Измерить точное расстояние от Земли до Солнца астрономы пытались с глубокой древности. Одна из самых первых известных нам величин дана в III веке до н.э. Аристархом Самосским — кстати, этот древний грек первым предложил гелиоцентрическую, а не геоцентрическую систему мира. Он оценил дистанцию до светила в 20 раз больше, чем до Луны. Это, конечно, неверная величина: на самом деле, Солнце находится от нас в 400 с лишним раз дальше, чем Луна. Кстати, при этом оно и примерно в 400 раз больше, отчего видимые угловые размеры Солнца и Луны одинаковы. Простое ли это совпадение? Ответ можно найти в заметке «Большая удача ».

К концу ХХ в. ученые уже гораздо лучше понимали движение небесных тел. С помощью современных радаров, фиксируя возвращение отраженного ими сигнала, а также и благодаря космическим зондам, дистанция от Земли до Солнца была установлена с высокой точностью. Существующая цифра — 149 597 870 696 м — с ошибкой не более 0,1 м. Однако на этом история отнюдь не закончилась.

В 2004 г. российские физики Грегорий Красинский и Виктор Брумберг , проведя точные расчеты, показали, что Земля понемногу отдаляется от Солнца. Медленно — не более 15 см в год — но вполне существенно. Что же «отталкивает» нас от нашей звезды?

Одно из предположений состоит в том, что Солнце непрерывно теряет массу. Изрыгая в пространство огромные потоки материи и энергии, излучения и солнечного ветра, оно «легчает» и, соответственно, ослабевает его гравитационное притяжение. Однако, по тем или иным причинам, такое объяснение не полностью устроило астрономов. Выдвигались и другие версии , куда более экзотические — скажем, в изменении фундаментальной гравитационной постоянной (G), во влиянии расширения Вселенной или даже темной материи. Ни одна из гипотез пока не получила окончательной поддержки.

А недавно группа ученых во главе с Такахо Миурой (Takaho Miura) представили статью, в которой выдвигают собственную версию. По их мнению, Солнце и Земля «отталкивают» друг друга под воздействием приливных сил . Это — силы, которые действуют на достаточно протяженные объекты, оказавшийся в неоднородном гравитационном поле. Приливные силы, как считается, вызывают и постепенное отдаление от нас Луны , и постепенное замедление скорости вращения нашей планеты.

Дело в том, что притяжение спутника создает на обращенной к нему стороне Земли приливную волну, которая бежит следом за вращающейся Луной, с запада на восток, и в идеале совершала бы полный круг за лунный месяц.

В то же время, Земля «под» этой волной тоже вращается, причем куда быстрее Луны (оборот происходит за сутки), и в итоге на приливную волну постоянно «набегают» восточные берега материков. Поэтому приливная волна всегда опережает вращение Луны, и вся масса этой воды смещена с прямого отрезка, соединяющего центры масс Земли и Луны. Ее притяжение и создает дополнительную силу, действующую перпендикулярно этому отрезку.

Эта приливная сила и вызывает несильное, но постоянное ускорение Луны в ее вращении, что по закону сохранения импульса вызывает замедление вращения Земли. И, конечно, сама Луна, увеличив скорость, увеличивает импульс и переходит на более высокую орбиту. Каждый год она удаляется от нас примерно на 4 см, а сама планета совершает полный оборот примерно на 0,000017 с дольше.

По мнению Такахо Миуры и его коллег, эти же силы вызывают и увеличение расстояния между Землей и Солнцем. Как ни крохотна Земля в сравнении со звездой, она все же вызывает в ней нечто вроде «приливной волны». Ученые рассчитали, что это воздействие — аналогично тому, что происходит в системе Земля-Луна — должно замедлять вращение Солнца примерно на 0,00003 с в год и, соответственно, удалять нашу планету от нашей же звезды.

Солнце - монетка, - скупой проворчал.
Нет, сковородка! - обжора вскричал.
Нет, каравай, - хлебопек произнес.
Компас, - сказал убежденно матрос.
Солнце - звезда, - астроном объявил.
Доброе сердце - мечтатель решил.

Тема: Источники энергии и внутреннее строение .

Цель: Рассмотреть источник энергии Солнца, термоядерные реакции (протон протонный цикл) и внутреннее строение звезд.

Задачи :
1. Обучающая : Ввести понятия: Солнце как раскаленный плазменный шар, термоядерной реакции, дефекта массы, протон-протонного цикла. Рассмотреть возможность расчета параметров внутреннего строения Солнца с помощью элементарных физико-математических понятий. Дать представление о гелиосейсмологии.
2. Воспитывающая : Содействовать формированию идеи о причинно-следственных связях в природе (на примере рассмотрения цепочки явлений - от превращения в недрах Солнца ядер атомов водорода в ядра атомов гелия до освещения и обогревания Земли светом и теплом Солнца). Подчеркнуть, что Солнце будет еще миллиарды лет обладать такой же светимостью, как сейчас. На примере раскрытия загадки источников солнечной энергии продемонстрировать познаваемость мира и его закономерностей. Подчеркнуть огромное практическое значение для научно-технического прогресса открытия гелия на Солнце и термоядерного источника энергии Солнца.
3. Развивающая : Выделить главное в теме урока: в отличие от планет и их спутников, астероидов и комет Солнце представляет собой самосветящееся небесное тело, излучающее свет и тепло, заинтересовать учащихся соответствующими проблемными ситуациями. На примере источников энергии Солнца продемонстрировать неразрывную связь явлений микро- и макромира.

Знать:
I-й уровень (стандарт) - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение.
II-й уровень - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.
Уметь:
I-й уровень (стандарт)- производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна.
II-й уровень - производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна, примерных параметров давления и температуры с глубиной.

Оборудование: Таблицы: Солнце, строение Солнца. Схема термоядерной реакции. CD- "Red Shift 5.1". ПКЗН. графика из ЦОР (ниже) иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение. иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.

Межпредметные связи: физика (термоядерные реакции, элементарные частицы, дефект массы, роль гелия в атомной физике, ионизация атомов и др.), химия (элементы периодической системы Менделеева - водород и гелий, а.е.м.), математика (вычисления, необходимые для решения задач).

Ход урока:

I Опрос учащихся.

У доски:	1. Хромосфера. 2. Фотосфера 3. Солнечная корона и активностью. 4. Задача №3 (стр. 118, можно увидеть невооруженным глазом объект Ø =45 тыс.км, но пятно размером в Землю видно не будет.)
Остальные:	Что можно увидеть в телескоп на Солнце? [пятна, факелы, протуберанцы]. Каково направление вращения Солнца? [в сторону движения планет]. Чему равен солнечный параллакс?. Во сколько раз Солнце больше Земли?[в 109 раз]. Какова эффективная температура Солнца? . Почему солнечное пятно темнее фотосферы? [ниже температура]. Какой слой атмосферы мы видим на Солнце? [фотосфера]. Во сколько раз нужно увеличить размер Солнца, чтобы светимость увеличилась в 2 раза? . Каков период солнечной активности? . Яркие гигантские выступы и арки (выбросы вещества на Солнце в хромосферу)-[протуберанцы]. Причина появления гранул на Солнце. [конвенция]. Угловой размер (видимый диаметр) Солнца [≈30 / =0,5 0 ]. В каком физическом состоянии вещество на Солнце? [плазменное]. Идеальный излучатель - поглотитель энергий [черное тело]. Причина появления пятен? [концентрация магнитного поля].
Задача:	Какова мощность излучения, приходящаяся на 1 кг солнечного вещества. (N=L/M = 3,876 . 10 26 / 2 . 10 30 ≈1,94 . 10 -4 Вт)

II Новый материал

1. Источник энергии Солнца.
Излучает L? =3,876 . 10 26 Дж/с -огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение.
В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия. (Ноб. лауреат). Внутри Солнца (звезд) Н ионизирован - т.е. в виде ядер протона 1 1 Н. Двигаясь с очень большими скоростями (при Т>10 млн.К) протоны несколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций такого типа: протон-протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл:
1 Н+ 1 Н→ 2 D+е + +ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв ).
2 D+ 1 H> 3 He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв ).
3 Не+ 3 Не→ 4 Не+ 1 Н+ 1 Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв) и все снова, т.е. внутри Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий (из 4 ядер 1 Н образуется ядро 4 Не).
При этом выделяется огромная энергия. Например рассчитаем выделение энергии при "сгорании" 1гр водорода.

Т.к. М ? =2 . 10 30 кг, то Н гореть еще 150 млрд.лет, но горит в центре только 0,1М ? , следовательно еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4 млн.т. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов.

Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца. Нейтринные телескопы имеются в шахте Хоумстейк (штат Южная Дакота, США), в Японии (система "Камиоканде"), на Байкале и другие. В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory) были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна »). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.

2. Внутреннее строение Солнца.

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца? (Решение. При «сгорании» 1 кг водорода выделяется примерно 6,3·10 14 Дж. Масса Солнца 2·10 30 кг. Если принять, что Солнце целиком состоит из водорода, то при сгорании этого количества водорода выделилось бы 12,6·10 44 Дж. Ежегодно Солнце излучает примерно 12,6·10 33 Дж. Следовательно, для поддержания нынешней светимости Солнца водорода хватило бы на 10 11 лет. (Очевидно, что реальное время поддержания нынешней светимости Солнца должно быть меньше полученного значения).

Изменен 10.01.2010 года

«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 137,4 кб

Урок 3/20

подробно презентация

Тема: Источники энергии и внутреннее строение Солнца.

Ход урока:

I Опрос учащихся.

У доски	1. Хромосфера 2. Фотосфера 3. Солнечная корона и активностью. 4. Задача №3 (стр. 118)
Остальные:	Диктант: Что можно увидеть в телескоп на Солнце? Каково направление вращения Солнца? Чему равен солнечный параллакс? Во сколько раз Солнце больше Земли? Какова эффективная температура Солнца? Почему солнечное пятно темнее фотосферы? Какой слой атмосферы мы видим на Солнце? Во сколько раз нужно увеличить размер Солнца, чтобы светимость увеличилась в 2 раза? Каков период солнечной активности? Яркие гигантские выступы и арки (выбросы вещества на Солнце в хромосферу) Причина появления гранул на Солнце. Угловой размер (видимый диаметр) Солнца. В каком физическом состоянии вещество на Солнце? Идеальный излучатель - поглотитель энергий. Причина появления пятен?
Задача:	Какова мощность излучения, приходящаяся на 1 кг солнечного вещества.

II Новый материал.

1. Источник энергии Солнца.

Излучает Lʘ=3,876. 1026 Дж/с –огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение? .

В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия.

Цепочка (цикл) протон-протонный (хотя есть и другие циклы):

1 Н+1Н→2D+е++ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв ).

2 D+1H>3He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв ).

3 Не+3Не→4Не+1Н+1Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв )

При этом выделяется огромная энергия. Рассчет выделение энергии при "сгорании" водорода модно провести, используя формулы.

Т. к. Мʘ=2.1030 кг, то Н гореть еще 150 млрд. лет, но горит в центре только 0,1Мʘ, следовательно еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4 млн. т.

Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца.

2. Внутреннее строение Солнца.

	Т=Т (r) ρ=ρ (r)		функции от глубина
Зона конвенции - происходит перемешивание вещества. Нагретые слои поднимаются к фотосфере и остыв, уступают место нижним более нагретым. Зона излучения – (от 0,3R до 0,7R) здесь происходит процесс переноса энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем многократного поглощения и последующего ее переизлучения с постепенным увеличением длины волны и понижения температуры. Ядро - в общепринятой теоретической модели Солнца (так называемой "Стандартной модели") предполагается, что подавляющая часть энергии вырабатывается реакциями прямого синтеза водорода c образованием гелия. Приближенные расчеты можно выполнить с помощью обычных формул, выделив условно внутри Солнца столбик площадью S и h=R F=mg=ρVg=ρSRg . Из закона Всемирного тяготения g =GM/R 2 . Тогда вес столба P=ρSGM/R . Отсюда давление p=F/S=ρGM/R . Применяя уравнение Менделеева-Клапейрона (pV=(m/μ)RT ) можно вычислить один из параметров: давление, среднюю плотность, температуру если известны другие.

3. Закрепление материала

1. Задача: На сколько худеет Солнце за 1 минуту?

2. Задача: Какая энергия поступает в оз. Песчаное, имеющее площадь 1,2 кв. км, в течение 1 минуты в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 45о, а через атмосферу проходит 80% солнечной энергии? Когда Солнце на этой высоте?

3. Задача: Сравните количество энергии, которое выделяется при вспышке, с количеством энергии, выделяющимся при взрыве мегатонной бомбы (410 Дж).

III. Итог

1. Откуда Солнце черпает неиссякаемый источник энергии?

2. Что такое протон-протонный цикл?

3. Как вычислить излучаемую Солнцем энергию, дефект массы?

4.Что представляет собой внутреннее строение Солнца?

5. Как происходит перенос энергии из недр на поверхность?

6. Оценки.

Дома: §20, вопросы стр. 122, ПР №6

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца?