Методика формирования астрономических понятий в школьном курсе физики

Рис. 17. Положение  эклиптики  на небесной сфере

Видимое годичное движение Солнца на фоне звезд происходит по большой окружности небесной сферы - эклиптике (рис. 17). Направление этого медленного движения (около 1њ в сутки) противоположно направлению суточного вращения Земли.

Ось вращения земли имеет постоянный угол наклона к плоскости обращения Земли вокруг Солнца, равный 66њ 33¢ . Вследствие этого угол e между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора для земного наблюдателя составляет: e = 23њ 26¢ 25,5¢ ¢ .

Точки пересечения эклиптики с небесным экватором называются точками весеннего (^) иосеннего (d) равноденствий. Точка весеннего равноденствия находится в созвездии Рыб (до недавнего времени - в созвездии Овна), дата весеннего равноденствия - 20(21) марта. Точка осеннего равноденствия находится в созвездии Девы (до недавнего времени в созвездии Весов); дата осеннего равноденствия - 22(23) сентября.

Точки, отстоящие на 90њ от точек весеннего равноденствия, называются точками солнцестояний. Летнее солнцестояние приходится на 22 июня, зимнее солнцестояние - на 22 декабря.

Второй этап урока посвящен началу формирования системы понятий о космических и небесных явлениях.

Ученики должны усвоить, что условия видимости светил зависят от положения наблюдателя на поверхности Земли и от времени наблюдения; изложение этого материала должно сопровождаться соответствующими демонстрациями на модели небесной сферы.

Условия видимости Солнца и смена времен года зависят от положения наблюдателя на поверхности Земли и от положения Земли на орбите. Нужно обратить внимание учащихся на небесные явления, порожденные обращением Земли вокруг Солнца: наблюдателю кажется, что Солнце в течение года перемещается по небесной сфере вдоль эклиптики среди зодиакальных созвездий: постоянном изменении полуденной высоты, положение точек восхода и захода Солнца, продолжительность дня и ночи, изменении вида звездного неба в течении года.

Изложение материала должно сопровождаться соответствующими демонстрациями на карте звездного неба, модели небесной сферы и теллурии.

2. Движение  небесных светил. Условия наблюдения  небесных светил и явлений

Кульминацией светила называется небесное явление прохождения светила через небесный меридиан. Ось мира делит небесный меридиан на 2 части - северную и южную. В северном полушарии в верхней кульминации светило пересекает северную часть небесного меридиана ближе к зениту; в нижней кульминации светило пересекает южную часть небесного меридиана ближе к надиру. Момент верхней кульминации Солнца называется истинным полуднем; момент нижней кульминации Солнца называется истинной полуночью.

Суточные движения светил совершаются по суточным параллелям (рис. 18).

Рис. 18. Небесная сфера: небесный меридиан  и суточные параллели светил:  светила А, В, С в верхней кульминации;  светила А' , В' , С' в нижней кульминации;  светило А - восходящее и заходящее,  светило В - незаходящее, светило С - невосходящее

На полюсах Земли суточные параллели светил (за исключением Луны и Солнца) параллельны математическому горизонту. Все светила (кроме Солнца и Луны) являются незаходящими или невосходящими. Небесный экватор параллелен (совпадает) с математическим горизонтом. Верхняя и нижняя кульминации совпадают (рис. 19 а). 

а) Северный полюс Земли	б) Средние широты Земли	в) Экватор Земли
Рис. 19. Вид небесной сферы и условия видимости небесных светил из разных точек земной поверхности

В средних широтах Земли небесный экватор пересекается с математическим горизонтом под углом: 90o-j (рис. 19 б). Для верхней кульминации к югу от зенита: h = 90o-j + d; z = j - d. 
Если склонение светила (угол между плоскостью небесного экватора и светилом): d < -(90o - j), то оно будет невосходящим. 
Если склонение светила: d > (90o - j), оно будет незаходящим.

На экваторе Земли суточные параллели небесных светил перпендикулярны математическому горизонту. Все светила являются восходяще-заходящими. Верхняя кульминация происходит вблизи зенита, нижняя - вблизи надира (рис. 19 в).

Движение Солнца по эклиптике является отображением вращения Земли вокруг Солнца. Эклиптика пролегает через 13 созвездий, называемых зодиакальными (Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей и Змееносец), а их совокупность - Поясом Зодиака. В каждом зодиакальном созвездии Солнце находится около 1 месяца (кроме Змееносца и Скорпиона). По традиции с времен Древнего Вавилона Змееносец не считается зодиакальным созвездием, хотя и лежит на эклиптике.

Движение Солнца по эклиптике связано со сменой времен года на Земле и климатическими поясами. В Северном полушарии астрономическая весна наступает с пересечением Солнцем небесного экватора 20 (21) марта. Пути Солнца над и под горизонтом равны, поэтому равны и продолжительность дня и ночи. 22 июня Солнце дальше всего от экватора к северу - день летнего солнцестояния, начало астрономического лета. 22 декабря в день зимнего солнцестояния Солнце отходит дальше всего к югу от экватора - день самый короткий, в полдень Солнце стоит низко над горизонтом, начало астрономической зимы (рис. 20).

Рис. 20. Видимое перемещение Солнца по небу в течение года

Знакомство школьников с методами ориентации на местности по Солнцу позволяет ученикам немного отдохнуть от восприятия сложного материал и демонстрирует практическую "повседневную" пользу от изучения астрономии. Учащихся физико-математических классов следует ознакомить с обоими способами ориентации по Солнцу; учащихся обыкновенных и гуманитарных классов – только со вторым, упрощенным способом.

1) В истинный полдень  Солнце пересекает линию небесного  меридиана, проекцией которого на  плоскости математического горизонта  является полуденная линия "север-юг". Ближайшая к Солнцу точкой горизонта является точка юга. Точное значение момента истинного полудня – момента верхней кульминации Солнца определяется при помощи Астрономического календаря по формуле:  , где Т0 – момент восхода или захода Солнца для данной даты данного года, xj - поправка на географическую широту, l - долгота местности, Т1 и Т2 – моменты восхода и захода Солнца сутками раньше и сутками позже. Все эти данные указаны в эфемериде Солнца и соответствующих таблицах Астрономического календаря.

Рис. 21. Ориентация по местности  по Солнцу с помощью ручных часов

2) Приближенная ориентация  по Солнцу при помощи наручных  часов: циферблат располагается  горизонтально так, чтобы часовая  стрелка указывала на точку  горизонта под Солнцем. Направление  север-юг показывает биссектриса угла между этой стрелкой и направлением из центра циферблата к 13 часам зимой и к 14 часам летом (рис. 21).

Ознакомление учеников с явлением прецессии земной оси играет важную роль в "антиастрологической" пропаганде:

Рис. 22. Прецессионное движение  земной оси РР'

Медленное конусообразное вращение земной оси с периодом 26000 лет под действием сил тяготения со стороны Луны и Солнца называется прецессией(рис. 22).

Прецессия меняет положение небесных полюсов. 2700 лет назад вблизи Северного полюса мира находилась звезда a Дракона, названная китайскими астрономами Царственной звездой. В настоящее время Полярной звездой является a Малой Медведицы. К 10000 году Северный полюс мира сблизится со звездой Денеб, a Лебедя. В 13600 году полярной звездой станет Вега, a Лиры (рис.23).

Рис. 23. Прецессионное движение  Северного полюса мира

В результате прецессии точки весеннего и осеннего равноденствий, летнего и зимнего солнцестояний медленно перемещаются по созвездиям зодиакальным. 5000 лет назад точка весеннего равноденствия находилась в созвездии Тельца, затем переместилась в созвездие Овна, а сейчас находится в созвездии Рыб. Не знающие азов астрономии астрологи предлагают своим доверчивым читателям сведения, устаревшие на 2000 лет.

Поручаем ученикам самостоятельно дополнить табл. 6 сведениями об изученных космических и небесных явлениях. На это отводится не более 5 минут, затем учитель проверяет и корректирует работу школьников.

Согласно учебникам астрономии, материал об основах астрофотометрии можно излагать в классе как логическое продолжением материала о созвездиях, небесной сфере и условиях видимости небесных светил. Однако, с нашей точки зрения, лучше всего дать его ученикам на последующих двух занятиях: на вечернем занятии, вслед за знакомством с основными созвездиями и наиболее яркими звездами осеннего неба учитель рассказывает школьникам о шкале звездных величин и сообщает им значения блеска наблюдаемых звезд и планет.

На этапе закрепления новоизученного материала следует ознакомить учащихся с атласами и картами звездного неба, основными обозначениями, принятыми в астрономии. Следует объяснить ученикам основные обозначения на звездной карте и сказать им: 1) хотя на звездных картах не обозначено положение Солнца, Луны и планет, поскольку они постоянно перемещаются относительно звезд, они всегда могут обнаружить положение Солнца на эклиптике в данный день года; 2) на следующем уроке вы расскажите им, как определяются координаты небесных светил и сообщите данные о положении Луны и планет на небесной сфере в данный момент времени. Желательно на данном уроке решить хотя бы 1-2 задачи из первых заданийупражнения 2, а остальные оставить для домашней работы и решения задач в классе на последующих уроках.

Упражнение 2:

1. Перечислите созвездия, через которые проходят: а) небесный экватор; б) Млечный Путь.

2. а) В какое время взойдет  над горизонтом 12 апреля звезда a Лиры? б) В какое время зайдет 5 июля звезда a Волопаса? в) Определите момент верхней кульминации звезд b Близнецов, a Большой Медведицы, a Скорпиона на 22 декабря. г) Определите момент нижней кульминации звезд a Кассиопеи, b Персея, o Кита на 21 марта.

3. Звезда Ригель находится  в нижней кульминации. В какое  время сегодня произойдет это  явление? Какие созвездия и звезды  в этот момент находятся в верхней кульминации?

4. Под каким углом небесный  экватор пересекает горизонт  для наблюдателя, находящегося: а) на  Южном полюсе; б) на экваторе; в) на  широте 25њ ; г) на широте 57њ .

5. Широта г. Челябинска 55њ 10m. Можно ли в нем наблюдать над горизонтом звезду Фомальгаут (a Южной Рыбы)?

6. Можно ли наблюдать  в Москве, на широте 55њ 45' обе кульминации звезды a Волопаса?

7. Сравните участки (дуги) суточных параллелей, по которым  перемещаются звезды Вега, Альтаир, Ригель, Сириус, Фомальгаут за равные промежутки времени и установите, какая из них быстрее движется на звездном небе и почему.

8. Установите, "под каким  созвездием вы родились", то  есть, в каком созвездии было  Солнце в ваш день рождения. Для этого соедините линией  полюс мира и дату вашего рождения и посмотрите, в каком созвездии эта линия пересечет эклиптику. Почему результат расходится с указанным в гороскопе? Сделайте вывод об уровне астрономических знаний астрологов.

9. В какое время сегодня  взошло Солнце? В какое время  оно зайдет? Определите продолжительность дня.

Рис.24а	Рис.24б

10. Какие из основных  линий и точек небесной сферы  изображены на рисунках 24а, б.

11. Группа школьников  отправилась в поход в юго-восточном  направлении. В каком направлении  им следует возвращаться?

12. "Красноармеец идет под утро в разведку по направлению Полярной звезды. После восхода Солнца он поворачивает обратно. Как он должен идти, руководствуясь Солнцем, если ему надо идти обратно час времени?" (Учебник астрономии 1935 года).

13. Изготовьте "модели  созвездий" (модели пространственного расположения звезд, проекции которых входят в данное созвездие), исходя из масштаба 1 см = 10 св. лет:

а) созвездие Ориона, если расстояния от Земли до звезд: Бетельгейзе, a Ориона - 650 св. лет; Ригель, b Ориона - 1000 св. лет; Беллатрикс, g Ориона и звезда c Ориона - 2000 св. лет; звезды "пояса Ориона" - 1150 св. лет;

б) созвездия Кассиопеи, если расстояния от Земли до звезд: a - 401,8 св. года, b -46 св. года, g - 94,5 св. год, d - 81,5 св. год, e - 466,2 св. года;

в) созвездия Большой Медведицы, если расстояния от Земли до звезд: a - 104,3 св. года, b - 71,7 св. года, g - 143,4 св. года, d - 61,9 св. года, e - 407,5 св. лет, x - 88,0 св. лет, h - 163 св. года;

г) звезд летне-осеннего треугольника: Вега, a Лиры – 26,1 св. лет, Денеб, a Лебедя – 815 св. лет, Альтаир, a Орла – 16,3 св. года.

Цель изготовления модели - убедиться: 1) несмотря на то, что звезды-шарики разделяют разные расстояния, из точки схождения нитей они дают именно тот рисунок созвездия Ориона, который мы видим на небе; 2) рисунок любого созвездия совершенно изменился бы, если бы мы могли взглянуть на слагающие его звезды "со стороны" - из любой другой, отдаленной на соответствующее расстояние от Земли, точки космического пространства.