Методы исследования в астрономии. Астрономия – это что за наука? Астрономия наука о космических телах
Методы астрономических исследований
Компоненты мегамира
Космос (мегамир) – весь мир, окружающий планету Земля.
Весь космос мы наблюдать не можем по ряду причин (техническим: разбегание галактик → свет не успевает долететь).
Вселенная – часть космоса, доступная наблюдению.
Космология – изучает строение, происхождение, эволюцию и будущую судьбу Вселенной в целом.
Основу этой дисциплины составляют астрономия, физика и математика.
Астрономия (буквально – наука о поведении звезд) – более узкая отрасль космологии (наиболее важная!) – наука о строении и развитии всех космических тел.
Методы исследования в астрономии
В астрономии непосредственно можно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение , в том числе свет.
Основную информацию получают при использовании оптических приборов.
1. Оптическая астрономия – изучает видимые (т.е. светящиеся) объекты.
Наблюдаемая, или светящаяся, материя либо сама испускает видимый свет в результате идущих внутри нее процессов (звезды), либо отражает падающие лучи (планеты Солнечной системы, туманности).
В 1608 г . Г. Галилей направил на небо свою простую подзорную трубу , совершив тем самым революцию в области астрономических наблюдений. Сейчас астрономические наблюдения проводят с помощью телескопов.
Оптические телескопы бывают 2-х типов: рефракторные (свет собирает линза → необходимы большие линзы, которые могут гнуться под собственным весом → искажение изображения) и рефлекторные (свет собирает зеркало , таких проблем нет → большинство профессиональных телескопов - рефлекторы).
В современных телескопах человеческий глаз заменен фотопластинками или цифровыми камерами , которые в состоянии аккумулировать световой поток на протяжении больших временных промежутков, что позволяет обнаруживать еще более мелкие объекты.
Телескопы устанавливаются на высоких горных вершинах, где в наименьшей степени сказывается влияние атмосферы и света больших городов на изображение. Поэтому сегодня большая часть профессиональных телескопов сконцентрирована в обсерваториях, которых не так много: в Андах, на Канарских о-вах, на гавайских вулканах (4205 м над ур. моря, на потухшем вулкане – самая высокая обсерватория в мире) и в некоторых особо изолированных местах Соединенных Штатов и Австралии.
Благодаря международным соглашениям, стрáны, в которых нет подходящих для установки телескопов мест, могут установить свою аппаратуру в местах с такими условиями.
Самый крупный телескоп – строится в Чили Южно-Европейской обсерваторией (включает систему из 4 телескопов диаметром 8,2 м каждый).
В 1990 г. на орбиту выведен оптический телескоп «Хаббл» (США) (h = 560 км).
Его длина – 13,3 м, ширина – 12 м, зеркало диаметром 2,4 м, общая масса – 11 т,
стоимость ~ 250 млн. $
Благодаря ему получено глубокое, никогда ранее недостижимое изображение звездного неба, наблюдались планетарные системы в стадии формирования, получены данные о существовании огромных черных дыр в центрах разных галактик. Телескоп должен закончить работу к 2005 г; сейчас запущен другой более современный.
2. Неоптическая астрономия – изучает объекты, испускающие ЭМ-излучение за рамками видимого света.
Электромагнитное излучение – форма электрической и магнитной энергии, которая распространяется в космосе со скоростью света. Единица измерения – длина волны (м).
ЭМ-спектр условно разделен на полосы, характеризующиеся определенным интервалом длин волн. Четкие границы между диапазонами определить нельзя, т.к. они часто перекрывают друг друга.
Ч. 1
Глава 1
ПРЕДМЕТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НАБЛЮДЕНИЙ
1.1.
Астрономические наблюдения
Как утверждают учебники, астрономия - наука о Вселенной, изучающая происхождение, строение и развитие небесных тел и их систем. В последние годы стали выделять особо космические исследования, понимая под этим исследование космического пространства, окружающего Землю и другие тела Солнечной Системы. Это связано с развитием технических средств научных исследований и, кроме всего, с созданием искусственных небесных тел - спутников, космических аппаратов, зондов, проникающих далеко в космическое пространство, сделанных руками человека.
Основной источник информации в астрономии - наблюдения. Нельзя путать астрономические наблюдения с созерцанием звездного неба! Очень часто профессиональный астроном-наблюдатель не знает где и какие созвездия располагаются на небе. Его может совершенно не интересовать, к какому созвездию относится наблюдаемая звезда или другой звездоподобный объект. Образы мифологических героев и животных на небе - для любителей астрономии.
Астроном-наблюдатель - это не мудрец, стоящий на балконе с длинной зрительной трубой (телескопом). Хотя М.В.Ломоносов именно в зрительную трубу открыл атмосферу Венеры, наблюдая за вспышкой ореола вокруг планеты. Такое явление как покрытие звезд спутниками и планетами наблюдали и в древности и сейчас. Правда, человеческий глаз заменен на светочувствительные электронные элементы, моменты времени покрытия измеряются сверхвысокоточными генераторами стандартной частоты. Астрономические наблюдения превратились в самый современный физический эксперимент. Однако астрономические наблюдения имеют и серьезные отличия от физического эксперимента. Прежде всего, это то, что наблюдатель (экспериментатор) не может изменить условия наблюдения, не может воздействовать на объекты наблюдения. Источником информации служит, как правило, электромагнитное излучение исследуемого объекта, изменить которое наблюдатель не в силах. Но он может заменить приемник этого излучения и получить новые характеристики исследуемого объекта. Современные астрономические наблюдения выполняются в очень широком диапазоне частот: от рентгеновских до радиоволн. В зависимости от диапазона наблюдаемых частот вводят различные “астрономии” - радиоастрономия, инфракрасная, оптическая, рентгеновская и т.п.
Итак, что же такое астрономическое наблюдение? На каком этапе нужно прибегать к математической обработке этого наблюдения? Какие задачи ставит перед собой математическая обработка? На эти вопросы и попытаемся ответить.
Предположим, что наблюдателю требуется определить момент прохождения заданной каталогом звезды через меридиан. Прежде, чем приступить к наблюдениям астроном должен установить телескоп так, чтобы звезда в нужный момент оказалась в поле зрения. Поэтому с помощью формул наблюдатель должен сначала предвычислить положение трубы телескопа и момент прохождения звезды. Эти данные готовят заранее. Теперь на этом примере проследим эволюцию техники наблюдения. Прежде всего, эти наблюдения производят на неподвижном инструменте (пассажный инструмент, универсал и т.п.), в поле зрения которого вследствие суточного вращения изображение звезды движется. Для определения момента прохождения через меридиан наблюдатель лет 50 назад брал с собой часы-хронометр, четко отбивающие секунды. За несколько секунд до прохождения звезды через вертикальную линию в поле зрения окуляра, отождествляемую с положением меридиана, наблюдатель “берет счет секунд” и внимательно следит за движением звезды. Например, звезда пересекла “меридиан” в промежутке, когда хронометр отбивал 19-ую и 20 секунды. Эти доли секунды определяют не отрываясь от окуляра, оценивая относительное расстояние от звезды до вертикальной линии в момент 19 с по всему пути прохождения звезды за всю секунду на глаз. Этот метод, известный в древней астрономии как метод Брадлея (Bradley), требовал от наблюдателя огромного напряжения. При этом ошибки наблюдений до 0,1-0,2с были неизбежны. Этот метод еще долго применялся у геодезистов для определения астрономических координат в полевых условиях и для определения астропунктов. Изобретение “безличного микрометра” значительно облегчило задачу наблюдений. Теперь наблюдатель должен лишь держать движущуюся звезду между двумя близкими вертикальными линиями - биссектором. А электрические контакты микрометра и хронометра позволили весь процесс движения звезды записать на бумажной ленте, которую можно измерить в спокойной обстановке, днем в лаборатории. Замена ленточного самописца хронографом полностью исключила необходимость измерения ленты. Однако и этот метод требует от наблюдателя искусства. Он должен очень точно, равномерно перемещать биссектор, причем так, чтобы звезда оставалась строго посередине между двумя вертикальными линиями. Изобретение разнообразной светочувствительной электроники позволило избавить наблюдателя и от этой операции. Теперь в поле зрения трубы поставили фотоэлементы. Переход изображения звезды с одного фотоэлемента на другой вызовет скачок электрического напряжения, момент которого можно определить с помощью специального генератора стандартной частоты. Остается только эти сигналы направить в соответствующие блоки, соединенные с компьютером, который с высокой точностью вычислит и момент прохождения звезды через меридиан. Роль наблюдателя в этом случае - в правильной, аккуратной эксплуатации всей аппаратуры, включая и астрономический инструмент.
Нужно сказать, что эволюция техники наблюдений этим не завершилась. Наблюдения моментов прохождения звезд через меридиан проводят, в частности, при астрометрическом исследовании движения планеты Земля (геодинамики) - базы для построения фундаментальной системы координат, необходимой при изучении Вселенной. Сейчас для этой цели используют методы, значительно отличающиеся от классических. Даже такой сугубо астрометрический инструмент как телескоп для некоторых астрономических задач уходит в историю. В частности, для изучения движения полюса и неравномерности вращения Земли применяют радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерную локацию спутников и спутниковую систему “глобального позиционирования”. Все эти методы появились совсем недавно, когда космические исследования стали одной из важнейших наук о Земле и Вселенной.
При астрометрических и астрофизических наблюдениях широко применяется астрофотография. На фотопластинках с необходимыми светочувствительными характеристиками получают фотографии участков неба, планет и их спутников, спектры звезд и других небесных объектов. Сейчас появилась возможность (хотя и очень дорогая!) астрономические фотоаппараты - астрографы - размещать на космических аппаратах, где отсутствует атмосфера, затрудняющая астрономические наблюдения на Земле. Впечатляющие фотографии поверхности Марса, его спутников, колец Сатурна и даже Юпитера, о которых ранее ничего не было известно, получены с космических аппаратов. Изображение исследуемого объекта теперь получают не только на фотопластинках, но и на экранах персональных компьютеров, да еще в цвете (правда, искусственном). Фотопластинку в современной астрономии заменяют ПЗС-матрицы - своего рода фасеточные глаза, которыми природа снабдила насекомых. Это плотно упакованное на небольшой площадке множество микрофотоэлементов (пикселей), каждый из которых меняет электрический заряд при изменении его освещенности. Изображение объекта на ПЗС-матрице переводится на язык чисел и вводится в компьютер. Тот, в свою очередь, по желанию оператора высвечивает изображение на дисплее либо целиком, либо отдельными частями в разных масштабах. Именно таким образом исследовалась недавно (1986) комета Галлея, которая проходила близко от Солнца. Для того, чтобы на нее посмотреть, этими “электронными” глазами были снабжены космические аппараты, близко пролетающие около кометы.
Итак, какова же цель астрономического наблюдения? Отнюдь не только получить изображения космического тела, хотя это и интересно. Основной задачей астрономических наблюдений является получение наблюдательных данных
(сведений) об исследуемом объекте: координаты на небесной сфере, на фотопластинке, распределение плотности почернения в изображении спектра и т.п. Все эти данные выражаются в числах, таблицах, графиках. Итогом наблюдений астероида являются две координаты на небесной сфере и момент наблюдения. Наблюдения звездных спектров могут быть записаны в виде кривых, полученных после автоматического “считывания” плотности фотографического изображения на фотопластинке с помощью микроденситометра. В любом случае итог наблюдений - данные, подлежащие математической обработке с целью определить необходимые параметры
исследуемого объекта, выполнить интерпретацию данных, построить модель этого объекта.
1.2.
Погрешности наблюдений
Число, график, которые получают в процессе наблюдений не абсолютно точны. Это связано с тем, что числовые данные мы получаем из измерений на пределе возможностей измерительных приборов. Так в примере наблюдения момента прохождения звезды через меридиан измерительным прибором является сам телескоп, а задачей наблюдателя является снимать отсчеты со шкалы времени, которую нам дает хронометр. В любых физических экспериментах часто приходится пользоваться измерительными шкалами. В том случае, когда отсчет приходится на промежуток между делениями шкалы производится оценка (интерполирование) на глаз с точностью до десятой доли этого деления. В астрономии это приходится делать, например, при пользовании угломерными инструментами.
Оценка на глаз не может быть произведена точно. Неизбежна погрешность отсчета. Замена глаза на светочувствительные элементы уменьшает, но не снимает полностью проблему погрешностей измерений. Сама звезда из-за несовершенства оптики - не точечное изображение. Кроме того, флуктуации плотности атмосферы вызывают “мерцание” звезды. Она не стоит на месте, а имеет хаотическое движение около своего “истинного” положения. Все это приводит к расплыванию изображения, а вместе с ним “расплыванию” отсчета.
Вместо термина “погрешность” часто применяют термин “ошибка”, особенно в старых математических работах. Сейчас оба эти термина имеют одинаковое право на употребление. Хотя ошибкой называют и понятие, не имеющее никакого отношения к математической обработке наблюдений. В английском языке error - математическая ошибка, mistake - ошибка, заблуждение. Например, по ошибке вы можете перепутать знак числа, по ошибке воспользоваться не той формулой и т.п. Такого рода ошибки относят к промахам.
Ошибки делят на систематические и случайные .
Основное свойство случайной ошибки - ее непредсказуемость. Кроме того, предполагают, что случайная ошибка может как преувеличить результат, так и преуменьшить его. Мысленно представим себе возможность повторения наблюдения неограниченное число раз, чего часто на практике сделать нельзя. Наблюдение конкретной звезды через меридиан может быть только одно. Его нельзя повторить, время ушло. Условия для наблюдения на следующую ночь, строго говоря, другие. Это не будет повторением первого наблюдения. В случае, когда числовые данные наблюдений получают в лабораторных условиях, например, измеряя координаты изображения звезды на фотопластинке, то процедуру измерения можно повторять сколько угодно раз, пока хватит терпения. При этом вы будете получать все время разный результат. Какой же из них верный?
Пусть наблюдаемый параметр есть 
, а измерения дают 
. Тогда ошибкой измерения будет
.
Ошибку 
называют случайной, если помимо ее непредсказуемости она обладает следующими свойствами:
1) равенства нулю ее среднего значения 
,
2) независимость одного измерения от другого. Критерием независимости служит равенство нулю среднего значения произведения всех разных ошибок. Пусть 
и 
- ошибки соответственно i-го и j-го наблюдений (
), причем j-i=m
. Составим произведения 
.Число таких произведений будет n-m,
где n -
общее число измерений. Очевидно, что равенство нулю среднего значения можно записать как 
.
Для независимых измерений это равенство должно выполняться для любого смещения m 0 .
Первое из свойств интуитивно легко понять. Сумма 
содержит как положительные, так и отрицательные слагаемые, которые как увеличивают сумму, так и уменьшают ее. В результате сумма с увеличением числа членов растет медленнее, чем само n. Отсюда, отношение суммы к числу измерений стремится к нулю.
Однако это будет не ноль, если, например, число положительных членов, как правило, больше, чем отрицательных. Среднее значение в этом случае не будет равно нулю, и ошибку, строго говоря, нельзя назвать случайной, хотя она по-прежнему непредсказуема.
Второе свойство понять сложнее, хотя для его обоснования можно снова воспользоваться тем же аргументом: сумма содержит члены с разными знаками, которые компенсируют друг друга. Варианты
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
– |
– |
|
– |
+ |
– |
|
– |
– |
+ |
Отсюда, знаменатель увеличивается быстрее числителя, и предел снова равен нулю.
Понятие независимости измерений можно распространить и на измерения двух параметров. Пусть подлежат определению X и Y, в результате измерений будем одновременно иметь пару 
и 
(i=1,2,..n). Ошибками измерений называют разности
,
.
Ошибки будут независимыми, если среднее значение суммы произведений 
равно нулю:
Представим себе, что преувеличение величины X влечет за собой и преувеличение величины Y, и наоборот - уменьшение X влечет за собой уменьшение Y. Тогда произведения 
будут иметь тенденцию сохранять знак и упомянутое выше равенство нулю не выполняется. В этом случае имеет место статистическая зависимость
и 
друг от друга. Измерения нельзя считать независимыми.
Итак, ошибки измерения (наблюдения) называют случайными , если они помимо непредсказуемости (случайности) удовлетворяют требованию равенства нулю их среднего значения и условию независимости. Впрочем, последнее требование в некоторых случаях может и не выполняться. Эти случаи мы будем специально оговаривать.
Основное свойство систематических ошибок - невозможность уменьшения их влияния на результат путем многократных повторений. Вернемся снова к нашему примеру с наблюдением прохождения звезды через меридиан. Инструмент, на котором мы наблюдаем, должен быть установлен в меридиане. Предположим, что он слегка повернут к востоку. Тогда звезды в верхней кульминации будут достигать инструментального “меридиана” несколько раньше истинного. Причем, все звезды, которые мы наблюдаем! Ошибка всюду одного знака, хотя она будет зависеть от высоты звезды. Никакими многократными измерениями ее устранить нельзя. На практике вводят поправку за азимут инструмента, которая определяется специально, путем проведения дополнительных исследований.
Систематические ошибки возникают и в том случае, когда теория недостаточно строга, если она не учитывает каких-либо существенных факторов или работает с неадекватной моделью. Например, при определении расстояния до искусственного спутника Земли путем лазерной локации нужно знать скорость распространения света в атмосфере Земли. Для этого необходимо принять модель атмосферы за истину и по отношению к ней получить необходимые формулы для вычисления поправок. Если модель неверна, будут одинаковые погрешности во всех наблюдениях.
Такие разделы астрономии как астрометрия, гравиметрия, фотометрия и другие - это разделы науки, исследующие возможности устранения систематических погрешностей. Поэтому в каждом конкретном случае методика исключения систематической ошибки изучается в соответствующем разделе астрономии и выходит за рамки нашего курса.
Систематические ошибки могут быть и неустранимые. Примером тому можно взять построение звездного каталога. Для определения координат звезд относительным методом выбирают опорные звезды и измеряют приращение координат по прямому восхождению и склонению, 
и 
(см. рис.). Если координаты опорной звезды 
, то зная и , получаем измеряемые координаты:
Таких звезд, координаты которых определяют относительно опорной звезды, может быть сколько угодно. Но их координаты будут содержать кроме погрешностей измерения 
и 
и погрешности, которые содержат координаты опорных звезд. Последние относятся к типу систематических. Они неизвестны и устранить их невозможно. В этом случае можно сказать, что координаты звезд определены в системе
данной опорной звезды. Практически берут не одну, а много опорных звезд, относящихся к одному каталогу. Тогда говорят, что координаты определены в системе опорных звезд данного каталога.
1.3. Задачи математической обработки наблюдений
Как следует из вышеизложенного, математической обработке подвергают не наблюдения, а результаты этих наблюдений, заданные в виде чисел, таблиц или графиков. Формулы, по которым производится вычисление при подготовке к наблюдениям и после их выполнения выводятся в теории соответствующего раздела астрономии. Наш курс охватывает некоторые общие особенности вычислительного процесса, которые относятся к любой астрономической, да и физической задачам.
Одна из основных задач - составление алгоритмов вычисления, схем, вычислительных бланков и т.п., которые с вычислительной точки зрения грамотно организуют процесс вычислений. Прежде всего необходимо правильно использовать технику приближенных вычислений.
Приведем простой пример. Предположим, вам надо вычислить разность 
без компьютера, а правила извлечения квадратного корня вы забыли! Очень быстро к результату приведет следующая “маленькая хитрость”:
С калькулятором пришлось бы пользоваться многозначными числами:
Второй пример. Нужно вычислить на калькуляторе разность 
при 
. Если использовать эту формулу “в лоб”, получим , 
. Если эту формулу преобразовать: , получим результат много точнее.
Третий пример. Дано число 2.378.... Остальные числа после запятой вам неизвестны. Предположим, что вам это число нужно разделить на 17. Берем калькулятор и вычисляем:
2,378:17=0.13988235
Сначала выпишем все цифры, которые высвечиваются на табло калькулятора. Но, как я говорил, цифры после...8 нам неизвестны. А может, должно быть 2.3789?! В этом случае частное от деления на 17 будет равно 0.13993529 . Видно, в зависимости от того, какая цифра следует за...8, будут меняться 5 последних цифр результата. Поэтому их следует считать неизвестными, хотя они и высвечиваются на табло. Использовать полученный результат в дальнейших вычислениях - бездарная перегрузка как машины, так и собственного времени. Подобного рода примеров можно привести множество.
Итак, первой задачей математической обработки является организация вычислений .
Как мы уже говорили, исходные данные содержат погрешности. Возникает сразу же вопрос - как велики они? Сказать, что погрешность равна какому-то определенному числу, нельзя, мы ее не знаем. Однако нам необходимо знать с какой же точностью получены эти данные. Например, можем ли мы измерить видимый диаметр Луны с точностью до 1 угловой минуты, 1 угловой секунды или, может быть, с точностью до долей секунды. Повторяя измерения многократно, мы можем составить себе представление о точности. Полный ответ на этот вопрос дают характеристики погрешности, определение которых входит в сферу интересов нашего предмета.
Следовательно, второй задачей математической обработки астрономических наблюдений будет определение характеристик точности наблюдения, измерения или, как чаще говорят, оценки точности наблюдения.
В астрономических исследованиях часто приходится прибегать к построению эмпирических формул. Пусть какой-либо параметр, зависящий от времени, есть y, тогда в результате повторения наблюдений в моменты 
будем иметь разные значения . Можно построить график зависимости y от t, но наблюденные точки (
) из-за ошибок наблюдения не выстраиваются “в цепочку”. Через них нельзя провести плавную кривую. Тогда поступают следующим образом. Проводят плавную кривую без изломов так, чтобы наблюденные точки лежали по обе стороны кривой, притом сколько выше кривой, столько и ниже. Как правило, интуиция подсказывает нам, как провести эту кривую, и это будет эмпирическая кривая
. Однако ее нельзя использовать для дальнейших математических выкладок. Нужна эмпирическая формула
. Это, обычно, сумма синусоид с разными амплитудами, периодами и фазами. Это может быть экспоненциальная или логарифмическая кривые. Часто пользуются степенными полиномами. Нужно только так определить параметры этой функции, чтобы она наилучшим образом аппроксимировала, т.е. изображала изменение наблюденного параметра от времени.
Сказанное выше можно перевести на язык формул. Пусть аппроксимирующая наблюдения функция содержит m неизвестных параметров, а аналитический вид самой функции мы выбрали заранее. Обозначив искомые параметры через 
, а функцию через 
,
будем иметь
где 
- “невязки” (остаточные разности, residuals).
Невязки показывают, насколько наблюденные значения (О) отличаются от вычисленных (С). Иначе говоря, наши “невязки” есть ничто иное как О-С - так традиционно обозначают в астрономии эти разности (Observatio-Calculatio).
Приведенную формулу можно считать системой n
уравнений с m
неизвестными. При 
система переопределена (число уравнений больше числа неизвестных). Можно, конечно, отобрать из наблюдений ровно столько, сколько нужно, а остальные отбросить. Тогда получим одно решение. Если отобрать другие наблюдения, получим другое решение. Так можно поступать неоднократно (точнее, n-m
раз), получая все новые и новые решения. Какие же параметры следует считать наилучшими? Ответ на этот вопрос дает математическая обработка наблюдений.
Итак, третьей задачей нашего предмета является определение точечных оценок параметров - так называется эта процедура. Точечными оценками называются конкретные приближенные значения параметров, совокупность которых дает точку в m-мерном пространстве.
Невязки могут быть пренебрежимо малыми или, наоборот, очень большими. Понятно, что степень доверия к определению параметров будет разная. Поэтому важной характеристикой оценки параметров является ее надежность - вполне математическая характеристика оценивания. Строго говоря, мы можем указать лишь интервал значений параметров. Чем больше этот интервал, тем выше надежность утверждения, что искомое значение параметра (или параметров) лежит внутри этого интервала; чем меньше интервал, тем меньше и надежность. Задача определения интервала при заданной надежности называется интервальной оценкой параметров , которую мы отнесем к четвертой задаче математической обработки наблюдений.
Наш курс следовало бы назвать введением в математическую обработку. Более глубокое изучение предмета опирается на соответствующие разделы математики, в частности, численные методы, теорию вероятностей и математическую статистику. Все эти предметы вы будете изучать на разных курсах университета. Однако совершенствоваться по теории и практике этого предмета придется всю жизнь вместе с развитием вычислительных средств и практических алгоритмов обработки наблюдений. А пока можно рекомендовать следующую литературу:
1)Демидович Б.П., Марон И.А. “Основы вычислительной математики”, 1970г.
2)Тейлор Дж. “Введение в теорию ошибок”, 1985 г.
3)Щиголев Б.М. “Математическая обработка наблюдений”, 1969 г.
ч. 1
В XX в. радикально изменилась древнейшая наука – астрономия. Это связано, как с появлением её новой теоретической основы – релятивистской и квантовой механики, так и с расширением возможностей экспериментальных исследований.
Общая теория относительности стала одной из основополагающих теорий космологии, а создание квантовой механики дало возможность изучать не только механическое движение космических тел, но и их физические и химические характеристики. Получили развитие звездная и внегалактическая астрономия. Астрономия стала всеволновой, т.е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-излучение). Ее экспериментальные возможности существенно возросли с появлением космических аппаратов, позволяющих проводить наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей излучение. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (а часто и необъяснимых) явлений.
Основной инструмент астрономических исследований - телескоп, другие приборы, например спектроскопические, исследуют излучение, собираемое телескопом. Сейчас лишь малая часть астрономических работ осуществляется визуально, в основном исследования проводятся с помощью фотокамер и других регистрирующих излучение приборов. Появились радиотелескопы, позволяющие изучать радиоизлучение всевозможных объектов Солнечной системы, нашей и других галактик. Радиоастрономия чрезвычайно расширила знания о Вселенной и привела к открытию пульсаров (нейтронных звезд), квазаров – внегалактических объектов, являющихся самыми мощными из известных источников излучения, позволила получить информацию о наиболее удаленных областях Вселенной, обнаружить изотропное «реликтовое» излучение. Все это – важнейшие открытия ХХ в. Дополнительную информацию дают и исследования в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и - диапазонах, но эти излучения сильно поглощаются атмосферой, и соответствующая аппаратура устанавливается на спутниках. К выдающимся открытиям ХХ в. относится и обнаруженное в 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (1889 – 1953) увеличение длины волны, соответствующей линиям в спектрах удаленных галактик («красное смещение»), которое свидетельствует о взаимном удалении космических объектов, т.е. о расширении Вселенной.
Структура Вселенной
Солнечная система. Солнечная система – космический дом человечества. Солнце - источник тепла и света, источник жизни на Земле. Солнечная система - взаимосвязанная совокупность звезды – Солнца и множества небесных тел, к которым относятся девять планет, десятки их спутников, сотни комет, тысячи астероидов и др. Все эти разнообразные тела объединены в одну устойчивую систему благодаря силе гравитационного притяжения центрального тела – Солнца.
Солнце – плазменный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся в состоянии дифференцированного вращения вокруг своей оси. Наибольшая скорость вращения в экваториальной плоскости – один оборот за 25,4 суток. Источником солнечной энергии, скорее всего, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие во внутренних областях солнца, где температура достигает 10 7 К. Температура поверхностных частей 6000 К. Поверхность Солнца не является гладкой, на ней наблюдаются гранулы, обусловленные конвективными газовыми потоками, возникают и исчезают «пятна», вихри. Взрывные процессы на Солнце, солнечные вспышки, периодически возникающие на его поверхности пятна, могут служить мерой активности Солнца. Исследования показали, что цикл максимальной активности Солнца регулярен и составляет приблизительно 11 лет. Пятна и вспышки на Солнце – наиболее заметные проявления магнитной активности Солнца. Связь между солнечной активностью и процессами на Земле отмечалась еще XIX веке, а в настоящее время имеется огромный статистический материал, подтверждающий влияние активности Солнца на земные процессы.
Разработанная в XVII – XVIII вв. теоретическая основа классической астрономии – классическая механика позволяет прекрасно описать движение связанных гравитационным взаимодействием тел Солнечной системы, но не дает ответа на вопрос о ее происхождении. Планеты солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, за исключением последней движутся вокруг Солнца в одном направлении в единой плоскости по эллиптическим орбитам. Планеты, как и их спутники, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. С 1962 г. планеты и их спутники исследуются не только с Земли, но и с космических станций. В настоящее время накоплен обширный фактический материал об особенностях физических и химических свойств поверхности планет, их атмосферы, магнитном поле, периодах вращения вокруг оси и Солнца. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера, Марс). Орбита наиболее удаленной от Солнца планеты – Плутона, размер которого меньше размера спутника Земли – Луны, определяет размер Солнечной системы 1,2·10 13 м.
Солнечная система, являясь частью нашей галактики, как целое движется вокруг ее оси со скоростью 250 м/с, делая полный оборот за 225 млн. лет. Согласно современным представлениям формирование современной структуры Солнечной системы началась с бесформенной газопылевой туманности (облака). Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго (или более позднего) поколения, т.к. кроме обычных для звезд водорода и гелия содержит и тяжелые элементы. Элементный состав Солнечной системы характерен для эволюции звезд. Под действием гравитационных сил облако сжималось так, что самая плотная его часть находилась в центре, где сосредоточена основная масса вещества первичной туманности. Там возникло Солнце, в недрах которого затем начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, являющиеся основным источником энергии солнца. По мере увеличения светимости Солнца газовое облако становилось все менее однородным, в нем появились сгущения – протопланеты . С ростом размеров и массы протопланет их гравитационное притяжение усиливалось, таким образом сформировались планеты. Остальные небесные тела образованы остатками вещества исходной туманности. Итак, примерно 4,5 - 5 млрд лет назад Солнечная система окончательно сформировалась в сохранившемся до нас виде. Вероятно, еще через 5 млрд лет Солнце истощит запасы водорода, и его структура начнет изменяться, что приведет к постепенному разрушению нашей Солнечной системы.
Хотя современные представления о происхождении Солнечной системы остаются на уровне гипотез, они согласуются с идеями закономерной структурной самоорганизации Вселенной в условиях сильнонеравновесного состояния.
Звезды. Галактики. Солнце – песчинка в мире звезд. Звезда – основная структурная единица мегамира. Стационарная звезда представляет собой высокотемпературный плазменный шар в состоянии динамического гидростатического равновесия. Она является тонко сбалансированной саморегулирующейся системой. В отличие от других небесных тел, например планет, звезды излучают энергию. Энергия, генерируемая в них ядерными процессами, приводит к возникновению в недрах звезд атомов химических элементов тяжелее водорода и является источником света. Звезды – природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества. Они сильно различаются по своим физическим свойствам и химическому составу. Наблюдаются разные типы звезд, которые соответствуют разным этапам их эволюции. Эволюционный путь звезды определяется её массой, которая меняется в основном в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца. Звезды рождаются, изменяются и гибнут. При массе, меньшей 1,4 солнечной, звезда, пройдя стадию красного гиганта , превращается сначала в белого карлика , затем – в черного карлика , холодную мертвую звезду, размер которой сравним с размером Земли, а масса – не более солнечной. Более массивные звезды на завершающем этапе эволюции испытывают гравитационный коллапс – неограниченное стягивание вещества к центру и могут вспыхнуть как сверхновые с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство в виде газовых туманностей и превращением оставшейся части в сверхплотные нейтронную звезду или черную дыру .
Звезды образуют галактики - гигантские гравитационно связанные системы. Наша Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь и насчитывает 10 11 звезд. Галактики разнообразны по размерам и по форме. По внешнему виду выделяют три типа галактик – эллиптические, спиральные и неправильные. Наиболее распространенными являются спиральные, к ним относится и Наша Галактика. Она представляет собой уплощенный диск с диаметром ~ 10 5 световых лет с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика вращается, причем быстрота вращения зависит от расстояния до ее центра. Солнечная система находится на расстоянии приблизительно 30 000 световых лет от центра галактического диска.
С Земли невооруженным глазом можно наблюдать три галактики – Туманность Андромеды (из Северного полушария) и Большое и Малое Магеллановы облака (из Южного). Всего же астрономы обнаружили около ста миллионов галактик.
Помимо миллиардов звезд галактики содержат вещество в виде межзвездного газа (водород, гелий) и пыли. Плотные газово-пылевые облака скрывают от нас центр нашей Галактики, поэтому о его структуре можно судить только предположительно. Кроме того, в межзвездном пространстве существуют потоки нейтрино и электрически заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, а также поля (гравитационные, электромагнитные). Следует отметить, что, хотя количество молекул органических соединений в межзвездном веществе невелико, их присутствие является принципиально важным. Например, теория абиогенного происхождения жизни на Земле опирается на участие в этом процессе молекул органических веществ, электромагнитного излучения и космических лучей. Чаще всего органические молекулы встречаются в местах максимальной концентрации газопылевого вещества.
В конце 70-х годов нашего века астрономы обнаружили, что галактики во Вселенной распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Таким образом, в небольших масштабах вещество распределено очень неравномерно, но в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.
Метагалактика. Мы вкратце рассмотрели структурные уровни организации вещества в мегамире. Есть ли верхняя граница в возможности наблюдения Вселенной? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Существует принципиальное ограничение размеров наблюдаемой части Вселенной, связанное не с экспериментальными возможностями, а с конечностью её возраста и скорости света.
Космология на основе общей теории относительности Эйнштейна и закона Хаббла(см. ниже) определяет возраст Вселенной Т вс 15-20 млрд лет (10 18 с). Никаких структурных единиц до этого не существовало. Введем понятие космологического горизонта, отделяющего те объекты от которых свет за время t<Т вс до нас дойти не может. Расстояние до него
где с – скорость света в вакууме, Т вс – возраст Вселенной.
Космологический горизонт образует границу принципиально наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики . Если принять, что возраст Вселенной 10 18 с, то размер Метагалактики имеет порядок 10 26 м, причем космологический горизонт непрерывно удаляется от нас со скоростью 3·10 8 м/с.
Важное свойство Метагалактики в современном состоянии – её однородность и изотропность, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Одно из важнейших свойств Метагалактики – её постоянное расширение, «разлет» галактик. Американский астроном Э. Хаббл установил закон, согласно которому чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются.
Расширяющаяся Вселенная – это Вселенная изменяющаяся. А значит, у неё есть своя история и эволюция. Эволюция Вселенной как целого изучается космологией , которая в настоящее время дает описание и первых мгновений её возникновения и возможных путей развития в будущем.
Наука, которая изучает Вселенную и является одной из самых древних у человечества, - астрономия. Это слово состоит из двух греческих: "номос" - "закон", и "астрон" - "светило, звезда". В совокупности можно перевести этот термин как "закон звёзд". Астрономия - это целые тысячелетия наблюдений за небом, когда накапливаются разнообразные знания. Нужно отметить, что по сравнению с другими науками уровень этой науки был чрезвычайно высок уже в древности.
Тогда и сейчас
Названия созвездий мы знаем неизменно одни и те же на протяжении многих десятков веков. Наши далёкие предки знали их все, они умели рассчитать восход и заход Солнца, планет, Луны, всех самых крупных звёзд задолго до наступления нашей эры. Более того, учёные уже тогда умели предсказывать солнечные и лунные затмения. Астрономия - это главная наука в жизни древнего человека. Охотники по звёздам находили дорогу к дому, моряки по звёздам вели свои корабли в открытом океане. Все сельскохозяйственные работы были связаны с установленным циклом смен времён года, по светилам рассчитывалось время и составлялись календари. Даже судьбу астрологи предсказывали по звёздам.
Сейчас во многом из вышеперечисленного надобность отпала. Курс кораблей и разливы рек уже не нужно высчитывать по песочным часам, потому что появились всевозможные технические средства. Однако астрономия - это наука, у которой не может быть окончания в её развитии. И сейчас вся космонавтика зиждется на её основах, с помощью этой науки человечество пользуется системами связи, телевидением и наблюдает Землю из Космоса. Теснейшим образом теперь связываются астрономия и математика, астрономия и физика, они имеют общие методы познания, которые широко используются.
Две астрономии
Суть астрономии в древности - это наблюдение. В этой науке невозможны эксперименты, как в физике или химии, поскольку объекты изучения людям недоступны. Но значение астрономии в жизни человека и сегодня очень большое. Вся информация о небесных телах и теперь добывается из получаемых электромагнитных излучений. Но в последние несколько десятилетий учёные получили возможность изучать некоторые небесные объекты непосредственно - автоматические станции зондируют атмосферу ближайших планет, изучается их грунт.
Именно этот факт разделил астрономию на две основные части - теоретическую и наблюдательную. Последняя имеет целью получать данные из наблюдений за небесными телами, которые потом анализируются с помощью физики и её основных законов. А теоретики-астрономы разрабатывают компьютерные, математические и аналитические модели, с помощью которых описывают астрономические явления и объекты. Нужно ли говорить, что значение астрономии как науки для человечества просто огромно? Ведь эти две ветви не существуют отдельно сами по себе, они дополняют друг друга. Теория ищет объяснения по результатам наблюдений, а наблюдатели подтверждают или нет все гипотезы и теоретические выводы.
Астрономия как философская наука
Определение науки "астрономия" появилось во времена античности и благополучно живёт в наши дни. Это изучение фундаментальных законов природы нашего мира, теснейшим образом связанного с большим космосом. Именно поэтому поначалу астрономия трактовалась как наука философская. Собственный мир с её помощью познаётся через знания небесных объектов - звёзд, планет, комет, галактик, а также тех феноменов, которые то и дело происходят за пределами земной атмосферы - сияние Солнца, солнечный ветер, космическая радиация и так далее.
Даже лексическое значение слова "астрономия" говорит об этом же: закон звёзд действует и здесь, на Земле, поскольку она является частью огромного космоса, который развивается согласно единому закону. Именно благодаря ему человечеству подарены эволюция, физика, химия, метеорология и любая другая наука. Всё в мире развивается посредством определённого движения небесных тел: формируются и развиваются галактики, умирают и вновь вспыхивают звёзды. Следует всегда помнить, с чего начиналась всякая другая наука. Большое несчастье, что астрономия в школе сейчас отсутствует. Эти знания и понимание огромности и ценности мира не заменить ничем.
Двадцатый век
Итак, наблюдательная астрономия и теоретическая астрофизика составили профессиональную науку. Неустанно создавались всё новые инструменты для изучения космоса плюс к уже изобретённому в незапамятные времена телескопу. Информация собиралась и обрабатывалась, затем внедрялась теоретиками-астрофизиками в создаваемые ими модели - аналитические или компьютерные.
Значение слова "астрономия" приобрело огромный вес во всех областях человеческой науки, поскольку даже знаменитая теория относительности выстроена из фундаментальных законов астрономической физики. И, что интересно, большинство открытий сделано астрономами-любителями. Это одна из очень немногих наук, где люди, не относящиеся к ней, могут участвовать в наблюдениях и собирать для неё данные.
Астрономия и астрология
Современные школьники (да и студенты) вполне часто путают науку и систему верований, всё-таки сказывается отсутствие соответственных уроков в школьных программах. Астрология давно считается лженаукой, в которой утверждается, что любое человеческое дело, даже самое малое, зависит от положения светил. Конечно, два этих названия происходят из одного корня, но системы познания у той и другой абсолютно противоположные.
Астрономия же позволила человеку сделать громадный скачок в понимании законов Вселенной. Эта наука непознаваема до конца, всегда останется больше вопросов, на которые нет ответа, чем тех, на которые ответ найден. Сколько бы ни строилось устройств в космосе и на Земле, сколько бы ни совершалось ошеломляющих мир открытий - это только капля в океане знаний. В данный момент мы ещё не можем наверняка утверждать ни происхождение звёздной массы во всём её спектре, ни положительно или отрицательно ответить на вопрос о существовании другой жизни во Вселенной. Парадокс Ферми не разъяснён. Природа темноты не ясна. О временном периоде существования Вселенной мы ничего не знаем, как и о конкретной цели её существования.
Астрономия и история
Научившись различать звёзды и планеты, астрономы древности привязали эти знания к трансцендентности, идентифицировав все известные небесные тела с духами и богами. Тогда и появилась тупиковая ветвь науки - астрология, поскольку движение всех космических объектов крепко привязывалось к чисто земным явлениям - смене сезонов, дождям, засухам.
Тогда появились волхвы (священники, жрецы и тому подобные культовые работники), которые и считались профессиональными астрономами. Многие древние постройки - китайские храмы или Стоунхэндж, например, явно сочетали две функции - астрономическую и религиозную.
Восток и Запад
Полезного было совершено настолько много, что древние знания вполне смогли послужить основанием науки, наиболее других процветающей сегодня. По движению светил выстраивались календари - древнеримский жив до сих пор. В Китае в 2300 годах до нашей эры уже функционировала астрономическая обсерватория, она на снимке.
Оракулы в Китае уже четыре тысячи лет хранят рисунки затмений и появления новых звёзд. С шестого века до нашей эры существуют детальные астрономические наблюдения в записях - в Китае. А в Европе весь этот бум начинался только в семнадцатом веке нашей эры. Китайцы же много тысяч лет абсолютно правильно предсказывают появление комет. Там же около шести тысяч лет назад был изготовлен и первый звёздный атлас.
Древняя Греция и арабский мир
Европа в Средние века целиком и полностью прекратила всё развитие науки на своих территориях, даже греческие открытия, которые во многом оказались верны и множеством ценных вкладов внесены в науку астрономию, были преданы анафеме. Классическая античность именно поэтому дошла до наших дней в весьма скудном количестве сводных записей и компиляций.
Зато астрономия процветала в арабских странах, и священники самых дальних приходов христиан две тысячи лет назад умели рассчитать по ходу светил точную дату Пасхи. Арабы во множестве переводили труды астрономов Древней Греции, и именно там рукописи были найдены потомками в глубине сохранившихся библиотек. В арабских странах строились обсерватории уже с девятого века нашей эры. В Персии поэт и учёный Омар Хайям сопоставил огромное количество таблиц и реформировал календарь, сделав его точнее юлианского и ближе к григорианскому. В этом ему помогли постоянные наблюдения небесных тел.
Небесная механика
Вселенская гравитация стала известна миру благодаря Исааку Ньютону. Теперешние школьники слышали это имя только в связи с тремя законами физики. То, что законы эти вплотную связаны с небесной механикой, им невдомёк, поскольку уроков астрономии в школе нет.
Будет огромным счастьем узнать, что этот необходимейший предмет снова в строю. Учёный секретарь из Института космических исследований Российской академии наук Александр Захаров уверен, что существующий в стране дефицит учителей астрономии может быть пополнен быстро в случае возвращения этой дисциплины в учебный план. Директор планетария в Новосибирске Сергей Масликов уверен, что планируемое возвращение астрономии в школу вряд ли может состояться ранее, чем через пять-шесть лет. Однако министр образования и науки РФ Ольга Васильева заявляет, что этот час в неделю для изучения предмета астрономии школьникам нужно вернуть как можно быстрее.
Небесный свод, горящий славой,
Таинственно глядит из глубины,
И мы плывем, пылающею бездной
Со всех сторон окружены.
Ф. Тютчев
Урок1/1
Тема : Предмет астрономии.
Цель : Дать представление об астрономии - как наука, связи с другими науками; познакомится с историей, развитием астрономии; инструментами для наблюдений, особенности наблюдений. Дать представление о строении и масштабах Вселенной. Рассмотреть решение задач на нахождение разрешающей способности, увеличения и светосила телескопа. Профессия астронома, значение для народного хозяйства. Обсерватории. Задачи :1. Обучающая : ввести понятия астрономии, как науке и основных разделах астрономии, объектах познания астрономии: космических объектах, процессах и явлениях; методах астрономических исследований и их особенностях; обсерватории, телескопа и его различных видов. Истории астрономии и связи с другими науками. Роли и особенности наблюдений. Практическом применении астрономических знаний и средств космонавтики.
2. Воспитывающая : историческая роль астрономии в формировании представления человека об окружающем мире и развитии других наук, формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с некоторыми философскими и общенаучными идеями и понятиями (материальности, единства и познаваемости мира, пространственно-временными масштабами и свойствами Вселенной, универсальностью действия физических законов во Вселенной). Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в развитии астрономии и космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом применении астрономии и космонавтики.
3. Развивающая : развития познавательных интересов к предмету. Показать, что мысль человеческая всегда стремится к познанию неизвестного. Формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы. Знать: 1-й уровень (стандарт) - понятие астрономии, основных ее разделах и этапах развития, месте астрономии среди других наук и практическом применении астрономических знаний; иметь первоначальное понятие о методах и инструментах астрономических исследований; масштабах Вселенной, космических объектах, явлениях и процессах, свойства телескопа и его виды, значение астрономии для народного хозяйства и практических нужд человечества. 2-й уровень - понятие астрономии, системы, роль и особенности наблюдений, свойства телескопа и его виды, связь с другими предметами, преимущества фотографических наблюдений, значение астрономии для народного хозяйства и практических нужд человечества. Уметь: 1-й уровень (стандарт) - пользоваться учебником и справочным материалом, строить схемы простейших телескопов разных видов, наводить телескоп на заданный объект, искать в Интернет информацию по выбранной астрономической теме. 2-й уровень - пользоваться учебником и справочным материалом, строить схемы простейших телескопов разных видов, вычислять разрешающую способность, светосилу и увеличение телескопов, проводить наблюдения с помощью телескопа заданного объекта, искать в Интернет информацию по выбранной астрономической теме.
Оборудование : Ф. Ю. Зигель “Астрономия в ее развитии”, Теодолит, Телескоп, плакаты “телескопы”, “Радиоастрономия”, д/ф. “Что изучает астрономия”, «Крупнейшие астрономические Обсерватории», к/ф «Астрономия и мировоззрение», "астрофизические методы наблюдений". Глобус Земли, диапозитивы: фотографии Солнца, Луны и планет, галактик. CD- "Red Shift 5.1" или фотографии и иллюстрации астрономических объектов из мультимедийного диска «Мультимедиа библиотека по астрономии». Показать Календарь Наблюдателя на сентябрь (взять с сайта Астронет), пример астрономического журнала (электронного, например Небосвод). можно показать отрывок из фильма Астрономия (ч.1, фр. 2 Самая древняя наука).
Межпредметная связь : Прямолинейное распространение, отражение, преломление света. Построение изображений, даваемых тонкой линзой. Фотоаппарат (физика, VII кл). Электромагнитные волны и скорость их распространения. Радиоволны. Химическое действие света (физика, X кл).
Ход урока :
Вводная беседа (2 мин)
- Учебник Е. П. Левитан; общая тетрадь - 48 листов; экзамены по желанию.
- Астрономия - новая дисциплина в курсе школы, хотя вкратце с некоторыми вопросами вы знакомы.
- Как работать с учебником.
- проработать (а не прочитать) параграф
- вникнуть в сущность, разобраться с каждым явлениями и процессами
- проработать все вопросы и задания после параграфа, кратко в тетрадях
- контролировать свои знания по перечню вопросов в конце темы
- дополнительно материал посмотреть в Интернете
Лекция (новый материал) (30 мин) Начало - демонстрация видео клипа с CD (или моей презентации).
Астрономия [греч. Астрон (astron) - звезда, номос (nomos) -закон] - наука о Вселенной, завершающая естественно-математический цикл школьных дисциплин. Астрономия изучает движение небесных тел (раздел “небесная механика”), их природу (раздел “астрофизика”), происхождение и развитие (раздел “космогония”) [Астрономия - наука о строении, происхождении и развитии небесных тел и их систем
=, то есть наука о природе]. Астрономия - единственная наука, которая получила свою музу-покровительницу - Уранию.
Системы (космические):
- все тела во Вселенной образуют системы различной сложности.
Все тела находятся в непрерывном движении, изменении, развитии. Планеты, звезды, галактики имеют свою историю, нередко исчисляемую млрд. лет. На схеме отражена системность и расстояния:
|
История астрономии
(можно фрагмент фильма Астрономия (ч.1, фр. 2 Самая древняя наука))
Астрономия - одна из самых увлекательных и древнейших наук о природе - исследуется не только настоящее, но и далекое прошлое окружающего нас макромира, а также вырисовать научную картину будущего Вселенной.
Потребность в астрономических знаниях диктовалась жизненной необходимостью:
Этапы развития астрономии
I-й
Античный мир
(до н. э). Философия →астрономия → элементы математики (геометрия).
Древний Египет, Древняя Ассирия, Древние Майя, Древний Китай, Шумеры, Вавилония, Древняя Греция. Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии: ФАЛЕС Милетский
(625-547, Др.Греция), ЕВДОКС Книдский
(408- 355, Др. Греция), АРИСТОТЕЛЬ
(384-322, Македония, Др. Греция), АРИСТАРХ Самосский
(310-230, Александрия, Египет), ЭРАТОСФЕН
(276-194, Египет), ГИППАРХ Родосский
(190-125г, Др.Греция).
II-ой
Дотелескопический
период. (наша эра до 1610г). Упадок науки и астрономии. Развал Римской империи, набеги варваров, зарождение христианства. Бурное развитие арабской науки. Возрождение науки в Европе. Современная гелиоцентрическая система строения мира. Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии в данный период: Клавдий ПТОЛЕМЕЙ
(Клавдиус Птоломеус
)(87-165, Др. Рим), БИРУНИ, Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед аль - Бируни
(973-1048, совр. Узбекистан), Мирза Мухаммед ибн Шахрух ибн Тимур
(Тарагай
) УЛУГБЕК
(1394 -1449, совр. Узбекистан), Николай КОПЕРНИК
(1473-1543,Польша), Тихо(Тиге) БРАГЕ
(1546- 1601, Дания).
III-ий
Телескопический
до появления спектроскопии (1610-1814гг). Изобретение телескопа и наблюдения с его помощью. Законы движения планет. Открытие планеты Уран. Первые теории образования Солнечной системы. Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии в данный период: Галилео ГАЛИЛЕЙ
(1564-1642, Италия), Иоганн КЕПЛЕР
(1571-1630, Германия), Ян ГАВЕЛИЙ
(ГАВЕЛИУС
) (1611-1687, Польша), Ганс Христиан ГЮЙГЕНС
(1629-1695, Нидерланды), Джованни Доминико (Жан Доменик) КАССИНИ>
(1625-1712, Италия-Франция), Исаак НЬЮТОН
(1643-1727, Англия), Эдмунд ГАЛЛЕЙ
( ХАЛЛИ
, 1656-1742, Англия), Вильям (Уильям) Вильгельм Фридрих ГЕРШЕЛЬ
(1738-1822, Англия), Пьер Симон ЛАПЛАС
(1749-1827, Франция).
IV-ый
Спектроскопия
. До фотографии. (1814-1900гг). Спектроскопические наблюдения. Первые определения расстояния до звезд. Открытие планеты Нептун. Ученые, внесшие значительный вклад в развитие астрономии в данный период: Йозеф фон ФРАУНГОФЕР
(1787-1826, Германия), Василий Яковлевич (Фридрих Вильгельм Георг) СТРУВЕ
(1793-1864, Германия-Россия), Джордж Бидделл ЭРИ
(ЭЙРИ
, 1801-1892, Англия), Фридрих Вильгельм БЕССЕЛЬ
(1784-1846, Германия), Иоганн Готфрид ГАЛЛЕ
(1812-1910, Германия), Уильям ХЕГГИНС
(Хаггинс
, 1824-1910, Англия), Анжело СЕККИ
(1818-1878, Италия), Федор Александрович БРЕДИХИН
(1831-1904, Россия), Эдуард Чарльз ПИКЕРИНГ
(1846-1919, США).
V-ый
Современный
период (1900-наст.время). Развитие применения в астрономии фотографии и спектроскопических наблюдений. Решение вопроса об источнике энергии звезд. Открытие галактик. Появление и развитие радиоастрономии. Космические исследования. Подробнее смотрите .
Связь c другими предметами.
ПСС т 20 Ф. Энгельс - “Сперва астрономия, которая уже из-за времен года абсолютно необходима для пастушеских и земледельческих работ. Астрономия может развиваться только при помощи математики. Следовательно приходилось заниматься и математикой. Далее, на известной ступени развития земледелия в известных странах (поднятие воды для орошения в Египте), а в особенности вместе с возникновением городов, крупных построек и развитием ремесла развивалось и механика. Вскоре она становится необходимой для судоходства и военного дела. Она так же передается в помощь математике и таким образом способствует ее развитию”.
Астрономия сыграла столь ведущую роль в истории науки, что многие ученые считают - “астрономию наиболее существенным фактором развития от ее возникновения - вплоть до Лапласа, Лагранжа и Гаусса” - они черпали из нее задания и создавали методы решения этих задач. Астрономия, математика и физика никогда не теряли взаимосвязи, что нашло отражение в деятельности многих ученых.
 |
Взаимодействие астрономии и физики продолжает оказывать влияние на развитие других наук, технологии, энергетики и различных отраслей народного хозяйства. Пример - создание и развитие космонавтики. Разрабатываются способы удержания плазмы в ограниченном объеме, концепция "бесстолкновительной" плазмы, МГД-генераторы, квантовые усилители излучения (мазеры) и т. д. | |
 |
1 - гелиобиология 2 - ксенобиология 3 - космическая биология и медицина 4 - математическая география 5 - космохимия А - сферическая астрономия Б - астрометрия В - небесная механика Г - астрофизика Д - космология Е - космогония Ж - космофизика |
Астрономию и химию
связывают вопросы исследования происхождения и распространенности химических элементов и их изотопов в космосе, химическая эволюция Вселенной. Возникшая на стыке астрономии, физики и химии наука космохимия тесно связана с астрофизикой, космогонией и космологией, изучает химический состав и дифференцированное внутреннее строение космических тел, влияние космических явлений и процессов на протекание химических реакций, законы распространенности и распределения химических элементов во Вселенной, сочетание и миграцию атомов при образовании вещества в космосе, эволюцию изотопного состава элементов. Большой интерес для химиков представляют исследования химических процессов, которые из-за их масштабов или сложности трудно или совсем невоспроизводимых в земных лабораториях (вещество в недрах планет, синтез сложных химических соединений в темных туманностях и т. д.). Астрономию, географию и геофизику связывает изучение Земли как одной из планет Солнечной системы, ее основных физических характеристик (фигуры, вращения, размеров, массы и т. д.) и влияния космических факторов на географию Земли: строение и состав земных недр и поверхности, рельеф и климат, периодические, сезонные и долговременные, местные и глобальные изменения в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли - магнитные бури, приливы, смена времен года, дрейф магнитных полей, потепления и ледниковые периоды и т. д., возникающие в результате воздействия космических явлений и процессов (солнечной активности, вращения Луны вокруг Земли, вращения Земли вокруг Солнца и др.); а также не потерявшие своего значения астрономические методы ориентации в пространстве и определения координат местности. Одной из новых наук стало космическое землеведение - совокупность инструментальных исследований Земли из космоса в целях научной и практической деятельности. Связь астрономии и биологии определяется их эволюционным характером. Астрономия изучает эволюцию космических объектов и их систем на всех уровнях организации неживой материи аналогично тому, как биология изучает эволюцию живой материи. Астрономию и биологию связывают проблемы возникновения и существования жизни и разума на Земле и во Вселенной, проблемы земной и космической экологии и воздействия космических процессов и явлений на биосферу Земли. Связь астрономии с историей и обществоведением , изучающим развитие материального мира на качественно более высоким уровне организации материи, обусловлена влиянием астрономических знаний на мировоззрение людей и развитие науки, техники, сельского хозяйства, экономики и культуры; вопрос о влиянии космических процессов на социальное развитие человечества остается открытым. Красота звездного неба будила мысли о величии мироздания и вдохновлял писателей и поэтов . Астрономические наблюдения несут в себе мощный эмоциональный заряд, демонстрируют могущество человеческого разума и его способности познавать мир, воспитывают чувство прекрасного, способствуют развитию научного мышления. Связь астрономии с "наукой наук" - философией - определяется тем, что астрономия как наука имеет не только специальный, но и общечеловеческий, гуманитарный аспект, вносит наибольший вклад в выяснение места человека и человечества во Вселенной, в изучение отношения "человек - Вселенная". В каждом космическом явлении и процессе видны проявления основных, фундаментальных законов природы. На основе астрономических исследований формируются принципы познания материи и Вселенной, важнейшие философские обобщения. Астрономия оказала влияние на развитие всех философских учений. Невозможно сформировать физическую картину мира в обход современных представлений о Вселенной - она неминуемо утратит свое мировоззренческое значение. |
Современная астрономия - фундаментальная физико-математическая наука, развитие которой непосредственно связано с НТП. Для исследования и объяснения процессов используется весь современный арсенал разнообразных, вновь возникших разделов математики и физики. Существует и .
Основные разделы астрономии:
|
Классическая астрономия |
объединяет ряд разделов астрономии, основы которых были разработаны до начала ХХ века: | ||
| Астрометрия: | Сферическая астрономия |
изучает положение, видимое и собственное движение космических тел и решает задачи, связанные с определением положений светил на небесной сфере, составлением звездных каталогов и карт, теоретическим основам счета времени. | |
| Фундаментальная астрометрия | ведет работу по определению фундаментальных астрономических постоянных и теоретическому обоснованию составления фундаментальных астрономических каталогов. | ||
| Практическая астрономия | занимается определением времени и географических координат, обеспечивает Службу Времени, вычисление и составление календарей, географических и топографических карт; астрономические методы ориентации широко применяются в мореплавании, авиации и космонавтике. | ||
| Небесная механика | исследует движение космических тел под действием сил тяготения (в пространстве и времени). Опираясь на данные астрометрии, законы классической механики и математические методы исследования, небесная механика определяет траектории и характеристики движения космических тел и их систем, служит теоретической основой космонавтики. | ||
|
Современная астрономия |
Астрофизика | изучает основные физические характеристики и свойства космических объектов (движение, строение, состав и т.д.), космических процессов и космических явлений, подразделяясь на многочисленные разделы: теоретическая астрофизика; практическая астрофизика; физика планет и их спутников (планетология и планетографии); физика Солнца; физика звезд; внегалактическая астрофизика и т. д. | |
| Космогония | изучает происхождение и развитие космических объектов и их систем (в частности Солнечной системы). | ||
| Космология | исследует происхождение, основные физические характеристики, свойства и эволюцию Вселенной. Теоретической основой ее являются современные физические теории и данные астрофизики и внегалактической астрономии. | ||
Наблюдения в астрономии.
Наблюдения - основной источник информации
о небесных телах, процессах, явлениях, происходящих во Вселенной, так как их потрогать и провести опыты с небесными телами невозможно (возможность проведения экспериментов вне Земли возникла только благодаря космонавтике). Они имеют и особенности в том, что для изучения какого либо явления необходимы:
- длительные промежутки времени и одновременное наблюдение родственных объектов (пример-эволюция звезд)
- необходимость указания положения небесных тел в пространстве (координаты), так как все светила кажутся далекими от нас (в древности возникло понятие небесной сферы, которая как единое целое вращается вокруг Земли)
Пример:
Древний Египет, наблюдая за звездой Сотис (Сириус) определили начало разлива Нила, установили продолжительность года в 4240г до н.э. в 365 дней. Для точности наблюдений, нужны были приборы
.
1). Известно, что Фалес Милетский (624-547, Др. Греция) в 595г до н.э. впервые использовал гномон (вертикальный стержень, приписывается, что создал его ученик Анаксимандр) - позволил не только быть солнечными часами, но и определять моменты равноденствия, солнцестояния, продолжительности года, широту наблюдения и т.д.
2). Уже Гиппарх (180-125г, Др. Греция) использовал астролябию, что позволило ему измерить параллакс Луны, в 129г до н.э., установить продолжительность года в 365,25сут, определить процессию и составить в 130г до н.э. звездный каталог на 1008 звезд и т.д.
Существовали астрономический посох, астролабон (первая разновидность теодолита), квадрант и т.д. Наблюдения проводятся в специализированных учреждениях - ,
возникших еще на первом этапе развития астрономии до НЭ. Но настоящее астрономическое исследование началось с изобретением телескопа
в 1609г.
Телескоп
- увеличивает угол зрения, под которым видны небесные тела (разрешающая способность
), и собирает во много раз больше света, чем глаз наблюдателя (проникающая сила
). Поэтому в телескоп можно рассмотреть невидимые невооруженным глазом поверхности ближайших к Земле небесных тел и увидеть множество слабых звезд. Все зависит от диаметра его объектива.
Виды телескопов:
и радио
(Показ телескопа, плакат "Телескопы", схемы). Телескопы: из истории
= оптические
1. Оптические телескопы ()
 |
Рефрактор
(refracto-преломляю)- используется преломление света в линзе (преломляющий). “Зрительная труба” сделана в Голландии [Х. Липперсгей]. По приблизительному описанию ее изготовил в 1609г Галилео Галилей и впервые направил в ноябре 1609г на небо, а в январе 1610г открыл 4 спутника Юпитера. Самый большой в мире рефрактор изготовлен Альваном Кларк (оптиком из США) 102см (40 дюймов) и установлен в 1897г в Йерской обсерватории (близь Чикаго). Им же был изготовлен 30 дюймовый и установлен в 1885г в Пулковской обсерватории (разрушен в годы ВОВ). |
.gif) |
Рефлектор
(reflecto-отражаю)- используется вогнутое зеркало, фокусирующее лучи. В 1667г первый зеркальный телескоп изобрел И. Ньютон (1643-1727, Англия) диаметр зеркала 2,5см при 41 х
увеличении. В те времена зеркала делались из сплавов металла, быстро тускнели. Самый Большой в мире телескоп им. У. Кека установлен в 1996 году диаметр зеркало 10м (первый из двух, но зеркало не монолитное, а состоит из 36 зеркал шестиугольной формы) в обсерватории Маун-Кеа (Калифорния, США). В 1995г введен первый из четырех телескопов (диаметр зеркала 8м) (обсерватория ESO, Чили). До этого самый крупный был в СССР, диаметр зеркала 6м, установлен в Ставропольском крае (гора Пастухова, h=2070м) в Специальной астрофизической обсерватории АН СССР (монолитное зеркало 42т, 600т телескоп, можно видеть звезды 24 м). |
 |
Зеркально - линзовый. Б.В. ШМИДТ
(1879-1935, Эстония) построил в 1930г (камера Шмидта) с диаметром объектива 44 см. Большой светосилы, свободный от комы и большим полем зрения, поставив перед сферическим зеркалом корректирующую стеклянную пластину. В 1941 году Д.Д. Максутов (СССР) сделал менисковый, выгоден короткой трубой. Применяется любителями - астрономами. В 1995г для оптического интерферометра введен в строй первый телескоп с 8м зеркалом (из 4 -х) с базой 100м (пустыне АТАКАМА, Чили; ESO). В 1996г первый телескоп диаметром 10м (из двух с базой 85м) им. У. Кека введен в обсерватории Маун - Кеа (Калифорния, Гавайские острова, США) любительские телескопы |
- непосредственные наблюдения
- фотографировать (астрограф)
- фотоэлектрические - датчик, колебание энергии, излучений
- спектральные - дают сведения о температуре, химическом составе, магнитных полях, движений небесных тел.
- Документальность - способность фиксировать происходящее явление и процессы и долгое время сохранять полученную информацию.
- Моментальность - способность регистрировать кратковременные события.
- Панорамность - способность запечатлеть одновременно несколько объектов.
- Интегральность - способность накапливать свет от слабых источников.
- Детальность - способность рассматривать детали объекта на изображении.
- В телескоп мы предельно видим: (разрешающая способность ) α= 14 " /D или α= 206265·λ/D [где λ - длина световой волны, а D - диаметр объектива телескопа] .
- Количество света, собранного объективом - называется светосилой . Светосила Е =~S (или D 2) объектива. Е=(D/d хр ) 2 , где d хр - диаметр зрачка человека в обычных условиях 5мм (максимум в темноте 8мм).
- Увеличение телескопа =Фокусное расстояние объектива/Фокусное расстояние окуляра. W=F/f=β/α .
Задача (самостоятельно-3 мин): Для 6м телескопа- рефлектора в Специальной астрофизической обсерватории (на северном Кавказе) определить разрешающую способность, светосилу и увеличение, если используется окуляр с фокусным расстоянием 5см (F=24м). [Оценка по скорости и правильности решения ] Решение: α= 14 " /600 ≈ 0,023" [при α= 1" спичечная коробка видна на расстоянии 10км]. Е=(D/d хр) 2 =(6000/5) 2 = 120 2 =14400 [во столько раз собирает больше света, чем глаз наблюдателя] W=F/f=2400/5=480 2. Радиотелескопы - преимущества: в любую погоду и время суток можно вести наблюдение объектов, недоступные для оптических. Представляют собой чашу (подобие локатора. плакат "Радиотелескопы"). Радиоастрономия получило развитие после войны. Наибольшие сейчас радиотелескопы это неподвижные РАТАН- 600, Россия (вступил в строй в 1967г в 40 км от оптического телескопа, состоит из 895 отдельных зеркал размером 2,1х7,4м и имеет замкнутое кольцо диаметром 588м), Аресибо (Пуэрто -Рико, 305м-забетонированная чаша потухшего вулкана, введен в 1963г). Из подвижных имеют два радиотелескопа 100м чашу.
Небесные тела дают излучение: свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, радиоволны, рентгеновское, гамма - излучения. Так как атмосферы мешает прониканию лучей к земле c λ< λ света (ультрафиолетовые, рентгеновские, γ - излучения), то последнее время на орбиту Земли выводятся телескопы и целые орбитальные обсерватории : (т.е развиваются внеатмосферные наблюдения).
l. Закрепление материала
.
Вопросы:
- Какие сведения астрономические вы изучали в курсах других предметов? (природоведение, физики, истории и т.д.)
- В чем специфика астрономии по сравнению с другими науками о природе?
- Какие типы небесных тел вам известны?
- Планеты. Сколько, как называются, порядок расположения, самая большая и т.д.
- Какое значение в народном хозяйстве имеет сегодня астрономия?
начения в народном хозяйстве:
- Ориентирование по звездам для определения сторон горизонта
- Навигация (мореходство, авиация, космонавтика) - искусство прокладывать путь по звездам
- Исследование Вселенной с целью понять прошлое и спрогнозировать будущее
- Космонавтика:
- Исследование Земли с целью сохранения ее уникальной природы
- Получение материалов, которые невозможно получение в земных условиях
- Прогноз погоды и предсказание стихийных бедствий
- Спасение терпящих бедствие судов
- Исследования других планет для прогнозирования развития Земли
Итог:
- Что нового узнали. Что такое астрономия, назначение телескопа и его виды. Особенности астрономии и т.д.
- Надо показать пользование CD- "Red Shift 5.1", Календарь Наблюдателя, пример астрономического журнала (электронного, например Небосвод). В Интернете показать , Астротоп , портал:Астрономия в Википедии , - используя которые можно получить информации по интересующему вопросу или найти её.
- Оценки.
Домашнее задание:
Введение, §1; вопросы и задания для самоконтроля (стр11), №6 и 7 составить схемы, желательно бы на уроке; стр29-30 (п.1-6) - главные мысли.
При подробном изучении материала об астрономических инструментах можно предложить ученикам вопросы и задачи:
1. Определите основные характеристики телескопа Г. Галилея.
2. В чем преимущества и недостатки оптической системы рефрактора Галилея по сравнению с оптической схемой рефрактора Кеплера?
3. Определите основные характеристики БТА. Во сколько раз БТА мощнее МШР?
4. В чем преимущества телескопов, установленных на борту космических аппаратов?
5. Какими условиями должно удовлетворять место для строительства астрономической обсерватории?
Урок оформили члены кружка “Интернет технологии” 2002г: Прытков Денис (10кл) и Дисенова Анна (9кл) . Изменен 01.09.2007г
| «Планетарий» 410,05 мб | Ресурс позволяет установить на компьютер учителя или учащегося полную версию инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". "Планетарий" - подборка тематических статей - предназначены для использования учителями и учащимися на уроках физики, астрономии или естествознания в 10-11 классах. При установке комплекса рекомендуется использовать только английские буквы в именах папок. | ||
| Демонстрационные материалы 13,08 мб | Ресурс представляет собой демонстрационные материалы инновационного учебно-методического комплекса "Планетарий". | ||
| Планетарий 2,67 мб | Данный ресурс представляет собой интерактивную модель "Планетарий", которая позволяет изучать звездное небо посредством работы с данной моделью. Для полноценного использования ресурса необходимо установить Java Plug-in | ||
| Урок | Тема урока | Разработки уроков в коллекции ЦОР | Статистическая графика из ЦОР |
| Урок 1 | Предмет астрономии | Тема 1. Предмет астрономии. Созвездия. Ориентирование по звездному небу 784,5 кб 127,8 кб 450,7 кб Шкала электромагнитных волн с приемниками излучения 149,2 кб |
|
- Потребность счета времени (календарь). (Древний Египет - замечена взаимосвязь с астрономическими явлениями)
- Находить дорогу по звездам, особенно мореплавателям (первые парусные суда появились за 3 тыс. лет до н. э)
- Любознательность - разобраться в происходящих явлениях и поставить их себе на службу.
- Забота о своей судьбе, народившая астрологию.
