Практические работы по астрономии.

Бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Омской области «Сибирский профессиональный колледж»

Методические указания по выполнению практических работ по учебному предмету «Астрономия»

(Социально-экономический профиль)

Омск 2022

Ор­га­ни­за­ция-раз­ра­бот­чик: БПОУ ОО «Си­бир­ский про­фес­сио­наль­ный кол­ледж»

Раз­ра­бот­чик: Янзытова Л.И. БПОУ ОО «Си­бир­ский про­фес­сио­наль­ный кол­ледж»

Рекомендовано учебно-методическим советом БПОУ ОО «Си­бир­ский про­фес­сио­наль­ный кол­ледж» для применения в учебном процессе, протокол №____ от «___» ______________ 2022 г.

Содержание

Введение

Наблюдения и практические работы по астрономии играют важную роль в формировании астрономических понятий. Они повышают интерес к изучаемому предмету, связывают теорию и практику, развивают наблюдательность и внимательность. Практические работы проводятся с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний, развития и совершенствования экспериментальных умений, формирования самостоятельности.

В методических указаниях содержатся краткие теоретические знания, необходимые для выполнения практических работ. Данные методические указания включают в себя те практические работы, которые не требуют специального оборудования для наблюдений. Они рассчитаны на работу со звездной картой, астрономическим календарем и каталогом звездного неба. Для развития навыков в использовании теоретических знаний в разработке приводятся задачи с эталонами решений, задания для самоподготовки, тесты, задания для самостоятельной работы.

Методические указания составлены для трёх практических работ по курсу и основаны на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении астрономии на теоретических занятиях.

Цели и задачи практических работ:

- развить познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности в процессе решения астрономических задач и самостоятельного приобретения новых знаний;

- воспитать дух сотрудничества в процессе совместного решения задач;

- сформировать умения применять знания по астрономии для объяснения явлений природы, решения физических задач, самостоятельного приобретения и оценки новой информации физического содержания, использования современных информационных технологий;

- познакомить с основными методами астрономических исследований и расчетов.

Каждая практическая работа включает в себя кратко сформулированную цель работы, необходимый теоретический материал, описание хода работы, перечень пособий и оборудования, необходимых для ее выполнения, таблицы, контрольные вопросы, перед выполнением практической работы следует повторить данную тему по конспекту лекций или по учебнику. Такой принцип приучает к самостоятельной проработке необходимой литературы и к сознательному выполнению лабораторно-практических работ.

Выполнение работ является обязательным для всех обучающихся.

Требования к оформлению результатов практических работ

Результаты практической работы аккуратно оформляются в рабочей тетради в соответствии со схемой, предлагаемой в методических указаниях по изучаемой теме.

По каждому практическому занятию в тетради студента должны быть следующие записи:

- дата и название темы занятия;

- название практической работы;

- цель работы;

- образец решения задач.

- письменные ответы на вопросы, предлагаемые для самостоятельной работы;

- краткая запись условия задач и письменное решение задач, заполнение таблиц.

- формулировка выводов.

В конце занятия студент обязательно подает выполненную работу на подпись преподавателю.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Оценка «5» ставится в том случае, если студент:

- выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения измерений;

- в отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления.

Оценка «4» ставится в том случае, если:

- были допущены недочеты или негрубые ошибки в соответствие с требованиями к оценке «5».

Оценка «3» ставится, если:

- результат выполненной части таков, что позволяет получить правильные выводы, но в ходе проведения измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» ставится, если:

- результаты не позволяют сделать правильных выводов,

- измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Критерии оценивания расчётной задачи

Отметка «5» - приведено полное правильное решение, включающее следующие элементы: верно записано краткое условие задачи; записаны уравнения и формулы, применение которых необходимо и достаточно для решения задачи выбранным способом; выполнены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ. При этом допускается решение «по частям» (с промежуточными вычислениями).

Отметка «4»

- правильно записаны необходимые формулы, проведены вычисления, и получен ответ (верный или неверный), но допущена ошибка в записи краткого условия или переводе единиц в СИ.

-Записаны уравнения и формулы, применение которых необходимо и достаточно для решения задачи выбранным способом, но в математических преобразованиях или вычислениях допущена ошибка.

Отметка «3»

- записаны и использованы не все исходные формулы, необходимые для решения задачи.

-Записаны все исходные формулы, но в одной из них допущена ошибка.

-Записаны только исходные формулы, необходимые для решения.

Отметка «2

- задача решена неверно или не сделана.

Практическая работа № 1

Изучение карты звездного неба. Определение координат.

Цель работы: научиться пользоваться подвижной картой звездного неба и определять с ее помощью координаты звезд.

Оборудование: подвижная карта звездного неба, накладной круг.

Теория

Астрономия – наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел.

Небесная сфера

Для изучения видимого расположения свети и явлений, которые можно наблюдать на небе в течение суток или многих месяцев в астрономии применяют понятие «небесная сфера».

Небесная сфера – воображаемая сфера произвольного радиуса, в центре которой находится глаз наблюдателя. На поверхность этой сферы проецируют видимое положение всех светил, отвлекаясь от действительных расстояний, и рассматривают лишь угловое расстояние между ними. А для удобства измерений строят ряд точек и линий.

Основные линии и точки небесной сферы.

Z – зенит;

Z ^/ – надир;

ZZ ^/ – отвесная линия;

P – северный полюс мира;

P ^/ – южный полюс мира;

PP ^/ – ось мира – ось видимого вращения небесной сферы;

Плоскость перпендикулярная отвесной линии и проходящая через центр небесной сферы называется плоскостью истинного математического горизонта.

Ось мира для наблюдателя всегда параллельна оси вращения Земли.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы, перпендикулярно оси мира называется небесным экватором.

Точки, в которых небесный экватор пересекает плоскость истинного математического горизонта, называются точками Востока (E) и Запада (W). Две другие равно отдаленные от них называются точками Севера (N) и Юга (S).

SN – полуденная линия.

Окружность, проходящая через полюсы мира, зенит, надир, через точку Севера и Юга называется небесным меридианом.

Небесные координаты

Экваториальная система координат

Предназначена для составления звездных карт, атласов и каталогов.

Основная линия – ось мира.

Основная плоскость – плоскость небесного экватора.

Большой круг небесной сферы, проходящий через полюсы мира и наблюдаемое светило, называется кругом склонения светила.

Склонение ( ) – дуга круга склонения от экватора до светила ( ). Изменяется в пределах от – 90⁰ до +90⁰. Измеряется в градусах (минутах и секундах). Иногда вместо склонения светила рассматривают полюсное (или полярное) расстояние (P^o) – дуга круга склонения от северного полюса до светила ( ). Изменяется в пределах от 0⁰ до 180⁰. Измеряется в градусах (минутах и секундах).

Прямое восхождение ( ) – дуга небесного экватора от точки весеннего равноденствия до точки пересечения круга склонения с экватором, против часовой стрелки (т. е. от Юга к Востоку) ( ). Изменяется в пределах от 0^h до 24^h. Измеряется в часах (минутах и секундах).

Воображаемая линия годового движения Солнца называется эклиптикой. Эклиптика и небесный экватор пересекаются в точке весеннего равноденствия и точке осеннего равноденствия. Всю эклиптику Солнце проходит ровно за год. Созвездия, через которые проходит эклиптика, называют зодиакальными

Созвездия и звезды

Все небо разделено на 88 участков, имеющих строго определенные границы – созвездия. Созвездия – соединение звезд в различные фигуры. Такое определение давалось тысячи лет назад. Сейчас созвездию мы можем дать такое определение. Созвездия – участки звездного неба, выделенные для удобства ориентировки на небесной сфере и обозначения звезд. В таблице 1 представлено несколько созвездий и некоторые входящие в их состав звезды.

Таблица 1. Созвездия и их звёзды

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомьтесь с описанием подвижной карты звездного неба (приложение 1). Подвижная карта звездного неба позволяет определить вид звездного неба в любой момент суток произвольного дня года и быстро решать ряд практических задач на условия видимости небесных светил.

На карте показаны созвездия, состоящие из ярких звезд до 3-ей звездной величины, а также некоторые более слабые звезды, дополняющие первичные очертания созвездий. Звезды изображены черными кружечками разных размеров: чем ярче звезда, тем более крупные кружки их изображают. Основные звезды созвездий обозначены буквами греческого алфавита. Крупными тесно расположенными точками представлены яркие звездные скопления, а штриховой – яркие туманности. Полоса, выполненная в виде точек, изображает МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ.

В центре карты расположен Северный полюс мира и рядом с ним Полярная звезда (α Малой медведицы). От Северного полюса мира расходятся радиусы, изображающие прямое восхождение (α), выраженное в часах. Начальный круг склонения, оцифрованный нулем (0)”, проходит через точку весеннего равноденствия, обозначенная знаком. Диаметрально противоположный круг склонения с прямым восхождением α = 12 ч проходит через точку осеннего равноденствия.

Концентрические окружности на карте изображают небесные параллели, а числа у точек их пересечения с нулевым (0 ч) и 12-часовым кругами склонения показывают их склонение (δ), выраженное в градусах. Третья по счету от Полюса мира окружность, оцифрованная 0⁰, представляет собой небесный экватор, внутри которого расположена северная небесная полусфера, а вне его – пояс южной небесной полусферы до склонения δ = (-45⁰). Так как в действительности диаметры небесных параллелей меньше диаметра небесного экватора, а на карте небесные параллели южной полусферы вынужденно изображены больших размеров, то вид созвездий южного неба несколько искажен, что следует иметь в виду при изучении звездного неба.

Эклиптика изображена на карте эксцентрическим овалом, пересекающимся с небесным экватором в двух равнодействующих точках.

На обрезе карты нанесены названия месяцев года и даты. Направление счета месяцев, дат и прямого восхождения – по вращению часовой стрелки. В этом же направлении следует изображать перемещение Солнца по эклиптике.

В карте приложен накладной круг, внутри которого начерчены оцифрованные пересекающиеся овалы, а по обрезу нанесен часовой лимб, изображающий часы суток по среднему солнечному времени T. Направление счета времени на этом лимбе – против часовой стрелки.

Внутренний вырез в накладном круге делается по овалу, оцифрованному числом наиболее близким к географической широте местности, в которой карта будет использоваться.

Контур овального выреза в наклонном круге изображает горизонт, и его основные точки обозначены буквами Ю (точка юга), З (точка запада), С (точка севера) и В (точка востока). Между точками Ю и С необходимо натянуть темную нить, который изображают небесный меридиан. При работе с картой накладной круг накладывается на карту всегда концентрично, причем нить (небесный меридиан) должна обязательно проходить через Северный полюс мира. Тогда отрезок нити, расположенный между Северным полюсом мира и точкой Ю, представит южную половину небесного меридиана, а остальной ее отрезок – северную ее половину.

Наложив круг концентрично на карту, необходимо на нити отметить (хотя бы узелком) точку ее пересечения с небесной параллелью, склонение которой равно географической широте (или близко к ней) места наблюдений. Эта точка, лежащая вблизи центра накладного круга, изобразит зенит.

Чтобы определить вид звездного неба на интересующий момент суток определенного дня года (даты), достаточно наложить круг концентрично на карту (нить – меридиан проходит через Полюс мира) так, чтобы штрих момента времени совпадал со штрихом заданной карты, и тогда звезды, находящиеся в данный момент над горизонтом, окажутся расположенными внутри овального выреза.

Звезды, закрытые накладным кругом, в этот момент не видны, так как находятся под горизонтом. Северный полюс мира изображен в центре карты. Линии, исходящие от Северного полюса мира, показывают расположение кругов склонения. На звездной карте для двух ближайших кругов склонение угловое расстояние равно 2 часам. Небесные параллели нанесены через 30. С их помощью производят отсчет склонения светил δ. Точки пересечения эклиптики с экватором, для которых прямое восхождение 0 и 12 часов, называются соответственно точками весеннего и осеннего равноденствий. По краю звездной карты нанесены месяцы и числа, а накладном круге – часы.

Для определения местоположения небесного светила необходимо месяц, число, указанные на звездной карте, совместить с часом наблюдения на накладном круге.

На карте зенит расположен вблизи центра выреза (в точке пересечения нити, изображающий небесный меридиан с небесной параллелью, склонение которой равно географической широте места наблюдения).

Подвижная карта звездного неба позволяет решить ряд практических задач по астрономии.

2. Описать вид звездного неба в заданное время и дату.

А) Установить подвижную карту звездного неба на день и час наблюдения. Для этого сопоставить дату на внешнем круге карты с заданным временем на накладном круге. Рассматривая участок звездного неба в окне накладного круга, заполнить таблицу.

Б) Найти созвездия, расположенные между точками запада и севера 10 октября в 21 час.  

В) Найти на звездной карте созвездия с обозначенными в них туманностями. 

Г) Определить, будут ли видны созвездия Девы, Рака, Весов в полночь 15 сентября? Какое созвездие в это же время будет находиться вблизи горизонта на севере? 

Д) Определить, какие из перечисленных созвездий: Малая Медведица, Волопас, Возничий, Орион – для данной широты будут незаходящими? 

Е) Ответить на вопрос: может ли для вашей широты 20 сентября Андромеда находиться в зените? 

Ж) На карте звездного неба найти перечисленные созвездия: Большая Медведица, Большой Пёс, Орион, Овен, Лебедь, Южная рыба, Дева – и определить приближенно небесные координаты (склонение и прямое восхождение) α-звезд этих созвездий. 

З) Определить по небесным координатам (склонение и прямое восхождение) на карте звездного неба название звезд созвездий: α=18ч 33мин., δ=+39⁰; α=20ч 50мин., δ=+43⁰; α=3ч 00мин., δ=+45⁰.

И) Определить, какое созвездие будет находиться вблизи горизонта на юге 30 июля в полночь? 

К) Сделайте вывод о проделанной работе.

Дополнительные задания

1.) В каких созвездиях находятся звезды, экваториальные координаты которых равны:

1. , ; 2. , ;

3. , ; 4. , ;

5. , ; 6. , ;

7. , ; 8. , ;

9. , ; 10. , ;

11. , ; 12. , .

2.) По карте звездного неба определите экваториальные координаты звезд:

1. Альтаира; 2. Кастор;

3. Капелла; 4. Беллатрикс;

5. Алнилам; 6. Алиот;

7. Дубхе; 8. Мира;

9. Мирфак; 10. Вега;

11. Нат; 12. Алнитак.

3.) Координаты точки, где вспыхнул метеор такие: , , а погас в точке с координатами , . Через какие созвездия пролетел метеор?

Контрольные вопросы

1. Дайте определение астрономии как науки.

2. Перечислите основные этапы развития астрономии.

3. Расскажите о небесной сфере.

4. Какие небесные системы координат вы знаете?

5. Расскажите о горизонтальной системе координат.

6. Расскажите о второй экваториальной системе координат.

7. Дайте определение созвездия. Приведите примеры.

8. Дайте определение эклиптики.

9. Как находить по карте звездного неба экваториальные координаты звезд и наоборот.

Практическая работа №2

Решение задач на законы Кеплера.

Цель: применение расчетных формул законов при решении вычислительных задач.

Оборудование: учебник «Астрономия», Воронцов-Вельяминов Б.А., компьютер

Теория

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.

Третий 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:

Порядок выполнения работы:

1. Дайте определение понятиям

Орбита — …,

Афелий —…

Перигелий — ….

Эксцентриситет орбиты — ….

2. Укажите формы орбит небесных тел, если их эксцентриситеты принимают следующие значения

3 . Укажите на рис. точки орбиты, в которых:

а) скорость планеты максимальна;

б) потенциальная энергия максимальна;

в) кинетическая энергия минимальна.

Как изменяется скорость планеты при ее движении от афелия к перигелию?

4. Разберите и оформите задачи (дано-решение-ответ)

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

4.1. Радиолокатор зафиксировал отраженный сигнал от пролетающего вблизи Земли астероида через t — 0,667 с. На каком расстоянии от Земли находился в это время астероид?

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

4.3. При наблюдении прохождения Меркурия по диску Солнца определили, что его угловой радиус p = 5,5″, а горизонтальный параллакс p = 14,4″. Определите линейный радиус Меркурия.

4.4. Определите период обращения астероида Белоруссия, если большая полуось его орбиты а = 2,40 а. е.

4.5. Звездный период обращения Юпитера вокруг Солнца Т = 12 лет. Каково среднее расстояние от Юпитера до Солнца?

5.Решите задачи

5.1. Сигнал, посланный радиолокатором к Венере,

возвратился назад через t — 4 мин 36 с. На каком расстоянии в это время находилась Венера в своем нижнем соединении?

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

5.3. С помощью наблюдений определили, что угловой радиус Марса p = 9,0″, а горизонтальный параллакс p = 16,9″. Определите линейный радиус Марса.

5.4. Период обращения малой планеты Шагал вокруг Солнца Т = 5,6 года. Определите большую полуось ее орбиты.

5.5. Большая полуось орбиты астероида Тихов а = 2,71 а. е. За какое время этот астероид обращается вокруг Солнца?

6. Разгадайте чайнворд “Законы Кеплера”

1. Мера сплюснутости эллипса. (14 букв э………т)

2. Имя датского ученого эпохи Возрождения. Он первым в Европе начал проводить систематические и высокоточные астрономические наблюдения. (4 буквы Т…о)

3. Путь небесного тела в гравитационном поле другого тела. (6 букв о…. а)

4. Малая планета Солнечной системы. (8 букв а……д)

5. Наиболее удаленная от центра точка орбиты. (6 букв а…..р)

6. Оптический прибор, предназначенный для наблюдения неба. (8 букв т……п)

7. Распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояния. (6 букв п…. к)

8. Немецкий математик, астроном, оптик и астролог. (6 букв К….р)

Практическое занятие №3 Изучение природы тел Солнечной системы.

Цель: Изучить физические характеристики планет

Оборудование: компьютер (сервис Google Maps), учебник «Астрономия», Воронцов-Вельяминов Б.А

Порядок выполнения работы:

1. Пользуясь справочными данными учебника и сервиса Google Maps, заполните таблицу с основными физическими характеристиками планет земной группы. Сделайте выводы и укажите сходства и различия между планетами земной группы.

2. Закончите предложения

Самый большой перепад дневной и ночной температур поверхности у планеты….

Высокая температуры поверхности Венеры обусловлена ….

Планета земной группы, средняя температура поверхности которой ниже 0 °C, — это….

Большая часть поверхности покрыта водой у планеты …

В состав облаков входят капельки серной кислоты у планеты ….

Планета, суточный перепад температур поверхности которой составляет около 100 °C, — это ….

Планеты, температуры поверхности которых бывает выше +400 °C, — это ….

Планета, в атмосфере которой часто происходят глобальные пылевые бури, — это….

Практически не имеют атмосферы планета ….

Планета, обладающая биосферой, — это ….

Литература

1. Воронцов-Вельяминов, Б.А. Астрономия. Базовый уровень. 11 класс: учебник для общеобразоват. организаций/Б.А.Воронцов-Вельяминов, Е.К.Страут. — М.: Дрофа, 2018.

2.Левитан, Е.П. Астрономия. Базовый уровень. 11 класс. : учебник для общеобразоват. организаций/ Е.П.Левитан. — М.: Просвещение, 2018.

3. Куликовский, П.Г.Справочник любителя астрономии/П.Г. Куликовский. — М.: Либроком, 2013.

4. Школьный астрономический календарь. Пособие для любителей астрономии/ Московский планетарий — М., (на текущий учебный год).

Дополнительные источники:

1. «Астрономия — это здорово!» http://menobr.ru/files/astronom2.pptx http://menobr.ru/files/blank.pdf.

2. «Знаешь ли ты астрономию?» http://menobr.ru/files/astronom1.pptx

Электронные издания (электронные ресурсы):

1. Астрономическое общество. [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.

sai.msu.su/EAAS

2. Энциклопедия «Космонавтика». [Электронный ресурс] — Режим доступа:

http://www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia

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

http://www.myastronomy.ru

http://class-fizika.narod.ru

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

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

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

http://www.planetarium-moscow.ru/

https://sites.google.com/site/auastro2/levitan

http://www.gomulina.orc.ru/

http://www.myastronomy.r

Приложение 1

Описание подвижной карты звездного неба.

Подвижная карта звездного неба служит пособием для общей ориентировки на звездном небе в любой момент частей: вращающейся около полюса мира звездной карты и, подвижно расположенного на ней круга горизонта (накладного круга). Вокруг звездной карты нанесен круг календарных дат, сопоставимых с проекцией точки весеннего равноденствия на этот круг (22 марта). На карте отмечены экваториальные координаты: α – прямое восхождение (лучевая симметрия линий от центра карты, каждые 30⁰ т.е. каждые 2 часа от точки весеннего равноденствия), δ – склонение (концентрические окружности, соответствующие +60⁰, +30⁰, 0⁰ – небесный экватор, -30⁰). Звезды, имеющие склонение меньше -45⁰, не отмечены, т.к. в средних широтах не видны.

В накладном круге необходимо вырезать окно, являющееся непосредственно линией горизонта по линии, обозначенной соответствующей широте места. На линии горизонта отмечены точки севера, юга, востока и запада. Удобно вырезанный круг с окном за ламинировать. Сориентированный по центру накладной круг закрепить самодельной кнопкой: проделать отверстия в центре кругов, соединить их, вставив отрезок пустого стержня от шариковой ручки и затем запаять оба конца отрезка.

На прозрачном окне, соединив точки севера и юга, получим проекцию небесного меридиана на плоскость горизонта (т.е. линию кульминации светил). Примерно разделив эту линию пополам, отметить точку зенита (Z). Учитывая гномоническую проекцию, сделать CZ › ZЮ на 5 – 6 мм.

Для лучшего понимания линий и точек на подвижной карте, необходимо продемонстрировать их на армиллярной сфере.

Приложение 2

Приложение 3

22