Криницкий Э.Э. ЭЛЕМЕНТЫ АСТРОФИЗИКИ В КУРСЕ ФИЗИКИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

УДК 372.853

ГУО «Гимназия № 7 г. Гродно»
Научный руководитель – Н. В. Матецкий, кандидат педагогических наук, доцент,  доцент кафедры лазерной физики и спектроскопии ГрГУ имени Янки Купалы

В настоящее время астрофизика представляет собой один из самых актуальных разделов науки. Астрофизические исследования, особенно связанные с изучением космоса, стали источником многих физических открытий (пульсары, черные дыры, гравитон и т. д.), причем космическое пространство сегодня выполняет роль научной физической лаборатории, в ко­торой можно наблюдать процессы при громадных давлениях, глубоком вакууме, сверхвысоких температурах и других условиях, не достижимых на Земле.

Происходящая в настоящее время модернизация образования направлена на повышение качества обучения физике. Одно из важнейших направлений в этой области – демонстрация универсальности физических законов и их справедливости для всех явлений природы во Вселенной – связано с новым подходом к проблеме межпредметных связей [1, стр. 157]. Особое положение и роль здесь отводится изучению вопросов астрофизики, существенно расширяющих и  углубляющих наши представления о строении и свойствах окружающего мира. Одним из основных требований реформы школы является повышение научного уровня преподавания. Однако в то же время необходимо избегать перегрузки учащихся. Возможным путем разрешения этого противоречия, на наш взгляд, служит использование резервов, скрытых в физических задачах. Сейчас задачи в школьном курсе физики рассматриваются главным образом как средство закрепления пройденного теоретического материала, применения изученных формул. При этом текст задачи, как правило, не содержит новой информации. Полученные формулы (в частности, в X классе) применяются, например, для расчетов параметров состояния газа в абстрактных сосудах, скоростей движения заряженных частиц в гипотетических электрических и магнитных полях и т. д. Мы предлагаем (там, где это возможно) конкретизировать задачи, отразив в их содержании непосредственную связь с реальными процессами, т. е. сделав решение задач более интересным и познавательным для учащихся. Для этого часть задач  наполним астрофизическим материалом.

Науки дифференцированы, но ученых в их служении истине объединяют общие принципы познания природы. Многие крупнейшие достижения человеческого разума последнего времени обусловлены переносом результатов теоретических и экспериментальных исследований из одной области науки в другую. Поэтому в учебном процессе и важна роль межпредметных связей. Мы предлагаем побыстрее расширять объем астрофизических сведений, вводимых в условия задач, и, таким образом приближать школьную физику к совре­менной науке. Это позволит не только расширить и углубить знания учащихся по физике, но и подготовить их к курсу астрономии в 11 классе.

Физической задачей называется небольшая проблема, которая решается на основе методов физики, с использованием в процессе решения логических умозаключений, физического эксперимента и математических действий [2, стр. 43]. Она предъявляется учащимся для того, чтобы ее решение обеспечивало достижение целей обучения. Задается задача в основном словесно, но может сопровождаться рисунками, схемами, графиками. Физические задачи являются неотъемлемым звеном учебного процесса, обучение учащихся их решению относится к практическим методам обучения.

Решение задач позволяет сделать знания учащихся осознанными, избавить их от формализма. Учащиеся обязательно должны решать задачи, так как в противном случае они не усвоят понятия и законы физики либо их знания будут формальными. В процессе решения задач знания учащихся конкретизируются, создается понимание сущности явлений, физические понятия и величины приобретают реальный смысл, у ученика появляется способность рассуждать, устанавливать причинно-следственные связи, выделять главное и отбрасывать несущественное. Однако решение задач не должно превращаться в самоцель, поскольку основное значение этого вида учебной деятельности – углубление знаний учащихся, развитие их мышления, формирование умения анализировать ситуацию, приведенную в задаче и находить пути ее решения, а также умения творчески подходить к возникающим проблемам.

При отборе астрофизического материала необходимо учитывать следующее: его содержание должно иметь научную значимость, быть интересным и доступным для учащихся, органично вплетаться в курс физики, способствовать углублению и закреплению физических знаний, находить продолжение в материале курса астрономии. Это не может быть достигнуто рассмотрением одной или двух случайно выбранных задач с физико-астрономическим содержанием. Необходим комплекс задач, решаемых на протяжении всего периода обучения астрономии и физике, причем самое серьезное внимание нужно уделять анализу их содержания, выявлению физического смысла используемых понятий и законов, логическому их взаи­модействию, анализу получаемых ответов.

В 9 классе при изучении раздела «Механика» можно рассмотреть ряд задач с астрофизическим содержанием, учитывая то, что пространство и время, физические величины могут принимать более глобальные масштабы, чем в земных условиях. Например, при изучении понятия «пространство» можно ввести такие единицы длины, как парсек, световой год, астрономическая единица. Современную модель Солнечной системы целесообразно упомянуть в темах «Движение тела по окружности», «Закон всемирного тяготения», но обязательно сказать, что орбиты планет – эллипсы. «Движение искусственных спутников» – отдельная тема раздела «Механика», тесно связанная с курсом астрономии. Стоит включить задачи на применение интеграла энергий для определения скорости небесного тела или искусственного спутника в любой точке его траектории. Учащимся представится возможность самостоятельно убедиться в справедливости закона сохранения момента импульса. Тангенциальную и лучевую скорости звезд лучше всего рассмотреть при изучении проекций скорости на координатные оси.

Есть весьма интересная задача, посвященная движению искусственных спутников Земли.

1. Вычислить высоту над земной поверхностью геостационарного спутника, обращающегося с периодом в 1 звездные сутки в плоскости земного экватора по круговой орбите.

 2) Сравним движение ИСЗ с движением Луны. По III закону Кеплера, уточненному Ньютоном, можно записать:

В данном случае массой Луны не пренебрегаем, она равна mЛ = 1/81 МЗ. Отсюда

h = a – RЗ = 35854 (км).

∆h = (h1 – h2) = 3 (км) – разница вычисленных двумя разными путями значений. Погрешность составляет ε ≈ 10 % — весьма несущественна.

Ответ: h ≈ 35855 км.

2. С какой скоростью должен двигаться грузовой автомобиль КамАЗ-5320, имеющий массу m_а = 7120 кг, чтобы обладать такой же кинетической энергией, какую имеет метеорное тело массой m_м = 1 г, вторгшееся в атмо­сферу Земли со скоростью υ_м = 60 км/с?

Решение. Запишем выражения для кинетической энергии метеорного тела E_км и автомобиля Е_ка:

Поскольку E_км = Е_ка,

учитывая предыдущие формулы, получаем:

или после подстановки числовых значений: υ_а = 81 км/ч.

Этот результат показывает, насколько велика кинетическая энергия ме­теорных тел, движущихся с космической скоростью. Можно обратить внимание учащихся на то, что даже мелкие метеорные частицы способны произвести значительные разрушения при столкновении с космическими аппаратами. Это говорит о практической значимости исследования структуры метеорных роев для обеспечения безопасности космических полетов.

3. Определить орбитальные скорости всех планет солнечной системы, считая их орбиты круговыми, и построить график зависимости скорости планет от их среднего расстояния до Солнца. Сделать выводы.[3]

Р е ш е н и е. Используя уравнение, описывающее равномерное движение по окружности:

                                                                        
(где R — расстояние планеты от Солнца, Т — звездный период ее обращения вокруг Солнца), вычисляем значение скорости для каждой планеты: υмеркурий =47,5 км/с, υвенера =35,0 км/с, υземля =29,8 км/с, υмарс =24,1 км/с, υюпитер = 13,1 км/с, υсатурн = 9,6 км/с, υуран = 6,8 км/с, υнептун = 5,4 км/с, υплутон = 4,7 км/с.

По полученным значениям строим график (см. рис.), для анализа кото­рого уравнение (1) удобно представить в иной форме: выразить скорость в зависимости от расстояния, исключив Т.

Поскольку центростремительной силой Fцс, действующей на планеты, слу­жит сила тяготения Fт между планетой и Солнцем, то

Fцс = Fт,

или

(где m и М — соответственно массы планеты и Солнца, G —гравитацион­ная постоянная). Откуда:

                                               Уравнение (2) представляет собой формулу первой космической скорости планеты относительно Солнца, определяющую круговую орбиту с радиусом, равным среднему расстоянию планеты от Солнца. Из анализа его видно, что с увеличением расстояния от Солнца, например, в 4 раза скорость планеты должна уменьшиться в 2 раза.

Решение этой задачи дает математическое обоснование одной из зако­номерностей в строении солнечной системы: чем дальше планета расположена от Солнца, тем меньше ее линейная (соответственно и угловая) скорость.

В 10 классе также есть резерв включения задач с астрофизическим содержанием в разделах «Термодинамика», «Молекулярная физика», «Физика конденсированного состояния», «Магнитное поле». Парниковый эффект – тема, имеющая практическую значимость, ее изучение является  ярким примером необходимости межпредметных связей в средней школе. В темах «Температура», «Идеальный газ» можно сформировать представление о физической природе звезд, сущности процессов, происходящих на них.

В 11 классе рассмотрены разделы «Электромагнитные колебания и волны», «Механические колебания и волны», «Радиоактивность», «Элементарные частицы», «Оптические явления». Так, эффект Доплера – явление, распространенное во многих сферах деятельности. Раздел «Электромагнитные колебания и волны» содержит такое интересный практической вопрос, как окна прозрачности атмосферы. А изучение оптической схемы телескопа в курсе физики поможет при подготовке к олимпиаде по астрономии – эта задача встречается в практическом туре и районной, и областной олимпиады. Классификация звезд опирается на спектр их излучения, это можно отразить на уроках физики в теме «Спектр электромагнитных волн». Особо стоит отметить важность раздела «Физическая картина мира», где микро-, макро- и мегамиры – части единого целого, взаимно дополняющие друг друга.

Предложенный материал по физике мегамира актуализирует ранее изученные законы, подводит к его обобщению и, в результате, к формированию естественнонаучной картины мира. Часть данного материала уже используется учителями физики на уроках, но, к сожалению, в большинстве случаев бессистемно. В результате теряется целостное представление о физике мегамира и вообще о физике. Наш развивающийся мир претерпевает изменения, и они более глобальны и значимы в космических масштабах. В школьном курсе должны своевременно отражаться такие изменения. Это условие современного образования является одной из важнейших мотиваций обучения. Учащихся на уроках необходимо знакомить с тем, что происходит в космосе, а также с перспективами на будущее, которые обозначаются современной наукой.

При этом нельзя недооценивать практическую деятельность, напротив, учитывая заинтересованность самих учащихся, можно по их желанию проводить наблюдения звездного неба, находить созвездия и планеты (и их спутники). В частности, найдя некоторый объект, можно определить его горизонтальные координаты для данной местности в этот момент времени.

Предлагаемый нами подход уже был применен в учебном процессе по физике. Это помогло выявить наиболее трудный материал для понимания учащимися. Таким образом, расширение объема астрофизических сведений, вводимых в условия задач, приближает школьную физику к современной науке, что позволит не только расширить и углубить знания учащихся по физике, но и лучше подготовить учеников к восприятию курса астрономии, тесно связать в их сознании обе эти науки.

Список использованных источников

1. Каменецкий, С.Е. Теория и методика обучения физике в школе : общие вопросы / С.Е. Каменецкий. – М. : Издательский центр «Академия», 2000. – 384 с.
2. Левитан, Е.П. Дидактика астрономии: от XX к XXI веку. / Е.П. Левитан, А.Ю. Румянцев // Земля и Вселенная – №4. – 2002. – С. 88
3. Сизонов, Г.Н. Связь в обучении физики и астрономии при решении задач / Г.Н. Сизонов / Физика в школе. – №5. – 1996. – С. 34.
4. Кондратьев, А.С. Современные проблемы реализации межпредметных связей при изучении физики / А.С. Кондратьев, М. А. Крупнова, И. Я. Ланина. // Актуальные проблемы обучения физике в школе и вузе. – Санкт-Петербург, 2003. – 541 с.
5. Новиков, И.Д. Введение астрофизических знаний в курс физики / И.Д. Новиков, Е.В. Эткина. //Физика в школе. – №8 – 1996. – С. 56.