скоростью порядка 200 км в секунду. В настоящее время Солнце вместе с Солнечной системой движется в направлении созвездия Геркулес. От Солнца до ближайшей звезды Проксима Центавра 4,2 световых лет. Масса солнца в 330000 раз больше массы Земли, а плотность меньше чем у Земли. [4,5,6].
С древних времен было известно пять планет, видимых не вооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. То, что Земля является равноправным представителем планет, было доказано в начале XVII века. Земля стала шестой известной планетой. В 1781 году был открыт Уран, а в 1846 был теоретически предсказан и обнаружен на небе Нептун. Нептун – восьмая, последняя крупная планета Солнечной системы. В те же годы были открыты малые планеты – астероиды в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Небольшая планета Плутон была обнаружена за орбитой Нептуна только в 1930 году. До конца XX века считалось, что в Солнечной системе девять планет. Однако в конце ХХ начале XXIвеков было открыто множество объектов за орбитой Нептуна. Размеры части из них превосходят размеры Плутона. «Поэтому в 2006 г. астрономы уточнили классификацию: 8 крупнейших тел – от Меркурия до Нептуна – считаются классическими планетами, а Плутон стал прототипом нового класса объектов – карликовых планет. Ближайшие к Солнцу 4 планеты принято называть планетами земной группы, а следующие 4 массивных газовых тела называют планетами – гигантами. Карликовые планеты в основном населяют область за орбитой Нептуна – пояс Койпера, хотя некоторые крупные астероиды, «обитающие» вокруг орбиты Нептуна, возможно, будут также отнесены к этому семейству».[7, с.34].
Планеты Земной группы отличаются не только размерами: они расположены ближе к Солнцу (а значит, сильнее обогреваются, движутся по орбитам быстрее, быстрее облетают вокруг Солнца), обладают другим химическим составом (из-за малой массы и близости к Солнцу не смогли удержать так много лёгких элементов - водорода, гелия), более плотные (с твёрдой поверхностью в отличие от планет-гигантов). Крупнейшие из планет земной группы Земля и Венера в 10 раз меньше Юпитера и Сатурна, и в 4 раза меньше Урана и Нептуна. На планеты - гиганты приходится 99,5 % всей массы планетной системы. Например, масса Юпитера в 318 раз, а масса Сатурна в 95 раз больше массы Земли. Почти вся кинетическая энергия вращения и практически весь момент импульса Солнечной системы приходится на планеты – гиганты. В то же время средняя плотность вещества планет – гигантов очень низкая: 700 кг/м3 у Сатурна, и 1600 кг/м3 у Нептуна. Для сравнения: 5500 кг/м3 у Земли, 3500 кг/м3 у Марса.
У планет – гигантов нет твердой поверхности. Они состоят в основном из водорода и гелия. Их видимая поверхность – облачный покров мощной атмосферы, окружающей океан жидкого молекулярного водорода.
Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и примерно в одной плоскости. Их орбиты эллиптические. У большинства планет, кроме Меркурия и Плутона орбиты близки к круговым. Самый большой эксцентриситет имеет орбита Меркурия. Он равен 0,2. Самый малый эксцентриситет орбиты у Венеры – 0,01. Различаясь значительно по эксцентриситету орбит, Венера и Меркурий имеют общее – их суточное вращение, то есть вращение вокруг собственной оси самое медленное среди всех планет. У Венеры продолжительность суток оказывается даже больше чем продолжительность венерианского года. За один оборот вокруг Солнца Венера не успевает сделать один оборот вокруг собственной оси. Все планеты, кроме Венеры, вокруг оси вращаются в прямом направлении, то есть также как по орбите. Обратное вращение Венеры вокруг оси до настоящего времени остается ее загадкой. Интересно отметить, что Земля и Марс вращаются вокруг своей оси с почти одинаковым суточным периодом и оси их вращения наклонены почти на одинаковый угол. Именно этот наклон приводит к смене времен года на Земле и Марсе вследствие изменения ориентации северного и южного полушарий планет относительно Солнца.
Периоды обращения планет по орбитам закономерно увеличиваются с удалением от Солнца. Наибольшая средняя скорость вращения у Меркурия. Она равна 48 км/с. Меркурий совершает оборот вокруг Солнца за 0,24 земных года, то есть за время одного оборота земли Меркурий делает больше четырех оборотов вокруг Солнца. Средняя орбитальная скорость Венеры равна 35 км/с. Один оборот вокруг Солнца – 062 земных года. Следовательно, за один земной год Венера делает чуть меньше двух оборотов. Марс, орбита которого дальше земной, движется со средней скоростью 24 км/с, период обращения – 1,9 земных года. Таким образом, Марс делает один оборот вокруг Солнца за время, в течение которого Земля сделает почти два оборота. Средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца около 30 км/с.Периоды обращения планет – гигантов вокруг Солнца велики: от 12 лет у Юпитера до 164 лет у Нептуна. Но вокруг своей оси они вращаются очень быстро, быстрее любой планеты земной группы. Например: средний период вращения видимой поверхности Юпитера и Сатурна составляет около десяти часов, а Урана и Нептуна – около 17 часов.
Из планет земной группы спутники есть у Земли (1) и у Марса (2). Все планеты – гиганты окружены системами колец и множеством спутников. Большая часть спутников обнаружена в последние десятилетия с помощью космических аппаратов. Наибольшее количество спутников у Юпитера (63, 2007 г.).
Чем дальше от Солнца, тем меньше Солнечной энергии получает планета. Но температура зависит не только от количества получаемой энергии, но и от наличия атмосферы и ее состава. Ближе всех к Солнцу находится Меркурий. Атмосферы у него практически нет. Максимальная температура поверхности почти 700 К. Но это не максимальная температура планет. Самая высокая температура на Венере, около 735 градусов. Это является следствием влияния мощной атмосферы из углекислого газа, которая удерживает тепло и сохраняет почти одинаковую температура днем и ночью. На Земле среднегодовая температура близка к 290 К., а на Марсе с его очень разреженной углекислой атмосферой – около 220 К.
Среди планет земной группы значительным магнитным полем обладает только Земля. Магнитное поле меркурия примерно в 100 раз слабее земного. А у Марса и Венеры оно еще меньше [7].
Токи в жидких недрах Юпитера генерируют его мощное магнитное поле. Размер его магнитосферы в сотни раз превышают размеры самой планеты. Электроны и протоны высоких энергий, захваченные магнитным полем, образуют радиационные пояса похожие на земные. Магнитным полем и радиационными поясами обладает и Сатурн.
Среди карликовых планет Плутон изучен лучше других.
Несколько слов о Плутоне. Плутон резко отличается ото всех. Во-первых, его размеры малы, а масса вместе со спутником Хароном составляет только одну четырёхсотую часть массы Земли, то есть в несколько раз меньше Луны! Плутон вращается по самой вытянутой орбите (эксцентриситет - 0,25, а у Земли - 0,017). Орбита Плутона имеет самый большой угол наклона к плоскости остальной Солнечной системы (17,1 градуса). Эта орбита пересекает орбиту другой планеты - Нептуна, то есть Плутон иногда находится ближе к Солнцу, чем Нептун. До недавнего времени Плутон считался по массе близким к Земле, но оказалось, что это не так. У Плутона есть крупный спутник – Харон, диаметр только в два раза меньше диаметра планеты. Пару Плутон – Харон нередко называют двойной планетой. Харон расположен всего на расстоянии менее 20000 тыс. км от Плутона. Вокруг системы Плутон – Харон замечены два небольших спутника. Для Плутона и других планет карликов в поясе Койпера, вероятно, характерно толстая ледяная кора различного состава. По своим параметрам, внутреннему строению и составу Плутон больше похож на ледяные спутники планет – гигантов, чем на планеты земной группы.
В современной науке принято в пределах Солнечной системы выделение нескольких поясов:
пояс планет Земной группы;
первый пояс малых планет - пояс астероидов;
пояс планет-гигантов;
второй пояс малых планет (пояс Койпера).
облако Оорта с кометами (внутренняя и внешняя части).
Пояс планет Земной группы отделён от пояса планет-гигантов широкой "щелью", где смогли разместиться орбиты десятков тысяч малых планет - астероидов. Пояс Койпера, еще один пояс малых планет, находится за орбитой Плутона.
Наиболее удалено от Солнца облако Оорта, в котором рождаются кометы и откуда они иногда приходят в окрестности Солнца. [6,7].
До настоящего времени при анализе Солнечной системы остается вопрос о причинах, по которым планеты земной группы сильно отличаются от планет – гигантов. Естественно считать, что основная причина состоит в различии расстояния от Солнца. От этого расстояния зависит количество тепла и света получаемого планетой. Но это не единственная, и, может быть не основная причина. На начальном этапе эволюции планетной системы условия формирования планет вблизи Солнца и на большом расстоянии от него были различными. Существенно различались плотность и химический состав вещества из которого формировались планеты. Вопрос о том, почему существовали такие различия и как происходило образование планет, пытается решить один из разделов астрономии – космогония. Материалом для размышления космогонистов служат детальные данные о Солнечной системе и о других планетарных системах, как существующих, так и формирующихся. [7].