Урок 33. Основы современной космологии Цели урока
Личностные: высказывать собственную позицию относительно теории антитяготения и направлений поисков темной энергии.
Метапредметные: приводить доказательства ускорения расширения Вселенной; анализировать процесс формирования галактик и звезд.
Предметные: формулировать смысл гипотезы Г. А. Гамова о горячем начале Вселенной, обосновы- вать ее справедливость и приводить подтвержде- ние; характеризовать понятие «реликтовое излуче- ние»; описывать общие положения теории Большо- го взрыва; характеризовать процесс образования химических элементов; описывать научные гипоте- зы существования темной энергии и явления анти- тяготения.
Основной материал
Научные факты, свидетельствующие о различ- ных этапах эволюционного процесса во Вселенной. Темная энергия и ее характеристики. Современная космологическая модель возникновения и развития Вселенной с опорой на гипотезу Г. А. Гамова, обна- руженное реликтовое излучение.
Методические акценты урока. В начале урока для активизации внимания учащихся важно предло- жить ряд следующих заданий.
Рассмотрите графическую интерпретацию эф- фекта Доплера (рис. 20). Используя рисунок, дайте словесное описание данного явления.
Определите, сколько лет идет к нам свет от га- лактики, скорость удаления которой 5•104 км/с.
Используя воздушный шарик и маркер, пока- жите, как будет меняться расстояние между точка- ми, нанесенными на поверхность шарика и располо- женными близко и далеко друг от друга, если шарик надувать. Моделью какого процесса выступает дан- ная система шарика с нанесенными точками?
Поясните, какой смысл имеет каждая из вели- чин, входящих в закон Хаббла.
Рис. 20
Последнее задание переводит внимание учащих- ся в плоскость содержания занятия. В процессе об- суждения необходимо подвести учащихся к выводу о том, что в более раннюю эпоху по сравнению с ны- нешней галактики должны были находиться гораз- до ближе. Следовательно, теория определяет, что в некоторый момент времени во Вселенной не су- ществовало ни галактик, ни звезд, ни других наблю- даемых сейчас объектов. Важно сделать вывод о не- обходимости построения сценария возникновения Вселенной — качественного анализа возможных следствий принятых исходных положений и сравне- ние их с наблюдаемыми явлениями. Учащимся предлагается самостоятельно, используя материал
§ 27 учебника, заполнить таблицу.
Основание для разработки сценария | Автор(ы) откры- тия/теории | Содер- жание открытия/ теории | Подтвер- ждение открытия/ теории |
Гипотеза «горя- чей Вселенной» | Г. А. Гамов | | |
Открытие реликтового излучения | А. Пензиас, Р. Вильсон | | |
Окончание табл.
Основание для разработки сценария | Автор(ы) откры- тия/теории | Содер- жание открытия/ теории | Подтвер- ждение открытия/ теории |
Исследова- ние крупно- масштабной структуры Вселенной | Я. Б. Зельдо- вич | | |
Физические свойства ваку- ума | Э. Б. Глинер | | |
Лямбда-член в уравнениях ОТО | А. Эйнштейн | | |
При обсуждении результатов выполнения учащи- мися задания необходимо акцентировать внимание на том, что открытые в земных условиях законы фи- зики используются для исследования Вселенной. Не исключено, что в процессе исследования Вселенной будут открыты неизвестные новые явления и типы космических объектов. Среди них — темная энер- гия. Совместно с учащимися анализируется рису- нок 6.28 учебника, на котором представлены кри- вые, отражающие теоретические и практические данные о связи «красного смещения» и расстояний до звезд. Темная энергия, обладающая антигравита- ционными свойствами, — главная причина расши- рения Вселенной. Она составляет 74% Вселенной. После анализа темной энергии как нового вида мате- рии анализируются некоторые ее предполагаемые свойства:
равномерно распределена по Вселенной, в от-
личие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Главные кандидаты на роль темной энергии — вакуум и гипотетическое сверхслабое поле;
ная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках;
— обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствую- щая его растяжению. Аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздуш- ного шарика: каждый квадратный сантиметр рас- тянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно бы стянулась. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равно- мерно распределено по всей поверхности. Причем, если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии.
Обобщая рассмотренные научные факты, свиде-
тельствующие о различных этапах эволюционного процесса во Вселенной, важно совместно с учащими- ся конкретизировать наиболее распространенную в современной науке модель возникновения и раз- вития Вселенной. Анализируя графическую интер- претацию данного процесса (представленную на цветной вклейке учебника В. А. Касьянова «Физи- ка. Углубленный уровень. 11 класс»), учащиеся за- полняют таблицу.
Время с момента возникновения Вселенной | Температура Вселенной, К | Характеристика Вселенной |
| | |
После окончания обсуждения результаты запол- нения данной таблицы могут быть приблизительно следующими.
Время с момен- та возникнове- ния Вселенной | Темпера- тура Все- ленной, К | Характеристика Вселенной |
10–43 с | 1032 | После Большого взрыва суще- ствует физический вакуум, все взаимодействия неразли- |
Продолжение табл.
Время с момен- та возникнове- ния Вселенной | Темпера- тура Все- ленной, К | Характеристика Вселенной |
| | чимы; плотность вещества 1097 кг/м3 |
10–43—10–12 с | До 1015 | Фазовый переход: грави- тационное взаимодействие становится независимым, существует единое электро- слабое взаимодействие; далее отделяется сильное взаимо- действие, Вселенная расши- ряется; разделяется электро- магнитное и электрослабое взаимодействие |
10–12—10–6 с | До 1013 | Вселенную заполняет смесь кварков—антикварков, леп- тонов—антилептонов |
10–6—10–4 с | До 1012 | Возникновение адронов—ан- тиадронов, существование лептонов—антилептонов, переносчики всех видов взаи- модействия |
10–4—1 с | До 1010 | Реакции аннигиляции и рождение пар частица—анти- частица |
1—100 с | До 109 | Антивещество практически полностью аннигилировало, вещество представлено нукло- нами, электронами, излуче- ние — фотонами и нейтрино; возникновение нуклеосинтеза |
100 с — 15 мин — 350 тыс. лет — 1 млрд лет | 3000 | 75% — ядра водорода и 25% — ядра гелия; свобод- ных нейтронов для синтеза тяжелых изотопов не оста- лось. Возникновение релик- тового излучения; процессы рекомбинации преобладают над процессами ионизации, |
Окончание табл.
Время с момен- та возникнове- ния Вселенной | Темпера- тура Все- ленной, К | Характеристика Вселенной |
| | вещество переходит в газо- образное состояние, Вселен- ная непрозрачна |
1 млрд лет — настоящее время | 15 | Вселенная прозрачна для теплового излучения, излуче- ние перестает взаимодейство- вать с веществом, изотропно распространяясь во всех направлениях |
Будущее — 5—20 млрд лет | | В Солнечной системе Солнце превратится в красный ги- гант, а затем в белый карлик; Галактика столкнется с ту- манностью Андромеды |
1020 лет | | Время жизни звезд начнет сокращаться из-за роста в них тяжелых элементов; Галакти- ка разрушится |
10100 лет | | Распадутся протоны, испа- рятся черные дыры галакти- ческого масштаба |
Рис. 21
Для создания полноты картины возникновения Все- ленной важно вернуться в контексте данного сценария к процессу образования га- лактик и планетных систем на примере Солнечной систе- мы, предложив учащимся следующие задания.
Используя рисунок 21, поясните процесс образова- ния сверхскоплений галак- тик.
Используя рисунок 22, поясните процесс образова- ния различных типов галак- тик.
Рис. 22
Используя представленную схему (рис. 23), по- ясните процесс возникновения звезд.
Рис. 23
Домашнее задание. § 27; практическое задание. Сравните прошлые представления о строении
Вселенной в геоцентрической и гелиоцентрической системах мира с современными.
Темы проектов
Научная деятельность Г. А. Гамова.
Нобелевские премии по физике за работы в об- ласти космологии.
Интернет-ресурсы
http://physics.kgsu.ru/astronomia/NV/Evaluz%- 20vselennoy.htm — Эволюция Вселенной.
http://www.sai.msu.su/ng/galaxy_universe/ot- her_galaxes.html — Распределение галактик в про- странстве. Структура и эволюция Вселенной
https://www.youtube.com/watch?v=TxvlFZK0s- Ts — Состав и эволюция Вселенной.
https://www.youtube.com/watch?v=UdDfn2- VjC7Q — История Вселенной за 10 минут.
1