Курсовая с практикой на тему Подходы к изучению вопросов темы «Солнечная система» по астрономии

Содержание:

Введение. 2

1. Небесная механика – современная
наука о движении небесных тел, законы Кеплера и Ньютона. 5

1.1 Развитие представлений о строении
Солнечной системы.. 5

1.2 Природа тел Солнечной системы,
межпланетное вещество. 10

2. Методические особенности изучения
темы «Солнечная система» в курсе астрономии. 14

2.1 Состояние и особенности школьного
курса астрономии. 14

2.2 Проблемы изучения некоторых
вопросов астрономии по учебникам для общеобразовательной школы.. 20

Заключение. 23

Список использованной литературы.. 27

Введение:

Исторически
физика, как и все области науки, произошла от философии, то есть попытки понять
мир, в котором мы живем. Этот мир состоит из объектов самой разной сложности.
Можно рискнуть заявить, что физика (в отличие от других естественных наук,
таких как химия или биология) имеет дело с наименее сложными объектами.

Методология физики основана на двух
принципах: проведение повторяющихся экспериментов и создание математических
моделей для краткого и количественного описания результатов этих экспериментов.
Тот факт, что существует две основы, является источником разделения сообщества
физиков на две группы: экспериментаторов и теоретиков. В то время как обычному
человеку легче представить себе работу экспериментатора,

Теоретик создает математические модели
явлений, но как он это делает? Откуда они берутся? Если у нас уже есть хорошая
модель, почему мы постоянно обучаем новые группы физиков-теоретиков на
общественные деньги, а затем поддерживаем их? Зачем продолжать создавать новые
модели? Что ж, физика — это не конечная наука. Мы будем прослеживать эволюцию
взглядов человечества на механику неба и структуру Солнечной системы в качестве
примера того, как оно развивается и как продвигается вперед в моделировании
реальности.

Древние греки веками разрабатывали методы
моделирования наблюдаемого нерегулярного движения планет в небе.

Евдокс Книдский в 4 веке до нашей эры ввел
концепцию небесных сфер, вращающихся вокруг Земли, с прикрепленными к
ним планетами. Гиппарх из Никии ввел понятие эпициклов и семяпроводов. Птолемей
разработал и усовершенствовал эту модель во 2 веке нашей эры, добавив, среди
прочего, концепцию эквивалента.

Неизвестно, насколько эти исследователи
считали, что их модель описывает то, чем она была на самом деле, и
поскольку они относились к нему только как к инструменту, позволяющему заранее
рассчитывать астрономические явления.

Однако, похоже, что создатели геоцентрической
модели, также известной как модель Птолемея, которая была официальной догмой в
Европе на протяжении многих веков. Николай Коперник осмелился думать иначе. Его
работа «О вращении небесных сфер» несомненно, был большим прорывом, но
что именно сделал Коперник?

И до, и после публикации работы Коперника
Солнце и планеты двигались по одним и тем же правилам, объяснение которых, даже
если оно похоже на современное понимание механики неба, не было включено в
работу Коперника  и Птолемей.

Кроме того, Коперник не отверг полностью
модель Птолемея, а лишь модифицировал ее. Концептуально обе модели очень
похожи. В обоих есть сферы, выступы, эпициклы, обе модели пытаются представить
нерегулярные движения небесных тел из движений по кругу.

Разница в том, что в модели Коперника центр
системы находится на Солнце, а не на Земле, как в модели Птолемея. Преимущество
модели Коперника состояло в том, что она была менее сложной и состояла из
меньшего количества эпициклов. Чтобы рассчитать будущее положение планеты на
небе с той же точностью, что и в модели Птолемея, достаточно было сделать
меньше вычислений.

Работа Коперника вызвала большие споры,
потому что задела мировоззрение многих влиятельных людей и, что еще хуже,
оскорбила их, как мы бы сказали сегодня, религиозные чувства. В результате
путаницы, вызванной Коперником, произошел прорыв в философии, культуре,
религии, и в основном именно этому Коперник обязан своей славой, а не благодаря.

В древности были признаны и названы пять
планет, видимых с Земли невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и
Сатурн.

В 18 веке Уильям Гершель открыл Уран, а в
середине 19 века Иоганн Г. Галле — Нептун. В
1930 году американский астроном Томбо открыл Плутон — карликовую планету,
лежащую в поясе Койпера, за орбитой Нептуна, которая до 2006 года считалась
девятой планетой Солнечной системы.

По своему физическому строению и химическому
составу восемь планет солнечной системы четко делятся на две группы:

1. Планеты
земного типа (внутренние планеты) — Меркурий, Венера, Земля, Марс.

2. Планеты-гиганты
(внешние планеты) — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Внутренние планеты намного меньше по массе и
размеру, но во много раз превышают среднюю плотность внешних планет. Поверхность планет земной группы твердая,
покрыта камнями или водой и льдом. Эти планеты состоят в основном из металлов и
силикатов. Однако планеты группы Юпитера не имеют
твердой поверхности. Их
атмосфера в основном состоит из метана и аммиака. Материя их более глубоких слоев напоминает жидкость, а центр состоит из
небольших каменистых ядер.

Так были созданы Солнце и планеты,
вращающиеся вокруг него. Однако
Солнечная система — это не только восемь планет, вращающихся вокруг Солнца. Планеты сопровождаются более 170 лунами. А в огромном пространстве между планетами и
лунами есть более мелкие тела — астероиды и кометы — те же самые, что отметили
планеты и луны огромными кратерными рубцами в эпоху сильных бомбардировок.

Астероиды и кометы — это фрагменты мусора,
циркулирующие в космическом пространстве, которые никогда не сливались с
планетами. Тем не менее, постоянно вступая в
столкновения с другими телами, они сильно повлияли на форму Солнечной системы.

В данной работе рассмотрим различные теории
образования Солнечной системы, а также различные подходы к изучению вопросов
темы «Солнечная система» в курсе астрономии.

Заключение:

Особенность
астрономии в том, что она глубоко влияет на мировоззренческие вопросы, а
значит, создает общее представление об окружающем нас мире, его познании и
неразрешенных загадках, о нашей Земле как маленькой планете в бесконечной
Вселенной. Вопрос в том, нужно ли все это современной и без этой перегруженной
школы, непонятно, что это такое.

Это необходимо. Более того, астрономические
представления об окружающем мире следует прививать в той или иной форме на
протяжении всего школьного образования.

Поскольку человек с детства сталкивается с
различными небесными явлениями, а Интернет забит качественной, а чаще
некачественной астрономической информацией, знание элементов астрономии
необходимо на разных уровнях доступности: от уровня детского восприятия к
серьезному физико-математическому подходу, который осуществляется только на
выпускных классах средней школы.

Это наслоение является важной особенностью
астрономии, благодаря которой легче пробудить интерес к знаниям, науке в самом
широком смысле этого слова, здесь мы выделяем некоторые важные моменты, для
которых необходимо астрономическое образование (помимо простых объяснений
наблюдаемые явления в небе):

1. Иллюстрация того, как известные законы
физики «работают» за пределами Земли. Демонстрация универсальности физических
законов, возможности физического объяснения наблюдаемых явлений не только на
Земле, но и в космосе.

2. Знание стремительно развивающейся
«космической» сферы человеческой деятельности нашего времени, в которую
вовлечены все более или менее развитые страны и на которую выделяются большие
средства (не только научные космические исследования, но и космическая связь,
навигация, экономика), оборона, высокие технологии[3].

3. Удовлетворение естественного подросткового
любопытства, формирование научного понимания окружающего мира и воспитание
интереса к процессу познания природы (а через астрономию — к другим наукам).

Что у нас на сегодня?

Парадоксальная ситуация сложилась с
астрокосмическим образованием в России. 21 век в самом разгаре. В стране,
которая открыла миру путь в космос, астрономия фактически была исключена из
школы как излишний предмет.

В то же время исследования в других науках о
жизни также сводятся к минимуму, а научная и идеологическая безграмотность
значительной части населения просто зашкаливает.

И это в то время, когда в мире стремительно
развиваются физика, астрофизика и прикладная астрономия. Все фундаментальные
физические теории подвергаются астрономическим проверкам.

Нобелевские премии присуждаются за работы в
области астрофизики. В космических исследованиях, астрономических наблюдениях —
наземных и / или за пределами атмосферы — участвуют все страны, которые немного
продвинуты в техническом отношении.

Осуществляются международные проекты по
созданию гигантских, технологически продвинутых наземных инструментов, которые
открывают новые возможности для исследования Вселенной,

четыре из которых стоят более миллиарда
долларов: недавно созданный субмиллиметровый телескоп ALMA в Чили, европейский
сверхгигантский телескоп E-ELT, проект, американский гигантский телескоп для
обзоров LSST, международный проект, охватывающий все волны радиокомплекса SKA,
состоящий из нескольких тысяч отдельных радиоантенн.

Участие России в этих проектах проблематично.
Мало кто здесь слышал о них.

Астрономия — не изолированная дисциплина.
Невозможно поднять астрокосмическое образование в школе, даже если ввести
отдельный обязательный предмет, если при этом, например, школьная физика или
математика «убиты» или предельно упрощены, что сейчас кажется вполне реальным и
узко прагматическим взглядом на то, что нужно выучить, побеждает[6].

Речь идет о достойном месте естественных наук
в школе, о престижности науки в общественном сознании. От решения этой проблемы
во многом зависит воспитание нового поколения, не говоря уже о научно-техническом
потенциале страны, а в конечном итоге и ее будущем.

Без знания астрономии современный человек
подвергается потоку ужасающей ложной информации, которую он в изобилии получает
как из Интернета, так и из более традиционных СМИ.

Полное отсутствие базовых астрономических
знаний в сочетании с идеей астрономии как разновидности таинства, доступного
только для посвященных, приводит к тому, что человек слепо верит любой чепухе,
услышанной где-либо.

Рецепт возврата может включать сразу оба
варианта: отдельный предмет и включение в другие курсы.

О простом возвращении в 11 класс обновленного
учебника Воронцова-Вельяминова говорить не стоит. В контексте поставленного
вопроса я бы разделил астрономию на три части.

Первый — это Astronomy Toolkit: телескопы,
межпланетные зонды и так далее.

Вторые — это законы физики, знание которых
позволяет объяснить результаты, полученные с помощью астрономических
инструментов.

Третий — это реальный объем знаний о
Вселенной, накопленный в результате многочисленных наблюдений и их объяснения
законами физики.

Первые две части могут быть включены в другие
темы, когда речь идет о телескопах в курсе оптики и космическом полете или,
скажем, измерении времени в курсе географии.

А вот третья часть — познание мироздания — ни
в какую другую тему не впишется! Ни физика, ни химия, ни география не могут
найти места, чтобы сформировать связное представление о мире, в котором живет
человек[4].

Это можно сделать только в рамках отдельной
темы — космографии. И он должен присутствовать в старшей школе, потому что
запоминать астрономическую информацию без понимания ее физической основы
бессмысленно.

Фрагмент текста работы:

1. Небесная механика – современная наука о движении небесных
тел, законы Кеплера и Ньютона

1.1 Развитие представлений о строении Солнечной системы

Эмпирические
доказательства, опровергающие догму о том, что все должно вращаться вокруг
Земли, были предоставлены Галилеем, сделав первые астрономические наблюдения с
помощью телескопа, в которых он увидел четыре пятна, движущиеся вдоль сегмента
около Юпитера.

Это
были спутники Юпитера. Трудно было притвориться, что они больше вращаются
вокруг Земли, но почему-то случайно получилось, что они вращаются вокруг
Юпитера.

Галилей
также наблюдал фазы Венеры, аналогичные фазам Луны, которые ясно показали, что
Венера иногда находится ближе (когда освещена небольшая часть ее диска), а иногда и дальше от Земли, чем Солнце
(большая часть диск затем загорается).

Прогресс моделирования продолжился.

Кеплер, основываясь на очень тщательных
наблюдениях Тихо Браге, заметил, что гораздо лучшая модель орбиты планеты, чем
иерархия соединенных друг с другом кругов, — это эллипс с центром притяжения,
расположенным в одном из его фокусов. Он увидел простую взаимосвязь между
расстоянием планеты от центра и периодом обращения, заметил, что планета
ускоряется по мере приближения к центру и замедляется по мере удаления. Он
завершил свои наблюдения в виде очень простых математических законов, которые
мы все сегодня изучаем в школе.

Ни одна из упомянутых до сих пор моделей неба
не дала содержательного ответа на вопрос, почему орбиты планет выглядят
так.

Исаак Ньютон внес в эти соображения
совершенно новое качество. Он ответил на этот вопрос: планеты вращаются по
эллиптическим орбитам, потому что они притягивают друг друга с силой, обратно
пропорциональной квадрату расстояния.

Он вывел законы Кеплера из своего закона
всемирного тяготения. Он также мог рассуждать в обратном направлении: вывести
закон всемирного тяготения из законов Кеплера.

Казалось бы, поскольку законы Кеплера уже
были известны, математические уловки Ньютона не приносят ничего нового. Нет
ничего более плохого. Благодаря Ньютону понимание механики неба (и не только
неба) перешло на совершенно другой уровень.

Ньютон показал, что сила, которая заставляет
яблоко падать с дерева на землю, по сути, та же сила. Осознание того, что нет
других законов на небе и других законов на Земле, было большим прорывом в
мышлении.

Понимание, которое дает теория Ньютона,
выходит далеко за рамки законов Кеплера, в том числе и в практическом плане. Он
позволяет, например, планировать сложные орбиты космических аппаратов,
проходящих вблизи множества небесных тел.

Вы можете задаться вопросом: если Ньютон все
понял, преобразовал взад и вперед, то зачем продолжать заниматься механикой и
гравитацией?

Были люди, которые интересовались и постоянно
создавали новые математические модели.

С одной стороны, благодаря, например,
Лагранжу и Гамильтону, были созданы новые математические формулировки той же
теории, которые впоследствии стали основой других теорий (квантовая механика, теория
поля, симплектическая геометрия), с другой стороны, теория Ньютона была
опровергнута, довольно давно и нашел лучшую теорию динамики и гравитации.

Альберт Эйнштейн сделал это.

Очень точные измерения в конце девятнадцатого
века показали, что наблюдаемая орбита Меркурия немного отличается от
предсказаний модели, основанной на теории Ньютона.

Ось симметрии эллипса, окруженного Меркурием,
немного вращается.

Это движение можно частично объяснить его
взаимодействием с другими элементами солнечной системы в теории Ньютона, но
небольшое несоответствие остается.

Общая теория относительности Эйнштейна
заполняет этот пробел и предоставляет последний кусок головоломки, необходимый
для построения модели Солнечной системы.

При той точности, которой мы располагаем, в
настоящее время нет отклонений от предсказаний GDA в Солнечной системе. Однако
ни один физик-теоретик не скажет, что GOT — это окончательная теория, и что у
механики неба больше нет секретов от нас. Напротив, все еще ведутся интенсивные
работы по ее модификации, обобщению, объединению с квантовой теорией и т. д. Таким образом, мы завершили исторический
обзор механики неба, показав на этом примере, как возникают и развиваются
модели окружающей реальности.

Астрономы наблюдают явления, противоречащие
теории гравитации Ньютона и соответствующие предсказаниям GST, такие как
вышеупомянутая прецессия орбиты Меркурия, сужение орбит пар пульсаров и т. д.

Не только в далеком космосе имеют место
явления, противоречащие теории Ньютона. Также на Земле. Протоны, ускоренные
ускорителем LHC, не подчиняются законам движения Ньютона.

Ускорение протона, движущегося со скоростью,
близкой к скорости света, не пропорционально приложенной силе. Его кинетическая
энергия не пропорциональна квадрату его скорости. Чтобы правильно смоделировать
движение этих протонов, нужно использовать релятивистскую динамику, которой мы
обязаны Эйнштейну[5].

Так почему же в школе до сих пор преподают
законы движения Ньютона и законы Кеплера, когда известно, что эти теории не
всегда дают правильные предсказания? Ответ заключается в формулировке не
всегда.

Это означает, что теория Ньютона не была
опровергнута, но ограничена лишь сфера ее применимости. Иногда это срабатывает.

Модели, основанные на принципах динамики
Ньютона, очень хорошо подходят для описания движения автомобилей, велосипедов и
самолетов. Описание таких явлений с помощью релятивистской механики дало бы
очень хорошее приближение к тем же количественным предсказаниям — неразличимым
на практике, но было бы гораздо более сложным с точки зрения учета.

А если то же самое посчитать проще, зачем?

На пределе малых скоростей по сравнению со
скоростью света и слабых гравитационных полей GMP дает предсказания, которые
практически неотличимы от теории Ньютона.

Таким образом, аномальное поведение было
обнаружено в случае Меркурия, который вращается ближе всего к Солнцу, где
гравитационное поле наиболее сильно. Итак,
видим, что продвижение физики в поисках лучшей модели не всегда означает отказ
от старой. Обычно это означает установление пределов его применимости [11].

Даже если бы мы наблюдали явления,
противоречащие GTC, это не означало бы стереть их из учебников физики, точно
так же, как существование экспериментов, противоречащих теории Ньютона, не
мешает преподавать ее последующим поколениям учеников средней школы.

Возможное обнаружение сверхсветовых частиц
также не привело бы к тому, чтобы выбросить теорию относительности в мусорное
ведро, как время от времени предлагают заголовки.

Напротив, если бы можно было наблюдать
какие-либо отклонения от GTC, сообщество физиков с радостью это сделало бы. Особенно
те физики-теоретики, которые годами занимались теорией квантовой гравитации,
потому что они пытаются создать модель.

Как видно из приведенных примеров, физика —
это совокупность множества теорий, моделирующих различные фрагменты окружающей
нас реальности.

Физику, пытающемуся смоделировать конкретный
процесс или явление, часто приходится делать трудный выбор, какой тип
моделирования использовать, какими эффектами можно пренебречь, а какими нет.

Он должен искать описание, которое было бы
достаточно точным и в то же время не слишком сложным, чтобы его можно было
вообще применить.

Неизбежно использование приближений и
компромиссов между тем, что мы хотим вычислить, и тем, что может вычислить.
Эти приближения и компромиссы часто являются предметом споров и для этого
предназначены семинары и конференции, созданные модели в лучшем случае являются
лишь приблизительным описанием какой-то части реальности.

Однако больше всего теоретики «обращаются» к
поиску простых правил, которые объединяют многие явления, поднимая наше понимание
основных законов природы на более высокий уровень, как это сделали Ньютон и
Эйнштейн. Вот почему так много людей уделяют внимание квантовой гравитации,
потому что, помимо прочего, нам все еще не хватает такого более глубокого
понимания. Движущая сила физиков — любопытство и желание
понять. Побочным эффектом создания все более совершенных моделей фрагментов
реальности является технический прогресс, который происходит у нас на глазах.

То, что вы видите, вероятно, только начало
развития нашей цивилизации. Поэтому физикам-теоретикам стоит разработать свои
модели (даже пока еще ненаблюдаемых явлений).

С другой стороны, современные студенты должны
быть рады, что они изучают простые принципы динамики Ньютона, потому что не
исключено, что после одной из образовательных реформ физика в средней школе
будет начинаться с быстрого курса дифференциальной геометрии и уравнений поля
Эйнштейна.