Методические рекомендации по выполнению практических работ по Астрономии

К ОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ

ОБЛАСТНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«Рыльский аграрный техникум»

Методические рекомендации по выполнению практических работ

учебной дисциплины Астрономия

для студентов

специальностей «Механизация сельского хозяйства»

«Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

«Операционная деятельность в логистике»

Составитель: Дягилева Анастасия Валентиновна, преподаватель высшей квалификационной категории

Рыльск 2020 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Паспорт методических рекомендаций

по выполнению практических работ учебной дисциплины Астрономия

1. Область применения

Практические задания разработаны в соответствии с рабочей учебной программой дисциплины «Астрономия». Методические указания предназначены для аудиторной работы студентов 1 курса по специальностям: «Механизация сельского хозяйства», «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений» и «Операционная деятельность в логистике». В методических рекомендациях приведены основные теоретические положения, знания которых необходимы для решения задач, примеры решения типовых задач, задачи для самостоятельного решения (наиболее сложные снабжены ответами), а также инструкционными картами для выполнения практических раб по астрономии.

1. Цели и задачи изучения дисциплины Астрономия

личностные результаты освоения учебного предмета должны отражать:

− чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной астрономической науки;

− готовность к продолжению образования и повышения квалификации в избранной профессиональной деятельности и объективное осознание роли астрономических компетенций в этом;

− умение использовать достижения современной астрономической науки и технологий для повышения собственного интеллектуального развития в выбранной профессиональной деятельности;

− умение самостоятельно добывать новые для себя астрономические знания, используя для этого доступные источники информации;

− умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в команде по решению общих задач;

− умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития;

метапредметные

− использование различных видов познавательной деятельности для решения астрономических задач, применение основных методов познания (наблюдения, описания, измерения, эксперимента) для изучения различных сторон окружающей действительности;

− использование основных интеллектуальных операций: постановки задачи, формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов для изучения различных сторон астрономических объектов, явлений и процессов, с которыми возникает необходимость сталкиваться в профессиональной сфере;

− умение генерировать идеи и определять средства, необходимые для их реализации;

− умение использовать различные источники для получения информации, оценивать ее достоверность;

− умение анализировать и представлять информацию в различных видах;

− умение публично представлять результаты собственного исследования, вести дискуссии, доступно и гармонично сочетая содержание и формы представляемой информации;

предметные

- смысл понятий: активность, астероид, астрология, астрономия, астрофизика, атмосфера, болид, возмущения, восход светила, вращение небесных тел, Вселенная, вспышка, Галактика, горизонт, гранулы, затмение, виды звезд, зодиак, календарь, космогония, космология, космонавтика, космос, кольца планет, кометы, кратер, кульминация, основные точки, линии и плоскости небесной сферы, магнитная буря, Метагалактика, метеор, метеорит, метеорные тело, дождь, поток, Млечный Путь, моря и материки на Луне, небесная механика, видимое и реальное движение небесных тел и их систем, обсерватория, орбита, планета, полярное сияние, протуберанец, скопление, созвездия и их классификация, солнечная корона, солнцестояние, состав Солнечной системы, телескоп, терминатор, туманность, фазы Луны, фотосферные факелы, хромосфера, черная дыра, Эволюция, эклиптика, ядро;

- определение физических величин: астрономическая единица, афелий, блеск звезды, возраст небесного тела, параллакс, парсек, период, перигелий, физические характеристики планет и звезд, их химический состав, звездная величина, радиант, радиус светила, космические расстояния, светимость, световой год, сжатие планет, синодический и сидерический период, солнечная активность, солнечная постоянная, спектр светящихся тел Солнечной системы;

- смысл работ и формулировку законов: Аристотеля, Птолемея, Галилея, Коперника, Бруно, Ломоносова, Гершеля, Браге, Кеплера, Ньютона, Адамса, Галлея, Белопольского, Бредихина, Струве, Герцшпрунга-Рассела, Хаббла, Доплера, Фридмана, Эйнштейна;

- использовать карту звездного неба для нахождения координат светила;

- выражение результаты измерений и расчетов в единицах Международной системы;

- приведение примеров практического использования астрономических знаний о небесных телах и их системах;

- решение задачи на применение изученных астрономических законов.

СТРУКТУРА и ПРИМЕРНОЕ содержание

Практическая работа №1

«Звездное небо»

Цель работы: Изучение основных элементов небесной сферы на и экваториальной системы координат.

Оборудование: модель небесной сферы, циркуль, линейка, карандаш, ручка, ластик.

ВАРИАНТ I

1. Созвездием называют____________________________________________

2. Используя карту звездного неба, внесите в соответствующие графы таблицы схемы созвездий с яркими звездами. В каждом созвездии выделите наиболее яркую звезду и укажите название

Созвездие

Схема созвездия

Лев

Волопас

Малая медведица

Лебедь

Змееносец

Гидра

3 Какие цвета имеют звезды_________________________________

4. Что называют небесной сферой_____________________________

5 . Укажите названия точек и линий небесной сферы, обозначенных цифра 1-7 на рисунке

6. Как располагается ось мира относительно земной оси? В каких точках небесный экватор пересекается с линией горизонта?

7. Дополните рисунок необходимыми построениями и обозначениями так, чтобы на нем можно показать экваториальные координаты

ВАРИАНТ II

1. Созвездием называют____________________________________________

2. Используя карту звездного неба, внесите в соответствующие графы таблицы схемы созвездий с яркими звездами. В каждом созвездии выделите наиболее яркую звезду и укажите название

Созвездие

Схема созвездия

Возничий

Орион

Большая медведица

Близнецы

Ворон

Кит

3. Какую величину имеют самые яркие звезды ______________________

4. Что такое суточное вращение ____________________________________

5 . Укажите названия точек и линий небесной сферы, обозначенных цифра 8-14 на рисунке 1

6. Как располагается ось мира относительно плоскости небесного меридиана?

В каких точках небесный меридиан пересекается с линией горизонта?

7. Дополните рисунок необходимыми построениями и обозначениями так, чтобы на нем можно показать экваториальные координаты

Практическая работа №2

Определение масс небесных тел

Цель занятия: Освоить методику решения задач, используя законы движения планет.

Теоретические сведения

При решении задач неизвестное движение сравнивается с уже известным путём применения законов Кеплера и формул синодического периода обращения.

Первый закон Кеплера. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планеты описывает в равные времена равные площади.

Т ретий закон Кеплера. Квадраты времен обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит: Для определения масс небесных тел применяют обобщённый третий закон Кеплера с учётом сил всемирного тяготения:

где М₁ и М₂ -массы каких-либо небесных тел, а m₁ и m₂ - соответственно массы их спутников.

Обобщённый третий закон  Кеплера применим и к другим системам, например, к движению планеты вокруг Солнца и спутника вокруг планеты. Для этого сравнивают движение Луны вокруг Земли с движением спутника вокруг той планеты, массу которой определяют, и при этом массами спутников в сравнении с массой центрального тела пренебрегают. При этом в исходной формуле индекс надо отнести к движению Луны вокруг Земли массой , а индекс 2 –к движению любого спутника вокруг планеты массой . Тогда масса планеты вычисляется по формуле:

, где Т_л и α_л- период и большая полуось орбиты спутника планеты , М⊕ -масса Земли.

Формулы, определяющие соотношение между сидерическим (звёздным) Т и синодическим периодами S планеты и периодом обращения Земли , выраженными в годах или сутках,

а) для внешней планеты формула имеет вид:

б) для внутренней планеты:

Решите следующие задачи

Задание 1. За какое время Марс, находящийся от Солнца примерно в полтора раза, чем Земля, совершает полный оборот вокруг Солнца?

Задание 2. Вычислить массу Юпитера, зная, что его спутник Ио совершает оборот вокруг планеты за 1,77 суток, а большая полуось его орбиты – 422 тыс. км

Задание 3. Противостояния некоторой планеты повторяются через 2 года. Чему равна большая полуось её орбиты?

Задание 4. Определите массу планеты Уран (в массах Земли), если известно, что спутник Урана Титания обращается вокруг него с периодом 8,7 сут. на среднем расстоянии 438 тыс. км.для луны эти величины равны соответственно 27,3 сут. и 384 тыс. км.

Задание 5. Марс дальше от Солнца, чем Земля, в 1.5 раза. Какова продолжительность года на Марсе? Орбиты планет считать круговыми.

Задание 6. Синодический период планеты 500 суток. Определите большую полуось её орбиты и звёздный (сидерический) период обращения.

Задание 7.  Определить период обращения астероида Белоруссия если большая полуось его орбиты а=2,4 а.е.

Практическая работа №3

Определение расстояний и размеров тел Солнечной системы.

Цель занятия: Рассмотреть различные способы определения расстояния до тел Солнечной системы. Дать понятие горизонтального параллаксаи закрепить способ нахождения расстояния и размеров тел через горизонтальный параллакс.

Методические указания

Для выполнения практической работы выполните предложенные задания, ответьте на контрольные вопросы, тетрадь сдайте на проверку преподавателю.

Для работы пользуйтесь следующей информацией:

Используя третий закон Кеплера, среднее расстояние всех планет от Солнца можно выразить через среднее расстояние Земли от Солнца. Определив его в километрах, можно найти в этих единицах все расстояния в Солнечной системе. По третьему закону Кеплера можно определить расстояние до тел СС, зная периоды обращений и одно из расстояний.

Пример 1. Период обращения Марса вокруг Солнца составляет примерно 687 сут. Как на основе законов Кеплера определить расстояние от Марса до Солнца?

Связь между средним расстоянием планеты от Солнца и периодом её вращения устанавливает третий закон Кеплера:   Удобнее воспользоваться иной формой закона для связи характеристик двух планет: 

В качестве второй планеты рационально взять Землю: её расстояние до Солнца 1 а. е., период обращения 365 сут. В итоге получаем простое соотношение   Расчёт даёт для среднего расстояния от Марса до Солнца значение, равное 1,52 а. е., или 228 млн км.

Астрономическая единица (обозначение а.е.), среднее расстояние от Земли до Солнца, используемое как основная единица расстояния, особенно для измерений в пределах Солнечной системы. 1а.е. равняется 149 598 000 км.

Параллакс (греч. παραλλάξ, от παραλλαγή, «смена, чередование») - угол, под которым из недоступного места (точка C) будет виден отрезок AB, называемый базисом. Базис - тщательно измеренное расстояние от наблюдателя до какой-либо достигнутой для наблюдения точки (отрезок AB) (обыкновенно за базис принимают радиус Земли). Экваториальный радиус Земли R=6378км.

Пусть К - местонахождение наблюдателя, из которого светило видно на горизонте. Из рисунка видно, что из прямоугольного треугольника гипотенуза, ра сстояние D равно:  

так как при малом значении угла если выражать величину угла в радианах и учитывать, что угол выражен в секундах дуги, а 1рад =57,30=3438'=206265", то и получается вторая ф ормула.

Угол (ρ) под которым со светила, находящегося на горизонте (R - перпендикулярно лучу зрения) был бы виден экваториальный радиус Земли называется горизонтальным экваториальным параллаксом светила.

Пример: На каком расстоянии от Земли находится Сатурн, если его параллакс 0,9". из формулы D=(206265/0,9)*6378= 1461731300км = 1461731300/149600000 ≈9,77а.е.

Ход работы

Решите задачи

1. “Спутник-1”, запущенный 4 октября 1957г на орбиту Земли имел перигей 228 км и апогей 947 км при периоде обращения 96,2 мин. Определите большую полуось орбиты. 

2. Чему равна большая полуось орбиты Урана, если звездный период обращения этой планеты вокруг Солнца составляет 84 года? Принять расстояние Земли от Солнца и период ее обращения за 1.

3. Большая полуось орбиты Сатурна 9,5 а. е. Каков звездный период его обращения вокруг Солнца?

4. Большая полуось орбиты Юпитера 5 а. е. Каков звездный период его обращения вокруг Солнца?

5. Звездный период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет 12 лет. Каково среднее расстояние Юпитера до Солнца?

6. Большая полуось орбиты Марса 1,2 а. е. Чему равен звездный период его обращения вокруг Солнца?

7. Большая полуось орбиты Венеры 0,7 а. е. Чему равен звездный период ее обращения вокруг Солнца?

8. Определите расстояние от Земли до Марса во время великого противостояния, когда его горизонтальный параллакс p = 23,2″.

9. На какое расстояние к Земле подлетал астероид Икар, если его горизонтальный параллакс в это время был p = 18,0″?

Контрольные вопросы

1. По какой формуле можно определить расстояние от небесного тела до Земли?

2. Что такое горизонтальный параллакс?

3. От чего зависит звездный период обращения планет вокруг Солнца?

4. Что такое базис?

1. Чему равен угловой диаметр Солнца, видимый с Венеры?

Практическая работа № 4

«Определение основных характеристик звёзд»

Цель работы: формирование осознания роли отечественной науки в освоении и использованиикосмического пространства и развитии международного сотрудничества в этой области сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников

Ход работы

Благодаря работе астрономов разных стран, за последние десятилетия мы много узнали о развитии звёзд иих эволюции. Все данные получены благодаря наблюдению множества звёзд, находящихся на разных этапахэволюции.

Основными свойствами звёзд являются: светимость (полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени (L), температура поверхности, масса, радиус.

Между всеми этими характеристиками существует связь. Эта связь отображена на диаграмме Герцшпрунга - Рассела (Спектр – Светимость представлена на картинке)

Из этой диаграммы видно, что звёзды создают определённую последовательность. Полоса, идущая с левого верхнего угла в правый нижний, называется "главная последовательность" В верхнем правом углу находятся холодные, но в тоже время огромные звёзды, называемые красными гигантами. В левом нижнем углу –"белые карлики". Очень горячиезвёзды, но и очень маленькие. Солнце имеет спектральный класс G2.

Изучите способы решения задач по астрономии по теме «Определениеосновных характеристик звёзд». Перепишите в тетрадь и решите по образцу задачи под номерами4,5,6.

Разберите решение задачи.

1. Параллакс звезды Арктур 0,085”. Определите расстояние до звезды.

Дано: Решение.

Запишите формулу для определения расстояния:

Найти: Подставьте значения:

r - ? Выразите расстояние в световых годах:

Ответ: расстояние до звезды Арктур 38 св. лет.

1. Если бы по орбите Земли двигалась звезда с такой же массой, как у Солнца, каков бы был период её обращения?

Дано: Решение.

А = 1 а.е. Запишите формулу для определения массы двойных звёзд:

m 1+m2=2M Преобразуйте формулу, выразив период обращения звёзд:

Найти: Подставьте значения:

T - ? Ответ: период обращения звёзд был бы равен 0,7 лет.

1. Во сколько раз Денеб больше Солнца?

Светимость и температуру поверхностизвезды выпишите из таблицы «Основные сведения о наиболее ярких звёздах, видимых в России».

Д ано: Решение:

L = 16000 Запишите формулу для определения радиуса звезды:

T = 9800 K Подставьте значения:

T = 6000 K

Найти: Ответ: Денеб больше Солнца в 47 раз.

R - ?

Решите задачи самостоятельно

1. . Параллакс звезды Денеб 0,005”. Определите расстояние до звезды.

2. У двойной звезды период обращения 100 лет. Большая полуось орбиты 40 а.е. Определите сумму масс двойной звезды.

3. Во сколько раз Капелла больше Солнца?

Напишите вывод по работе и ответьте на вопросы

Контрольные вопросы

1. На каком примерно расстоянии надо поместить 100-ваттную лампочку, чтобы она выглядела как звезда 0-й звездной величины?

2. Можно ли с Луны невооруженным глазом увидеть города на Земле?

3. Один из четырех галилеевых спутников Юпитера – Европа – имеет радиус 1600 км и полностью покрыт льдом. Оцените звездную величину Европы в тот момент, когда Юпитер ближе всего к Земле.

Практическая работа № 5

«Определение скорости движения звёзд в Галактике»

Цель работы: научиться определять скорости движения звезд в Галактике

Теоретический материал

Все звезды в Галактике движутся вокруг ее центра по почти круговым орбитам, а также обладают собственным движением под действием сил притяжения других звезд. Собственные движения звезд – величины очень маленькие, поэтому обнаружить собственное движение возможно, наблюдая звезды в течение длительного промежутка времени (порядка 100 лет и более).

Собственное движение звезды– это ее видимое угловое перемещение по небесной сфере в среднем за год. Собственные движения звезд определяются из наблюдений изменения их экваториальных координат.

Изучение собственных движений, а также проекций пространственных скоростей звезд на луч зрения позволяет определить направление и скорость движения Солнца в пространстве, а также обнаружить вращение Галактики.

Пространственные скорости звезд определяются из наблюдений. Пространственная скорость звезды V состоит из двух компонент – ее касательной или тангенциальной скорости V_t и лучевой скорости V_r (рис. 1).

Т ангенциальная скорость V_t определяется по формуле V_t = μ/p а. е. в год, где μ – собственное движение звезды, p – ее параллакс; а лучевая скорость определяется по величине красного смещения линий в спектре звезды, вызванного эффектом Доплера. Тогда полная скорость звезды определится по формуле:

.

Изучите способы решения задач по астрономии по данной теме. Перепишите в тетрадь и решите по образцу задачи под номерами 4,5,6.

Разберите решение задачи.

1. Собственное движение звезды составляет 0,2” в год. Расстояние до неё 10 пк. Какова тангенциальная скорость звезды?

Д ано: Решение.

Запишите формулу для тангенциальной скорости:

r = 10 пк Рассчитайте тангенциальную скорость звезды:

Найти: Ответ: тангенциальная скорость звезды 9,5 км/с.

1. В спектре звезды из задачи № 1 смещение линии гелия 5876 составляет 0,6 . Определите лучевую скорость звезды.

Дано: Решение.

Запишите формулу для лучевой скорости звезды при помощи

спектрального анализа на основании эффекта Доплера: , где

Найти: - скорость света.

Рассчитайте лучевую скорость звезды:

Ответ: лучевая скорость звезды 31 км/с.

1. Определите пространственную скорость звезды, используя ответы к задачам №№ 1 и 2.

Д ано: Решение:

Запишите теорему Пифагора для определения пространственной

скорости звезды:

Рассчитайте пространственную скорость звезды:

Найти:

v - ? Ответ: пространственная скорость звезды 32 км/с.

Решите задачу самостоятельно

1. . Собственное движение звезды составляет 0,1” в год. Расстояние до неё 50 пк. Какова тангенциальная скорость звезды?

2. В спектре звезды из задачи № 4 смещение лабораторной длины волны 5000 составляет 0,17 . Определите лучевую скорость звезды.

3. Определите пространственную скорость звезды, используя ответы к задачам №№ 4 и 5.

Напишите вывод по работе и ответьте на вопросы.

Контрольные вопросы

1.В каких пределах заключены радиусы и массы звезд, светимости звезд?

2.Какие звезды самые горячие, холодные?

3.Какие звезды называются гигантами, карликами?

4.Какую температуру имеют красные карлики, желтые карлики, голубые гиганты?

5.Что называется светимостью звезды?

6.Какова светимость Солнца в ваттах?

7.Какие спектральные классы звезд вам известны?

8.К какому спектральному классу звезд относится Солнце?

КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения практических занятий, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов, исследований.

Оценка результата выполнения практических заданий:

Используемые источники:

1. Астрономия // Энциклопедия для детей. - М.: Аванта+, 2017. - 686 с.

2. Воронцов-Вельяминов Б.А., Астрономия. Базовый уровень. 11 класс: учебник / Б.А. Воронцов-Вельяминов, Е.К. Страут. 5-е изд., пересмотр. М.:Дрофа, 2018. - 238,[2] с. : ил,, 8л.цв. вкл. (Российский учебник).

3. Гаврилов М.Г. Звездный мир: сборник задач по астрономии и космической физике. - М., 2018 - 99 с.

4. Порфирьев В.В., Астрономия: Учебник для 11 кл. – М.: Просвещение, 2014 – 174 с.ил

5. Страут, Е. К. Методическое пособие к учебнику Б. А. Воронцова-Вельяминова, Е. К. Страута «Астрономия. Базовый уровень. 11 класс» / Е. К. Страут. — М. : Дрофа, 2013. — 29, [3] с.

6. www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia

7. http://www.astro.websib.ru/

8. http://www.myastronomy.ru

9. http://class-fizika.narod.ru

10. https://sites.google.com/site/astronomlevitan/plakaty

11. http://earth-and-universe.narod.ru/index.html

12. http://catalog.prosv.ru/item/28633