А.С.Цветков

Программа дополнительного образования
по астрономии и основам современной физики

10-11 класс

 

Источник: Модифицированная авторская программа А.С.Цветков

24 часа (6 лекций по 2 акад. часа в 10 классе, 5 лекций – в 11 классе)

 

1)      Ведущие идеи

 

Фрагмент из пояснительной записки к авторской программе (1997):

 

Астрономия является областью знаний, в которой объединяются все предметы естественнонаучного цикла в применении к исследованию Вселенной. В последние годы астрономия претерпевает настоящую революцию, связанную с новыми методами наблюдений: радиоинтер­ферометрия, космическая астрономия. Очень много нового принесли такие проекты, как космический телескоп имени Хаббла, миссии Pathfinder (марсоход) и Galileo (искусственный спутник Юпитера), только что завершенный проект Hipparcos (точнейший каталог 100 000 звезд). Появились новые математические методы обработки наблюдений. Для доступа к информации широко используется компьютерная сеть Internet, в которую помимо компьютеров включают сами инструменты. Особый интерес представляет вопрос развития Вселенной как с точки физики и астрономии, так и с философской стороны. Новые наблюдательные данные начинают приоткрывать завесу над этой загадкой, однако, в этом вопросе до сих пор много неясного.

…

    К сожалению, в средней школе астрономии уделяется мало внимания. Во многих школах астрономия вообще не изучается, либо является не обязательным предметом. Помимо просто того факта, что астрономия является частью общечеловеческой культуры и исключение астрономии из изучаемых предметов обедняет учащихся, следует отметить, что Санкт-Петербург является уникальным городом по концентрации астрономических учреждений: Главная астрономическая обсерватория (Пулковская), Институт прикладной астрономии, Астрономический институт С.-Петербургского университета.

…

В целях повышения интереса учащихся средних школ к астрономии в С.-Петербургском университете была разработана предлагаемая программа. Она основывается в базовом школьном курсе, однако в нее внесены изменения, отражающие самое современное состояние науки.

…

 

К основным задачам предлагаемого курса следует отнести:

 

 

2)      Принципы отбора и организации учебного материала

Программа состоит из 8 сдвоенных часов лекций-демонстраций, посвященных различным разделам астрономии, а также 3 дополнительных лекций о ведущих физических теориях.

 

3) Основные научные понятия:

·        Наблюдения как основной способ получения информации в астрономии

·        Планеты, солнечная система

·        Солнце, термоядерные реакции, сверхновые звезды, нейтронные звезды, черные дыры

·        Звездные скопления, галактики, роль гравитации, темная материя

·        Метагалактика, закон Хаббла, Большой взрыв, реликтовое излучение

 

4) Ожидаемый результат
В результате прослушивания курса учащийся должен

·        Знать структуры Солнечной системы, Галактики, Метагалактики

·        Представлять основные свойства различных небесных объектов: планет, звезд, туманностей, галактик и т.п.

·        Понимать единство законов природы, действующих на разных масштабах

·        Понимать способы получения информации о небесных объектах

 

6) Контроль: в конце каждой лекции проводится небольшой письменный тест (5-10 мин), закрепляющий знания об основных понятиях урока

 

8) Практическая работа учащихся: проведение астрономических наблюдений средствами школьной обсерватории (см. примечание)

 

9) Перечень основных и дополнительных источников информации: учебники, учебные пособия, фильмы и др.

 

Учебники:

 

Учебные пособия и справочники:

 

Список внеклассного чтения по предмету

Содержание программы

Вселенная, в которой мы живем

 

№

Тема

Часы

Баллы

1.1

Кто это видел, кто это трогал

Как астрономы получают информацию о небесных телах. Виды наблюдений: астрометрические и астрофизические. Спектр электромагнитного излучения. Оптические телескопы и обсерватории. Астроклимат. Рефракторы, рефлекторы. Зеркально-линзовые телескопы. Приемники излучения. Фотопластинки и ПЗС-матрицы. Спектрографы и фотометры. Радиотелескопы и радиоинтерферометры. Радио и лазерная локация. Космические обсерватории.

2

25

1.2

Солнечная система – разнообразный мир планет

Обзор больших планет Солнечной системы: Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна по данным космических исследова¬ний. Спутники и кольца планет-гигантов. Последние данные о Марсе и спутнике Юпитера Европы как возможных мест для жизни. Малые планеты – астероиды. Объекты пояса Койпера и кометы – граница Солнечной системы.

2

25

1.3

Солнце – источник жизни

Физические характеристики Солнца. Почему светит Солнце? Строение Солнца и перенос излучения. Солнечные пятна, солнечная корона. Солнечная активность, 11-летний цикл. Солнечный ветер. Солнечно-земные связи. Рождение Солнца и Солнечной системы. Что будет через 5 млрд. лет? Использование солнечной энергии.

2

25

1.4

Звезды – их рождение, жизнь и смерть

Характеристики и классификация звезд. Сверхгиганты, красные гиганты, звезды главной последовательности. Красные и коричневые карлики. Белые карлики. Двойные и кратные звезды. Переменные и вспыхивающие звезды. Рождение звезд. Гравитационный коллапс. Сверхновые. Образование тяжелых элементов при взрыве сверхновых. Нейтронные звезды. Образование черных дыр. Эффекты общей теории относительности вблизи массивных объектов. Планеты около ближайших звезд. Звездные рекордсмены.

2

25

1.5

Наш дом – наша Галактика

Межзвездная среда: пыль, газ, излучение, элементарные частицы. Газопылевые туманности: светящиеся и темные.  Планетарные туманности. Остатки сверхновых. Звездные скопления: рассеянные и шаровые. Млечный путь и структура нашей Галактики. Сферическая и плоская составляющая. Спиральные рукава. Возраст Галактики. Проблема темного вещества. Размеры галактики. Возможность посещения космическими аппаратами ближайших звезд и дальних участков Галактики.

2

25

 

1.6

Мир галактик и Метагалактика

Соседи нашей Галактики: Магеллановы облака и туманность Андромеды. Классификация галактик: спиральные, эллиптические и неправильные. Активные галактики. Сейфертовские и радиогалактики. Квазары. Определение расстояний до удаленных объектов. Масштабы Вселенной. Красное смещение и закон Хаббла. Самые удаленные объекты.

2

25

1.7

Большой взрыв и эволюция Вселенной

Расширение вселенной. Реликтовое излучение. Гипотеза Большого взрыва и горячей Вселенной. Первые мгновения Большого взрыва. Образование элементарных частиц, протогалактик и звезд. Современное состояние Вселенной. Открытая и закрытые модели. Проблемы современной теории гравитации. Понятие пространства-времени. Будущее Вселенной.

2

25

1.8

Жизнь во Вселенной

Условия возникновения известной нам формы жизни. Взрывы сверхновых звезд дают жизнь. Попытки обнаружить жизнь в Солнечной системе. Разумная жизнь. Освоение человеком космического пространства. Средства связи. Программа SETI. Формула Дрейка. Одни ли мы во Вселенной? Опасности, подстерегающие человечество.

2

25

 

Всего

16

200

 

 

Основы современной физики

 

№

Тема

Часы

Баллы

2.1

Теория относительности

Принцип относительности. Постоянство скорости света. Специальная теория относительности и ее основные следствия. Пространство-время. Связь массы и энергии. Общий принцип относительности. Принцип эквивалентности. Принцип Маха. Понятие о неевклидовом пространстве. Уравнение гравитационного поля. Основные эффекты ОТО. Черные дыры. Гравитационные волны. Проблемы ОТО.

3

40

2.2

Квантовая механика

Макроскопические проявления квантовой механики. Трудности классической физики, формула Планка. Волны де Бройля. Атом Бора. Волна или частица? Волновое уравнение. Вероятностный подход. Концепция операторов. Постоянная Планка. Принцип неопределенности. Влияние измерения. Фундаментальные взаимодействия. Загадки массы. Кварковая модель.

3

40

 

2.3

Квантовая механика

Семейства элементарных частиц и фундаментальные взаимодействия. Основная идея суперструн. Объединение теории относительности и квантовой механики. Квантовая теория поля. Взаимодействия. Дополнительные измерения. Экспериментальные свидетельства. Поиски М-теории.

2

20

 

Всего

8

100

 

 

Приложение

Наблюдательная программа-максимум
(зависит от погоды и условий видимости объектов)
для старшего класса

На инструменте Meade ETX-105.

·         Наблюдения Луны, ее фаз, изменчивости условий освещения на поверхности, измерение высоты лунных гор. Фотографирование поверхности с помощью имеющейся ПЗС-камеры.

·         Наблюдения планет-гигантов Юпитера и Сатурна, а также их спутников. Изучение деталей поверхности, определение периода вращения. Изучение движений галилеевых спутников Юпитера. Кольцо Сатурна, его наклон, прозрачность.

·         Двойные звезды. Представляет интерес разрешение близких объектов, оценка качества оптики и погодных условий.

·         Переменные звезды. Определение периодов классических цефеид. Миф о "неизменчивых" небесах.

·         Рассеянные звездные скопления. Определение числа звезд, расстояний между звездами. Расположение скоплений на небесной сфере, возраст скоплений.

·         Шаровые звездные скопления и структура Галактики.

·         Газопылевые туманности и области звездо-образования.

·         Планетарные туманности - остатки вспышек звезд.

·         Ближайшие соседи нашей галактики: Туманность Андромеды, M81, "взорвавшаяся" галактика M82. Галактика в Треугольнике M33, галактика "Водоворот" M51.

 

На Солнечном телескопе PST-40:

·         Протуберанцы, пятна, грануляция фотосферы.

·         Определение периода вращения Солнца, различие периодов экваториальных и околополярных областей.

·         Солнечная активность. Определение чисел Вольфа.