В.И.ЕСИН,
Запрудновская СОШ, Нижегородская обл.

Эволюция звёзд

Элективный курс, 68 ч (1 ч/нед. в 10–11-м классах или 2 ч/нед.
в 11-м классе)

Мировоззренческое и общеобразовательное значение астрономии столь велико, что изучать её основы в средней школе совершенно необходимо. Однако в Федеральном компоненте государственного образовательного стандарта «Астрономия» как самостоятельная учебная дисциплина отсутствует. Как же «спасти» школьную астрономию? Конечно же, самым революционным и реальным действием является создание элективного интегрированного курса естественных дисциплин ФИЗИКА + АСТРОНОМИЯ. Исторически сложилось так, что в течение ряда столетий объектами естественнонаучных исследований оставались главным образом «земные», непосредственно окружающие человека тела и явления. А те явления природы, что происходили за пределами Земли, исследовались слабо. И по сей день они изучаются только специалистами в отдельных областях. А ведь астрономия – это та же физика, только физика макроскопических тел. Астрономические явления описываются теми же законами, что и физические явления на поверхности Земли. Отсюда вытекает тот факт, что, изучая астрономию совместно с другими естественными дисциплинами, мы идём к пониманию единой картины мира, Вселенной, единых законов, распространяющихся как на микромир, так и на макромир. Следовательно, назрела необходимость создания интегрированных программ естественнонаучных дисциплин и элективных курсов в школьном образовании.

Целесообразнее всего в основу одного из таких курсов положить такое фундаментальное явление, как «Эволюция звёзд». Оно является одним из звеньев эволюции материи, обладающей большой познавательной ёмкостью. Формирование этого понятия в достаточной степени отвечает целям и задачам элективного курса. Его центральным элементом должна служить диаграмма Герцшпрунга–Рессела, понимание которой является для учащихся ключом к познанию основных законов развития материи.

ПОУРОЧНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

Тема 1. «Формирование звёзд» (16 ч)

Занятие 1 (2 ч). Некоторые сведения из молекулярной физики.

Занятие 2 (2 ч). Основное уравнение МКТ газов. Уравнение состояния.

Занятие 3 (2 ч). Материал для звёзд.

Занятие 4 (3 ч). Оценка критического размера и массы макроскопического газового уплотнения, необходимого для рождения звезды.

Занятие 5 (3 ч). Оценка времени гравитационного сжатия в протозвезду и нормальную звезду.

Занятие 6 (2 ч). Диаграмма «Спектр–светимость» для рождения звёзд.

Занятие 7 (2 ч). Механическое и лучистое равновесие звезды.

Тема 2. «Электромагнитные волны и телескопы» (12 ч)

Занятие 1 (2 ч). Расстояние до звёзд (с решением задач).

Занятие 2 (2 ч). Генерация электромагнитных волн.

Занятие 3 (2 ч). Формула тонкой линзы (с решением задач).

Занятие 4 (2 ч). Виды оптических телескопов.

Занятие 5 (2 ч). Дифракция света и характеристики оптических телескопов (с решением задач).

Занятие 6 (2 ч). Окна прозрачности земной атмосферы. Астрофизика высоких энергий.

Тема 3. «Излучение и параметры звёзд» (12 ч)

Занятие 1 (2 ч). Энергия стационарных состояний и радиусы соответствующих им электронных орбит в атоме водорода (с решением задач).

Занятие 2 (2 ч). Излучение и поглощение электромагнитной энергии атомом.

Занятие 3 (2 ч). Законы излучения абсолютно чёрного тела.

Занятие 4 (2 ч). Спектральная классификация звёзд (с демонстрацией спектров звёзд).

Занятие 5 (2 ч). Элементы астрофотометрии.

Занятие 6 (2 ч). Диаграмма Герцшпрунга–Рессела. Взаимосвязи параметров звёзд.

Тема 4. «Источники энергии звёзд» (6 ч)

Занятие 1 (2 ч). Термоядерные реакции (для звёзд на главной последовательности).

Занятие 2 (2 ч). Уход звезды с главной последовательности.

Занятие 3 (2 ч). Физические условия в недрах и строение звёзд.

Тема 5. «Переменные и пульсирующие переменные звёзды» (10 ч)

Занятие 1 (2 ч). Переменные звёзды.

Занятие 2 (2 ч). Понятие о гармоническом анализе периодических процессов.

Занятие 3 (2 ч). Пульсирующие переменные звёзды.

Занятие 4 (2 ч). Сопоставление земных и космических явлений.

Занятие 5 (2 ч). Эруптивные переменные звёзды.

Тема 6. «Теория относительности и звёзды» (6 ч)

Занятие 1 (2 ч). Белый карлик. Вырождение газов.

Занятие 2 (2 ч). Нейтронные звёзды.

Занятие 3 (2 ч). Чёрные дыры.

Тема 7. «Эволюция звёзд и космология» (6 ч)

Занятие 1 (2 ч). Модель однородной изотропной Вселенной.

Занятие 2 (2 ч). Релятивистская космология.

Занятие 3 (2 ч). Модель «горячей» Вселенной.

Комментарий

Изучение темы «Формирование звёзд» строится на основных законах и понятиях молекулярной физики. Так как большинство астрономических объектов состоит из газа, который можно рассматривать как идеальный, то справедливо основное уравнение состояния и основное уравнение МКТ для газов , связывающее макро- и микромир. На основании этих законов и некоторых понятий молекулярной физики и механики можно оценить минимальные размер и массу газового облака, необходимых для начала его сжатия с последующим превращением в звезду.

Тема «Пульсирующие переменные звёзды» базируется на основных вопросах термодинамики и колебательных процессов. Ведь жизнь звезды в начале своего угасания подобна и работе теплового двигателя, и процессу колебания маятника, т.к. представляет из себя автоколебательную систему. Поэтому этап в жизни звезды в фазе пульсирующей переменной необходимо изучать параллельно с работой теплового двигателя и колебаниями, например, математического маятника, показывая учащимся распространение одних и тех же законов на различные физические процессы как на Земле, так и за её пределами.

Теория относительности лежит в основе изучения звёзд на конечном этапе их жизни. Поэтому учащимся необходимо разъяснить, что законы релятивистской механики справедливы не только при скростях, близких к скорости света, но и вблизи тел гравитирующей массы (т.е. вблизи массивных тел малых размеров).

При рассмотрении эволюции звёзд, расположенных на главной последовательности, необходимы знание атомной физики и электродинамики.

В данном элективном курсе предлагается краткое конспективное изложение материала, поэтому каждый учитель вправе его изменить, сократив или дополнив по своему усмотрению.

Василий Иванович Есин – учитель физики и астрономии Запрудновской школы Кстовского района Нижегородской области, педагогический стаж 23 года. Особое внимание уделяет одарённым детям, его выпускники отличаются качественной подготовкой по предмету, они успешно продолжают образование в вузах. Работает над интеграцией физики и астрономии.