Методика формирования астрономических понятий в школьном курсе физики

На границе значений масс разных классов космических тел происходит значительное изменение физических свойств объектов; на границе значений масс разных типов космических тел изменения приобретают характер качественного скачка. Последовательность классификации несколько нарушается включением в нее отдельных "короткоживущих переходных звеньев" - классов и групп космических тел, являющихся продуктами, начальными или конечными этапами развития основных типов космических тел (протозвезды, планетезимали, волокнистые и планетарные туманности и т.д.). Возможно, в особые классы космических тел следовало бы выделить нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры, но подробное рассмотрение физики этих объектов лежит за пределами возможностей школьного физико-математического образования, позволяющего осуществить лишь беглое знакомство с их природой.

Выделение отдельных групп космических тел внутри каждого класса может осуществляться на основе второстепенных, дополнительных к основному признаков - физических характеристик объектов: 
- для туманностей - на основе понятий плотности и условий образования объекта; 
- для планетных тел - по их размерам, форме, степени дифференцирования внутреннего строения и химическому составу; 
- для звезд - по их светимости, температуре, спектру, плотности, размерам...

Понятия об энергетических характеристиках объектов, мерами которых выступают их светимость и температура (кинетическая и эффективная), могут, наравне с понятием массы, стать основанием для классификации космических тел в старшем звене средней общеобразовательной школы, особенно в физико-математических классах.

В качестве основания для единой классификации космических объектов - систем космических тел - мы предлагаем уровень сложности их организации, определяемый богатством видового состава, численностью и характером взаимодействия космических тел, формирующих структуру данного объекта; в числе второстепенных признаков выступают масса и размеры объектов.

Мы выделяем следующие классы и группы космических объектов - систем космических тел: звездные системы (планетные системы; двойные звезды; кратные звезды); звездные скопления (звездные ассоциации; рассеянные скопления; шаровые скопления); галактики (эллиптические, неправильные, линзовидные, спиральные и т.д.) и их скопления; Метагалактика; Мини-Вселенная; Вселенная.

Системы космических тел с низким уровнем организации выступают в качестве отдельных составных элементов систем космических тел с более высоким уровнем организации (так, планетные системы и двойные звезды входят в состав звездных скоплений, которые в свою очередь входят в состав галактик и т.д.). Предельной по степени общности и объему, обладающей структурностью на всех своих уровнях системой космических объектов выступает Метагалактика - доступная нашим наблюдениям часть Мини-Вселенной (Вселенной) - системы космических объектов (метагалактик) наивысшей масштабности и степени сложности организации материи.

Космические процессы - последовательные изменения или смены состояний (этапов) эволюции космических объектов (космических тел и их систем); физические процессы, обусловливающие возникновение, существование и эволюцию, основные физические характеристики космических объектов и их систем, и механизм возникновения и протекания космических явлений.

Понятия, определяемые как "космические процессы", одновременно входят в понятийный аппарат двух наук - астрономии и физики - и могут классифицироваться по астрономическим и физическим теориям, наиболее полно и всесторонне объясняющим их природу; полное определение космических процессов дается через их описание.

3.Методика проведения  урока 
 "Основы сферической астрономии"

Цель урока: формирование системы основных понятий сферической астрономии.

Задачи обучения: 
Общеобразовательные: формирование понятий: 
- о космических явлениях: обращении Земли вокруг Солнца, вращении Земли вокруг своей оси и о прецессии земной оси и о следствиях вышеперечисленных космических явлений - небесных явлениях: смене дня и ночи, восходе, заходе, суточном и годичном видимом движении и кульминациях светил (Солнца и звезд) и об условиях видимости светил в различных регионах Земли; 
- о небесной сфере, основных ее кругах, линиях и точках (зените, надире, математическом горизонте, оси мира, полюсах мира, небесном экваторе, небесном меридиане, суточных параллелях, эклиптике, точках весеннего и осеннего равноденствий и летнего и зимнего солнцестояний) и о созвездиях; 
- об астрономических методах ориентации на местности по Солнцу.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания и объяснения повседневно наблюдаемых небесных явлений; борьба с астрологическими предрассудками; политехническое и трудовое воспитание в ходе изложения материала о практических способах применения астрометрических знаний.

Развивающие: формирование умений выполнять упражнения на применение основных формул сферической астрономии при решении расчетных задач и применять подвижную карту звездного неба, звездные атласы, справочники и Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений.

Ученики должны знать:

- причины повседневно  наблюдаемых небесных явлений, порожденных  вращением Земли вокруг своей  оси (смена дня и ночи, восход, заход, видимое суточное движение  и кульминации светил) и порожденных  обращением Земли вокруг Солнца (смена времен года, видимое годичное движение светил; изменение полуденной высоты Солнца над горизонтом в течение года; видимое перемещение Солнца по эклиптике в течение года; изменение продолжительности светового времени суток в течение года) и об условиях видимости светил в различных регионах Земли;- основные понятия сферической астрономии: созвездие; небесная сфера и ее главные плоскости, линии и точки (математический горизонт, зенит и надир, ось мира, полюса мира, небесный экватор, небесный меридиан; эклиптика, точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний); истинные полдень и полночь;

- основные понятия практической  астрометрии: теорему о высоте  полюса мира над горизонтом;

- астрономические величины: число созвездий, названия зодиакальных и наиболее заметных созвездий; даты равноденствий и солнцестояний, угол наклона эклиптики к экватору; число звезд, видимых невооруженным глазом.

Ученики должны уметь:

- использовать обобщенный  план для изучения космических  и небесных явлений; 
- использовать звездные атласы, подвижную карту звездного неба и Астрономические календари и справочники для определения: 1) времени восхода, кульминации и захода светил; 2) времени прохождения созвездия через местный меридиан для конкретной даты; 3) периода видимости светила или созвездия в данном месте в заданный момент времени; 4) созвездия, в котором находится Солнце в определенный день и приблизительных координат Солнца; 5) продолжительности дня и ночи для любой даты; 6) времени пребывания Солнца в том или ином зодиакальном созвездии;

- ориентироваться на местности  по Солнцу.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты из серии слайд-фильмов "Иллюстрированная астрономия": "Звездное небо".

Диафильмы "Звездное небо"; "Видимое движение небесных светил".

Приборы и инструменты: модель небесной сферы; настенная карта звездного неба; небесный глобус; подвижные карты звездного неба (у каждого ученика); атлас звездного неба А.А. Михайлова; Астрономический календарь на данный год; рисунки и фотографии созвездий; географический глобус; теллурий; высотомер, школьный теодолит.

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 3(1-3); 4 (1-2); 5;упражнения: 1 (1-3), 4 (1-3); задание 3 (1).

- Е.П. Левитана: §§ 2; 3(1); 4 (2); вопросы-задания: 2 (1-4); 3; 4 (3-6). 
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: §§ 2; 4 (2); упражнения 2.5, 2.6

2) Выполнить задания из  сборника задач Воронцова-Вельяминова  Б.А. [28]: 31; 44; 51; 67.

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Проверка знаний и актуализация	Фронтальный опрос, беседа	5
2	Изложение нового материала по теме "Небесная сфера: основные круги, линии и точки. Созвездия"	Лекция	10-12
3	Изложение нового материала по теме: "Движение небесных светил. Условия наблюдения небесных светил и явлений"	Лекция	10-12
4	Знакомство школьников с методами ориентации на местности по Солнцу и явлением прецессии	Рассказ учителя	5-7
5	Работа над таблицей "Космические и небесные явления"	Самостоятельная работа	5-7
6	Закрепление изученного материала. Решение задач	Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради	5-7
7	Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание		3

Методика изложения материала

 

На первом этапе урока в форме лекции излагается материал "Небесная сфера: основные круги, линии и точки. Созвездия". Положение основных плоскостей, линий и точек небесной сферы указывается на соответствующих схемах (рис. 15-17), выполняемых учителем по мере изложения материала на доске (желательно цветными мелками) и на модели небесной сферы. Демонстрационная настенная карта звездного неба используется при формировании понятия созвездия, блеска небесных светил и, далее, при решении некоторых задач у доски. Ученики должны понимать, что небесная сфера является воображаемой и вводится как вспомогательное понятие, облегчающее определение положения и условий видимости небесных светил и нанесения их на звездную карту. Поскольку радиус Земли ничтожно мал по сравнению с размерами небесной сферы, мы можем в зависимости от целей решаемой нами задачи поместить в ее центр любую точку земной поверхности, центр Земли, всю Землю как материальную точку или Солнце (поэтому понятие небесной сферы находит свое применение в космонавтике для описания видимого движения ИСЗ и других КЛА).

Понятие "созвездие" следует формировать вслед за изучением материала об основных линиях и точках небесной сферы, с выполнением практического задания по изготовлению модели созвездия (см. задания к параграфу). Ученики должны понимать, что созвездие – это не " фигура из звезд", а участок небесной сферы со строго определенными границами и объекты созвездия физически никак не связаны между собой. Нужно сообщить им правила обозначения звезд греческими и латинскими буквами в каждом из созвездий и собственных именах наиболее ярких звезд.

При формировании понятий эклиптики и зодиака нужно оговорить, что эклиптика является проекцией плоскости земной орбиты на небесную сферу. По причине обращения планет вокруг Солнца почти в одной плоскости их видимое движение на небесной сфере будет осуществляться вдоль и вблизи эклиптики с переменной угловой скоростью и периодическим изменением направления движения.

1. Основные  круги, линии и точки небесной  сферы

Небесные светила - проекции космических тел на небесную сферу.

Благодаря огромной удаленности от Земли небесные светила кажутся находящимися на одинаковом расстоянии от наблюдателя. Необходимость объяснения видимого движения и определения положения светил привела к возникновению понятия небесной сферы.

Небесной сферой называется воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируютсяНебесной сферой называется воображаемая вспомогательная сфера произвольного радиуса, на которую проецируются все светила так, как их видит наблюдатель в определенный момент времени из определенной точки пространства.

Рис. 15. Небесная сфера  "каноническое" изображение  в плоскости небесного  меридиана;

Точки пересечения небесной сферы с отвесной линией, проходящей через ее центр, называются: верхняя точка - зенитом (z), нижняя точка - надиром (z¢ ). Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим, илиистинным горизонтом (рис. 15).

Десятки тысяч лет назад было замечено, что видимое вращение сферы происходит вокруг некоей невидимой оси. На самом деле видимое вращение неба с востока на запад является следствием вращения Земли с запада на восток. 

Диаметр небесной сферы, вокруг которого происходит ее вращение, называется осью мира. Ось мира совпадает с осью вращения Земли. Точки пересечения оси мира с небесной сферой называются полюсами мира (рис. 16).

Рис. 16. Небесная сфера: геометрически правильное 
изображение в ортогональной проекции

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

Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к оси мира, называется небесным экватором (QQ¢).

Большая окружность, проходящая через полюса мира и зенит, называется небесным меридианом (PNQ¢ Z¢ P¢ SQZ).

Плоскость небесного меридиана пересекается с плоскостью математического горизонта по прямой полуденной линии, которая пересекается с небесной сферой в двух точках: севера (N) и юга (S).

Небесная сфера разбита на 88 созвездий, различающихся по площади, составу, структуре (конфигурации ярких звезд, образующих основной узор созвездия) и другим особенностям.

Созвездие – основная структурная единица разделения звездного неба – участок небесной сферы в строго определенных границах. В состав созвездия включаются все светила - проекции любых космических объектов (Солнца, Луны, планет, звезд, галактик и т.д.), наблюдаемых в данный момент времени на данном участке небесной сферы. Хотя положение отдельных светил на небесной сфере (Солнца, Луны, планет и даже звезд) изменяется со временем, взаимное положение созвездий на небесной сфере остается постоянным.

Северный полюс мира находится в созвездии Малой Медведицы, в 0,51њ от звезды a Малой Медведицы, называемой "Полярная звезда". Южный полюс мира находится в малозаметном созвездии Октанта. Близость Полярной звезды к Северному полюсу мира позволяет ориентироваться и определять широту местности по наблюдениям Полярной звезды.