Презентация по физике "Конечность и бесконечность Вселенной"

Тема урока: Конечность и бесконечность Вселенной. Расширяющаяся Вселенная

Презентацию составил

учитель физики

МАОУ СОШ 22

г. Тюмени А.А. Малахов

Цель урока: изучить строение и эволюцию Вселенной как целого

Задачи урока:

• Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика;
• Определить содержание космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса;
• Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной.

1. Актуализация опорных знаний

1.1. Прочитайте стихотворение Самуила Маршака и проанализируйте его строки, ответив на вопросы

Только ночью видишь ты вселенную...

Только ночью видишь ты вселенную.  Тишина и темнота нужна,  Чтоб на эту встречу сокровенную,  Не закрыв лица, пришла она. 

Вопросы:

• Почему только ночью можно увидеть Вселенную?
• Как может Вселенная «закрыть свое лицо»?
• Назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной

1. Актуализация опорных знаний

1.2. Составь свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства

№

Свойства Вселенной

Конечна

2. 

Аргументы

Ограничена

3. 

Бесконечна

4. 

Статична

Безгранична

Нестационарная

1.3. Определите основные свойства Вселенной

2 . Организация усвоения новых знаний

Основные понятия космологии:

• Космология – раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной как целого.
• Вселенная – окружающий нас мир, бесконечный во времени и в пространстве, имеющий разнообразные формы, которые способна принимать материя.
• Метагалактика – часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям; размеры Метагалактики около 6 000 Мпс (… км).
• Космологический принцип – предположение об однородности и изотропности пространства (свойства реализуются, начиная с 50-100 Мпс). Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду в пространстве; изотропия – одинаковость их в любом направлении.

Вопросы для обсуждения:

• Почему вывод об однородности Вселенной в больших масштабах не опровергался обнаружением «сотового» ее строения и открытием гигантских космических «пустот»?

Возможный ответ:

Размеры подобных «пустот» гораздо меньше размеров Метагалактики («горизонт видимости» примерно равен 12-16 миллиардам световых лет; в данную область пространства можно разместить около 1000 «однородных ячеек»)

Вопросы для обсуждения:

• Почему наблюдаемая область Вселенной конечна и всегда таковой будет оставаться?

Возможный ответ:

Любые физические взаимодействия могут распространятся со скоростью не превышающей скорость света. Мы не можем видеть объекты, расположенные от нас на таких расстояниях, которые световой луч не успевает преодолеть за время существования Вселенной

Эффе́кт До́плера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

2.1. Прочитайте текс описывающий эффект Доплера и ответьте на вопросы.

Вопросы для обсуждения:

• Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры.

Возможный ответ:

Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение тона звука свистка проносящегося мимо платформы поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад — больше.

Вопросы для обсуждения:

• Почему линии в спектрах далеких галактик смеще­ны в красную сторону?

Возможный ответ:

Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно прин­ципу Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям, огромный взрыв, происшедший 10—20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик.

Вопросы для обсуждения:

• Почему красное смещение, определенное по боль­шому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием?

Возможный ответ:

Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики.

Вопросы для обсуждения:

• Почему несколько ближайших галактик имеет фио­летовое смещение?

Возможный ответ:

Пекулярные скорости этих галактик больше скоро­стей разбегания галактик.

2.2. Сформулируйте ответы на вопросы после рассмотрения содержания фотометрического и гравитационного парадоксов (работа производится в группах; каждая группа изучает один из парадоксов, в дальнейшем один из представителей группы пересказывает его суть, решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).

Генрих Вильгельм Маттеус Ольберс (11.10.1758 – 02.03.1840) - немецкий астрономом, врач и физик

Сущность парадокса Ольберса: «Почему небо ночью темное, хотя звезд во Вселенной «не меряно»? Для сравнения, представьте себя в лесу, перед Вами «стена» деревьев, между ними и просвета-то не увидишь…»

Почему небо ночью темное?

Фотометрический парадокс (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году)

• Для объяснения парадокса Ольберс предположил, что в межзвездном пространстве имеется рассеянное вещество, которое поглощает свет далеких звезд

А Вы как думаете?

Возможные варианты ответов:

• По мнению многих ученых (например, Н. Коперника, Т. Браге) парадокса не существует, т.к. Вселенная конечна и ограничена сферой неподвижных звезд;
• Вклад в уменьшении яркости ночного неба вносит красное смещение в спектрах галактик.

Сущность гравитационного парадокса, сформулированого в 1895г немецким астрономом Х. Зеелигером:

• согласно ньютоновской теории тяготения, в бесконечной Вселенной при бесконечно большой ее массе сила тяготения в любой точке пространства не имеет определенной конечной величины.

ЗЕЛИГЕР, ХУГО (1849–1924) - немецкий астроном

Возможные решения парадокса:

• Предположение конечной массы вещества во Вселенной. Ана­лиз предположения по­ка­зал, что по­доб­ный «звёзд­ный ост­ров» со вре­ме­нем, под дей­стви­ем вза­и­мо­вли­я­ния звёзд, либо со­еди­нит­ся в одно тело, либо рас­се­ет­ся в бес­ко­неч­ной пустоте (И. Ньютон).
• Современная трактовка. Ньютоновская  тео­рия тя­го­те­ния непри­ме­ни­ма для рас­чё­та силь­ных полей тя­го­те­ния. В ОТО гравитационный парадокс отсутствует, т.к. сила тя­го­те­ния в ОТО есть ло­каль­ное следствие неевклидовой геометрии, по­это­му сила все­гда од­но­знач­но опре­де­ле­на и конечна ( А. Эйнштейн, А.А. Фридман).

Вопросы для обсуждения:

• Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?

Возможный вариант ответа.

Нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке: если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m , которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль; если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние r от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом r притягивает точку, расположенную на его поверхности.

• Возможный вариант ответа. Нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке: если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m , которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль; если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние r от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом r притягивает точку, расположенную на его поверхности.
• Возможный вариант ответа. Нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке: если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m , которые создаются концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль; если осуществлять расчет для концентрических слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние r от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиусом r притягивает точку, расположенную на его поверхности.

Вопросы для обсуждения:

• Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.
• Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.
• Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.

Возможный вариант ответа.

Во-первых, ньютоновская теория тяготения, неприменима для расчета сильных полей тяготения и уточняется в ОТО. Во-вторых, опыт показывает, что в реальной нестационарной Вселенной тяготение определяется в основном близкими массами (гравитационное влияние далеких масс пренебрежимо мало).

• Возможный вариант ответа. Во-первых, ньютоновская теория тяготения, неприменима для расчета сильных полей тяготения и уточняется в ОТО. Во-вторых, опыт показывает, что в реальной нестационарной Вселенной тяготение определяется в основном близкими массами (гравитационное влияние далеких масс пренебрежимо мало).
• Возможный вариант ответа. Во-первых, ньютоновская теория тяготения, неприменима для расчета сильных полей тяготения и уточняется в ОТО. Во-вторых, опыт показывает, что в реальной нестационарной Вселенной тяготение определяется в основном близкими массами (гравитационное влияние далеких масс пренебрежимо мало).

Вопросы для обсуждения:

• Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса.

Возможный вариант ответа.

• Возможный вариант ответа.
• Возможный вариант ответа.

Во-первых, эйнштейновская релятивистская теория уточнила закон Всемирного тяготения для сильных гравитационных полей и стала базой современной космологии. Во-вторых, опыт показывает, что в реальной нестационарной Вселенной тяготение определяется в основном близкими массами и гравитационное влияние далёких масс пренебрежимо мало, то есть гравитационный парадокс отсутствует.

Космологическая модель Вселенной

Радиус метагалактики (метод оценки)

Средняя наблюдаемая плотность вещества

(метод оценки)

Проблема скрытой массы во Вселенной

Скрытая масса (темная материя, темное вещество) – совокупность астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами (вещество не испускающее электромагнитного или нейтринного излучения достаточной для наблюдения интенсивности и не поглощающего их).

Пример обоснования существования скрытой массы

Вычисленная масса отдельных галактик, вокруг которых наблюдалось движение их спутников (других маленьких галактик или газовых облаков), движущихся на расстояниях далеко за видимой границей галактики, и масса, определенная по движению звезд на видимой границе галактики различались примерно в десять раз.

3.Подведение итогов урока

3.1. Определите некоторые свойства нестационарной Вселенной :

А) В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение

красного смещения для далеких галактик .

Б) Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла:

, где Н=72 .

В) Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью.

3.2. Вопросы для фронтального обсуждения:

• Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало?

Ответ:

Галактики образовались из разлетающегося веще­ства и сохранили его импульс

3.2. Вопросы для фронтального обсуждения:

2. Почему Вселенная нестационарна?

Ответ:

Основная сила в космосе — это гравитация, кото­рая стремится собрать все вещество. Равновесие при дей­ствии только сил тяготения невозможно. В зависимости от величины начальной скорости вещество может неограни­ченно расширяться или расширяться с замедлением

3.2. Вопросы для фронтального обсуждения:

3. Влияет ли космологическое расширение Метага­лактики на расстояние между Землей и: а) Луной; б) цен­тром Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андроме­ды; г) центром местного сверхскопления галактик?

Ответ:

В космологическом расширении не участвуют гра­витационно-связанные системы (Солнечная система, га­лактика, скопления галактик). Поэтому в этих случаях кос­мологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и указанными объектами.

3.2. Вопросы для фронтального обсуждения:

4. Может ли быть бесконечное расширение Вселен­ной?

Ответ:

Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности р кр = 3  10 -27 кг/м 3 , то Все­ленная будет бесконечно расширяться. Современные оцен­ки средней плотности видимого вещества дают значение р = 3 · 10 -28 кг/м 3 . Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен.

Домашнее задание:

§ 34, 35; вопросы

Литература:

• Гусев Е.Б. Сборник вопросов и качественных задач по астрономии: Кн. для учащихся / Е.Б Гусев. – М.: Просвещение, 2002. – 173 с.
• Чаругин В.М. Астрономия 10-11 классы : учеб. для общеобразоват. организаций : базовый уровень / В.М. Чаругин. – М.: Просвещение, 2018 – 144 с.
•   http://class-fizika.ru/prd12.html
• http://www.krugosvet.ru/