Методика проведения урока "Солнечные и лунные затмения"

Методика проведения урока "Солнечные и лунные затмения"

Цель урока: формирование понятий о космических и небесных явлениях, связанных с обращением Луны вокруг Земли и видимым движением других космических тел.

Задачи обучения:

Общеобразовательные:

1) систематизация понятий о небесных явлениях: затмениях, прохождениях и покрытиях, наблюдающихся в результате взаимного перемещения и расположения небесных светил относительно земного наблюдателя и о космических явлениях - причинах вышеперечисленных небесных явлений;

2) подробное рассмотрение причин и характеристик соответствующих космических и небесных явлений:

- космического явления обращения Луны вокруг Земли и его следствиях - небесных явлениях: солнечных (полных, частных, кольцеобразных) и лунных (теневых и полутеневых) затмениях и о покрытиях звезд и планет Луной;

- космического явления обращения планет Солнечной системы вокруг Солнца и его следствиях - небесных явлениях прохождения Венеры и Меркурия по диску Солнца;

- космического явления обращения спутников планет вокруг планет-гигантов и его следствий - небесных явлений в системах планет-гигантов, аналогичных небесным явлениям в системах Земля-Луна и планеты - Солнце;

- изменения блеска затменно-переменных звезд.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения в ходе знакомства с историей человеческого познания и объяснения повседневно наблюдаемых небесных явлений; борьба с религиозными предрассудками; эстетическое воспитание в ходе демонстрации цветных диапозитивов и фотографий, иллюстрирующих материал урока.

Развивающие: формирование умений: формирование умений выполнять упражнения на применение основных формул сферической астрономии при решении соответствующих расчетных задач и применять подвижную карту звездного неба, звездные атласы, справочники, Астрономический календарь для определения положения и условий видимости небесных светил и протекания небесных явлений.

Ученики должны знать:

- причины и основные характеристики небесных явлений, порожденных обращением Луны вокруг Земли и планет вокруг Солнца (солнечных и лунных затмений; покрытий звезд и планет Луной; прохождений Венеры и Меркурия по диску Солнца; явлений в системах планет-гигантов; изменения блеска затменно-переменных звезд) и общие сведения об их периодичности;

- основы классификации космических и небесных явлений и соответствующие геометрические схемы;

- о применении знаний, приобретаемых в результате исследования вышеперечисленных небесных явлений.

- понятия сферической астрономии: фаза затмения; конус тени (тень); конус полутени (полутень); орбита Луны; узел лунной орбиты; драконические год и месяц; сарос; период повторения сароса.

- астрономические величины: угол наклона плоскости лунной орбиты к эклиптике.

Ученики должны уметь:

- использовать обобщенный план для изучения космических и небесных явлений;

- использовать Астрономические календари, справочники и подвижную карту звездного неба для определения условий протекания вышеперечисленных небесных явлений.

Наглядные пособия и демонстрации:

Фрагменты слайд-фильма "Необыкновенные небесные явления" (о затмениях).

Кинофильмы и кинофрагменты: "Полное солнечное затмение" ("Почему и как происходят затмения Солнца"); "Двойные звезды"; "Переменные звезды".

Фрагмент диафильма: "Видимое движение небесных светил".

Таблицы: "Луна" и "Солнечные и лунные затмения"

Приборы и инструменты: подвижные карты звездного неба (у каждого ученика); Астрономический календарь на данный год; теллурий; глобус; прибор для демонстрации причин солнечных и лунных затмений.

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 6(2); упражнение 6.

- Е.П. Левитана: § 12 (3, 4); вопросы-задания 1, 2, 7-9.

- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 5; вопросы.

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 115, 144.

1. Выполнить задания из сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина [289]: 3.41.

План урока

Методика изложения материала

В начале урока следует провести проверку знаний, приобретенных на прошлом и предыдущих уроках, актуализируя предназначенный к изучению материал вопросами и заданиями в ходе фронтального опроса. Часть учеников работает у доски, а часть выполняет письменные задания, решая задачи, связанные с применением подвижной карты звездного неба (аналогичные основным задачам упражнений 1-4). Дополнительными вопросами являются:

1. Какие небесные явления происходят в результате: вращения Земли вокруг своей оси; обращения Луны вокруг Земли; обращения Земли вокруг Солнца. Ответы учеников строятся на основе обобщенного плана для изучения космических и небесных явлений.

2. Что такое время? Какие единицы и способы измерения времени вы знаете?

3. Какова связь продолжительности отдельных космических и небесных явлений с единицами и способами измерения, счета и хранения времени и календарями?

4. Какие инструменты и способы измерения времени вы знаете? Дайте описание основных типов часов, кратко охарактеризуйте их принцип действия.

5. Какие типы календарей вы знаете? Сообщите их главные характеристики. Какой календарь мы используем в повседневной жизни? Насколько он точен? Каковы его положительные и отрицательные стороны?

6. Какие системы летоисчисления вам знакомы? Сообщите их главные характеристики. Какой системой летоисчисления мы пользуемся?

7. Как ориентироваться на местности по Солнцу? По Луне? По Полярной звезде?

8. Как определить географические координаты местности из астрономических наблюдений?

Рекомендуемые программируемые задания:

1. Сборник задач Г.П. Субботина [287], задания NN 76-78.

2. Сборник задач Е.П. Разбитной [244], задания NN 5-8 (I-III).

3. Страут Е.К. [276]: проверочная работа N 3 темы "Практические основы астрономии" (варианты 1-5, преобразованные учителем в программированные задания).

Первый этап урока посвящен продолжению формирования системы понятий о космических и небесных явлениях. Напомнив (обсудив с учениками) определения понятий "космические явления", "небесные явления" и связь между ними, знакомим школьников с простейшими геометрическими интерпретациями ряда небесных явлений.

На втором этапе урока излагается обширный материал о солнечных и лунных затмениях, покрытиях звезд и планет Луной, прохождениях Венеры и Меркурия по диску Солнца, изменению блеска затменно-переменных звезд и других небесных явлениях. Важную роль в формировании данных понятий играет элемент наглядности: все они должны быть проиллюстрированы с помощью геометрических схем и сопровождаться демонстрациями рисунков, фотографий, диапозитивов и т.д. Помимо теллурия, объяснить особенности движение компонентов системы "Земля - Луна" и причины затмений поможет самодельный прибор Н.Д. Гамаюнова [31].

Затмения, прохождения и покрытия небесных светил

В ходе затмений, покрытий и прохождений одно небесное тело частично или полностью перекрывает световой поток, исходящий от поверхности другого небесного тела вдоль прямой, проходящей через центры этих светил.

1) Если А - Земля, В - Луна, С - Солнце, то на Земле наблюдается солнечное затмение (рис. 38).

Солнечные затмения происходят в новолуние, когда тень Луны падает на Землю; лунные затмения происходят в полнолуние, когда Луна входит в тень Земли. Угловые размеры Солнца и Луны почти совпадают (31њ 31ў Ј d_¤ Ј 32њ 36ў ; 29њ 20ў Ј d_¦ Ј 33њ 32ў ), и при расположении центров Земли, Луны и Солнца на одной линии затмения Солнца будут полными (d_¤ Ј d_m ) или кольцеобразными (d_¤ > d_m ).

Рис. 38. Схема полного солнечного затмения

Лунная тень перемещается по поверхности Земли со скоростью 500-1000 м/с с запада на восток, образуя полосу затмения шириной от 40 до 200 км и длиной несколько тысяч километров, по обе стороны от которой в широкой зоне лунной полутени наблюдается частное солнечное затмение, в котором диск Луны закрывает от наблюдателя лишь часть солнечного диска.

Максимальная продолжительность полного солнечного затмения не превышает 7 минут 31 секунды.

2) Если А - Луна, В - Земля, С - Солнце, то на Земле наблюдается лунное затмение (рис. 39).

Рис. 39. Схема полного лунного затмения

Диаметр земной тени на расстоянии лунной орбиты втрое превышает диаметр Луны и полные лунные затмения продолжаются до 1 часа 40 минут, наблюдаясь практически на всей территории ночного полушария Земли. Когда Луна скрывается в тени Земли близ ее края, лунное затмение будет частным; когда Луна скрывается в полутени Земли, затмение будет полутеневым (невидимым невооруженным глазом). Если бы Луна вращалась вокруг Земли в плоскости эклиптики, то солнечные затмения происходили бы каждое новолуние, а лунные в каждое полнолуние - 29,53 суток. Но плоскость лунной орбиты имеет наклон: i = 5њ 09ў к плоскости эклиптики и затмения могут происходить лишь тогда, когда Луна пересекает плоскость эклиптики вблизи своего полнолуния или новолуния (проходит один из узлов своей орбиты). Промежуток времени в 27,2122... сут., за который Луна возвращается к тому же узлу своей орбиты, называется драконическим месяцем. Он короче сидерического периода Луны и поэтому каждые 27,2122 суток Луна пересекает эклиптику в 1,5њ западнее предыдущей: узлы лунной орбиты непрерывно перемещаются по эклиптике навстречу Солнцу (рис. 40).

Рис. 40. Схема наступления солнечных затмений

Промежуток времени, за который центр диска Солнца проходит через один и тот же узел лунной орбиты, называется драконическим годом. T_d = 346,62 cуток.

Солнечные затмения периодически повторяются, их наступление зависит от трех периодов: сидерического лунного месяца, драконического месяца и драконического года.

Сарос - промежуток времени, включающий целое число сидерических месяцев, драконических месяцев и драконических лет, равный 18 годам 11,3 суткам (10,3 сут.). Все затмения периодически повторяются через сарос, но поскольку он не содержит целого числа суток, каждое затмение повторяется при несколько иных условиях: путь лунной тени по земной поверхности смещается на 120њ .

Располагая данными об обстоятельствах предшествовавших затмений и саросе, можно путем относительно несложных вычислений предсказывать солнечные и лунные затмения на любой промежуток времени.

В результате расчетов было установлено, что ежегодно может произойти не менее 2 и не более 5 солнечных и не более 3 лунных затмений. На протяжении сароса происходит 41-43 солнечных и 26-29 лунных затмений.

Наблюдения солнечных затмений представляют большой интерес для науки: часто для наблюдений полных затмений снаряжаются экспедиции ученых разных стран мира. Важнейшими задачами наблюдений являются: уточнение теорий движения Земли и Луны, всестороннее изучение атмосферы Солнца, структуры и физических характеристик солнечной короны. Наблюдения лунных затмений позволяют уточнить характеристики движения Луны и Земли, исследовать некоторые свойства земной атмосферы.

В первой половине ХХI века на территории России будут наблюдаться лишь три полных и кольцеобразных солнечных затмения:

Таблица 7

В первом десятилетии ХХI века на территории России будут наблюдаться следующие полные лунные затмения:

Таблица 8

Затмения происходят в системах тесных двойных звезд, при условии:

3) Если А - земля, В и С - звезды, образующие двойную систему и вращающиеся вокруг общего центра тяжести в плоскости, параллельной к лучу зрения земного наблюдателя. Вследствие точечных угловых размеров светил затмения в системах звезд наблюдаются в виде периодических изменений блеска системы: звезда на небе периодически то становится ярче, то слегка "гаснет" (рис. 41).

Рис. 41. График изменения блеска затменно-переменной звезды b Персея (если звезда А ярче звезды В, то наблюдается вторичный, слабый минимум блеска; если звезда В ярче А, наблюдается основной минимум блеска. При А>В (по размерам) наблюдается кольцеобразное затмение, при A Ј В наблюдается полное затмение в системе звезд А и В)

Типичный представитель этого класса переменных, изменяющих свой блеск звезд -Алголь, b Персея, с периодом изменения блеска от 3,5^m до 2,3^m за 68 часов 49 минут. В переводе с арабского Алголь - "дьявол" или "глаз дьявола": арабские астрономы открыли (но не смогли объяснить) ее переменность около 2000 лет назад.

В настоящее время известно более 4000 затменно-переменных звезд.

Наблюдения затменно-переменных звезд позволяют определить размеры, массу, характеристики орбит звезд и получить ряд сведений об их физической природе.

Покрытия небесных светил наблюдаются при условии, когда видимые угловые размеры одного светила значительно превосходят угловые размеры другого светила:

4) Если А - Земля, В - Луна, С - звезда или планета, то на Земле наблюдается покрытие Луной этой звезды или планеты: светило скрывается за восточным краем Луны, чтобы спустя некоторое время вынырнуть из-за ее западного края. Наблюдения покрытий Луной звезд и планет помогают уточнить теорию движения Земли и Луны, в последнее время эти наблюдения стали привлекаться для прямых измерений размеров звезд.

Покрытия происходят также в системах планет-гигантов:

5) Если А - Земля, В - планета-гигант, С - звезда.

Эти явления происходят довольно редко и позволяют уточнить характеристики орбит планет. В 1976 году при наблюдении покрытия Ураном звезды были открыты кольца планеты.

Прохождениями одного небесного светила по диску другого называются явления, при которых одно светило проецируется на диск другого, имеющего большие угловые размеры:

6) Если А - Земля, В - Меркурий или Венера, С - Солнце, то на Земле наблюдается прохождение Меркурия или Венеры по диску Солнца. Крохотный кружочек - диск планеты проползает по солнечному диску от восточного к западному его краю.

Прохождения происходят и в системах планет-гигантов и в системах затменно-переменных (двойных звезд).

Наблюдения прохождений позволяют уточнить характеристики движения космических тел. При наблюдениях прохождения Венеры по диску Солнца в 1761 году М. В. Ломоносов открыл атмосферу Венеры.

Прохождения Меркурия по диску Солнца происходят раз в 10,3; 13 и 7 лет, прохождения Венеры наблюдаются гораздо реже - раз в 121,5; 105,2 и 7 лет (циклами).

Ученики самостоятельно дополняют табл. 6 сведениями об изученных на уроке космических и небесных явлениях. На это отводится до 5 минут, затем учитель проверяет и корректирует работу школьников.

Табл. 6

Изученный материал закрепляется в ходе решения задач. Желательно для повторения и обобщения пройденного материала предлагать ученикам комплексные задачи, условия и способы решения которых требуют применения всех или значительной части знаний, приобретенных при изучении раздела "Основы астрометрии":

Упражнение 5:

1. Задачи, предложенные Н.Е. Шатовской [313]:

Какая из последовательностей лунных фаз соответствует действительности? Рис.42

Рис. 42

2. Какой из рисунков может быть иллюстрацией к отрывку из стихотворения В.Я. Брюсова: Рис.43

Рис. 43

"… Снова ночи обнаженные

Заглядятся в воды сонные,

Чтоб зардеться на заре.

Тучка легкая привесится

К золотому рогу месяца,

Будет таять в серебре…"

2. Может ли произойти покрытие Луной звезды Альтаир, a Орла?

3. Нарисуйте, как выглядело звездное небо в окрестностях Солнца в момент полного солнечного затмения 31 июля 1981 года, если экваториальные координаты планет: Меркурия: a = 7^h 53^m ; d = + 21њ 42ў ; Венеры: a = 10^h 39^m ; d = + 9њ 55ў ; Марса: a = 6^h 37^m ; d = +23њ 27ў .

4. В какое время нужно выходить на улицу для наблюдений полного лунного затмения 9 января 2001 года, если начало частных фаз теневого затмения 18^h 42^m, а начало полного теневого затмения 19^h 50^m по Всемирному времени. Можно ли что-то заметить невооруженным взглядом в 20^h 50^m по московскому времени?

5. Какую картину будет видеть космонавт на Луне, когда на Земле наблюдается лунное затмение? Солнечное затмение?

6. Изготовление модели теллурия.

Наглядное пособие - прибор теллурий позволяет демонстрировать причины ряда небесных явлений, связанных с вращением Земли вокруг оси, обращением Луны вокруг Земли и обращением Земли вокруг Солнца:

1. Смену дня и ночи.

2. Зависимость освещенности северного и южного полушарий Земли от угла наклона земной оси к плоскости эклиптики.

3. Смену времен года.

4. Солнечные и лунные затмения.

Эти прибор выпускается для школьных кабинетов физики и географии, используется на уроках природоведения и "Ознакомления с окружающим миром". К сожалению, в настоящее время он есть уже не в каждой школе, а покупка нового прибора часто затруднительна. Однако вы можете сделать для своих и школьных нужд самодельный теллурий. Для этого вам потребуется: карманный фонарик, работающий на круглых батарейках, немного тонкой и прочной проволоки, разноцветный пластилин, акварельные краски и бумага.

Снимите с фонарика футляр со стеклом и отражателем, а лампочку покрасьте желтой краской - она будет изображать Солнце. Разрежьте проволоку на две части длиной в 10-15 см и 2-3 см, согните её так, как показано на рис. 44. Из пластилина слепите шарики размерами 2 см и 5 мм - модели Земли и Луны. Соберите установку так, как показано на рис. 47. "Луна" и "Земля" должны свободно вращаться вокруг своей оси и вокруг Солнца. Расчерченную на 12 ровных частей - "месяцев в году" полоску бумаги наклейте вокруг корпуса фонарика. Напишите на ней названия месяцев.

Рис. 44. Модель теллурия