Конспект урока по физике. Группа № 90 профессия «Повар, кондитер», 1 курс. Тема: «Строение Вселенной». Интернет ресурсы: видео урок по теме «Строение Вселенной». Ход урока. Теория Большого взрыва, или, как она первоначально называлась, модель горячей Всел

Преподаватель:Ракова Н.С. rakovanatasha@yandex.ru

Конспект урока по физике

Дата: 3.06.2020


13.05	3.06	-	23.05

Группа № 90 профессия «Повар, кондитер», 1 курс

Тема: «Строение Вселенной»

Форма работы: индивидуальная, электронное обучение

Тип урока:урок изучения нового материала

Цель урока: формирование представлений о строении и эволюции Вселенной, научиться определять радиус и возраст Вселенной, критическое значение плотности вещества Вселенной; оценивать порядок расстояний до космических объектов; объяснять суть теории Большого взрыва, суть понятий «реликтовое излучение», «тёмная материя» и «тёмная энергия».

Используемая литература:Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 класс, Издательство Просвещение, 2018

https://uchebnikionline.ru/uchebniki/11-klass/fizika-11-klass-myakishev-buhovcev-charugin

Интернет ресурсы: видео урок по теме «Строение Вселенной»

https://videouroki.net/video/65-stroenie-i-ehvolyuciya-vselennoj.html

https://resh.edu.ru/subject/lesson/4937/conspect/197940/

Ход урока

1. Организационный этап.Здравствуйте, ребята! На этом уроке мы изучим новую тему: «Строение Вселенной».

Основной этап

Космология – наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной.

Теория Большого взрыва, или, как она первоначально называлась, модель горячей Вселенной – космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной как целого.

Радиус Вселенной – оценивается с помощью закона Хаббла, R = 1,3 ∙ 10¹⁰

св. лет = 1,24 ∙ 10²⁶м.

Возраст Вселенной – оценивается с помощью закона Хаббла, t = 13 ∙ 10⁹лет.

Реликтовое излучение – излучение, которое осталось от горячего состояния вещества в начале расширения Вселенной.

Тёмная материя – гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Тёмная материя по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд.

Тёмная энергия – гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.

Наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной, называется космологией.

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А. Эйнштейном. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света. Согласно общей теории относительности гравитационное взаимодействие передаётся с конечной скоростью, равной скорости света. (По теории Ньютона гравитационное взаимодействие передаётся мгновенно.)

Общая теория относительности накладывает определённые ограничения на геометрические свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно этой теории, время не имеет абсолютного характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств пространства и времени.

Впервые космологическую модель Вселенной в рамках общей теории относительности рассмотрел советский математик А. Фридман. Он показал, что Вселенная, однородно заполненная веществом, должна быть нестационарной, и тем самым объяснил наблюдаемую картину разбегания галактик.

Теория Большого взрыва,или, как она первоначально называлась,модель горячей Вселенной –космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной как целого.Её предложил российский и американский физик Г. А. Гамов. Согласно этой теории, наша Вселенная образовалась примерно 13,7 млрд лет назад. Случилось это в результате Большого взрыва – явления, которое произошло на невообразимо малых расстояниях 10^-33 см за очень короткий временной промежуток 10^-44 с. Плотность вещества, которое образовалось в результате Большого взрыва, была равна 10⁹⁴ г/см³. За очень короткое время, примерно 10^-33 с, Вселенная в результате инфляция увеличилась до размеров примерно 10 см. После того, как закончилась инфляция, во Вселенной образовались несколько видов элементарных частиц: кварки, глюоны, электроны и γ-кванты или фотоны и нейтрино. За время примерно 10^-10 с от начала Большого взрыва началась эра элементарных частиц, 10^-6 с – образование протонов и нейтронов, 3 минуты – образование лёгких ядер. В момент примерно 3000 лет образовались реликтовые фотоны. С тех пор они путешествуют во Вселенной, помогая нам восстанавливать события тех лет. Первые атомы образовались примерно через 300 000 лет, первые галактики и звёзды через 1 млрд лет после Большого взрыва.

Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил известный британский астроном и космолог Фред Хойл в своей лекции в 1949 году.

Закон Хаббла позволил оценить радиус и возраст Вселенной: R =1,24 ∙ 10²⁶ м, t = 13 ∙ 10⁹ лет.

Критическое значение плотности вещества, от которой зависит характер будущего движения (расширения или сжатия) Вселенной ρ_кр = 10^-26 кг/м³.

Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической (ρ > ρ_кр), то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической (ρ ≤ ρ_кр), расширение не прекратится. Наблюдаемое разбегание галактик указывает на расширение Вселенной.

Наблюдения указывают на то, что в галактиках имеетсянесветящееся вещество, которое не участвует в электромагнитном взаимодействии, слабо проявляется в ядерном и слабом взаимодействии, поэтому оно себя не обнаруживает. Его назвали тёмной материей. Тёмная материя по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд.

Ряд наблюдений указывают на существование во Вселенной более экзотической по свойствам тёмной материи, которая по своей массе превышает все другие формы материи и вносит основной вклад в расширение Вселенной. Её назвали тёмной энергией.

Проявление тёмной энергии было обнаружено по наблюдениям вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках. Свойство тёмной энергии совершенно необычное, она проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, не участвует в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях. Она проявляет себя как сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между телами.

Наиболее ранние формы космологии представляют собой религиозные мифы о сотворении и уничтожении существующего мира. Первой же научной моделью Вселенной можно считать геоцентрическую систему мироустройства Птолемея — Аристотеля. Напомним, что в ней центром Вселенной являлась Земля. А сама Вселенная считалась ограниченной сферой неподвижных звёзд, «за которой нет ничего».

В течение нескольких веков геоцентрическая система мира была общепризнанной и не подвергалась сомнениям (а если кем-то и подвергалась, то его сжигали на костре, как еретика). Первые документальные попытки оспорить геоцентрическую систему мира принадлежат кардиналу Римской католической церкви Николаю Кузанскому. В 1440 году в свет вышел его трактат «Об учёном незнании», в котором была описана новая революционна космологическая модель мира. В частности, он высказал мнение, что Вселенная безгранична, хотя и имеет конечные размеры, так как «бесконечность свойственна только одному Богу». И у Вселенной вообще нет центра: ни Земля, ни Солнце, ни что-либо иное не занимают особого положения. Все небесные тела состоят из той же материи, что и Земля, и, вполне возможно, обитаемы. Почти за два века до Галилея он утверждал: все светила, включая Землю, движутся в пространстве, и каждый наблюдатель вправе считать себя неподвижным. А видимое движение небосвода он объяснял осевым вращением Земли.

Ещё примерно через 200 лет вышел знаменитый труд Николая Коперника «О вращении небесных сфер», где впервые описывается новая космологическая модель Вселенной — гелиоцентрическая модель мира.

В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в том числе и Земля). Хотя Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд.

Модификацией системы Коперника была система мироустройства Томаса Диггеса. Он выдвинул идею о том, что звёзды во Вселенной располагаются не на одной сфере, как у Коперника, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности.

Но самый решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философ Джордано Бруно. В частности, он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы.

Однако все учёные и философы того времени соглашались с одним: может Вселенная и бесконечна, но она статична, то есть не меняется со временем (как будто звёзды застыли на своих местах).

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Она обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света. Однако, что интересно, сам Эйнштейн считал, что Вселенная однородна, изотропна и, главное, стационарна. Даже после того, как было обнаружено красное смещение у далёких галактик и доказано, что объекты во Вселенной постоянно меняются, Эйнштейн считал, что «это никак не влияет на облик Вселенной в целом».

Но выдающийся советский математик Александр Фридман в 1922 году нашёл нестационарное решение уравнения Эйнштейна. Анализ этого решения показал, что ни при каких условиях решение не может быть единственным. Это означало, что невозможно точно ответить на вопрос о том, какова же форма Вселенной, каков радиус её кривизны и вообще, стационарна она или нет.

Тогда на движение исследуемой галактики будет оказывать влияние только то вещество, которое находится внутри сферы с радиусом R. Оно, согласно закону всемирного тяготения, будет притягивать галактику к центру этой сферы:

Таким образом, расширение Вселенной началось примерно 14,61 млрд лет назад, что не так уж и далеко от истины.

Но вернёмся к работам Фридмана и Хаббла. Итак, их работы показали, что в прошлом расстояние между галактиками было очень и очень мало. Более того, расчёты, проведённые на основе космологических моделей Фридмана, указывали на то, что в момент начала расширения вещество Вселенной должно было иметь бесконечно большую плотность, заключённую в бесконечно малом объёме.

В связи с этим, независимо друг от друга бельгийский священник Жорж Леметр и советско-американский физик Георгий Антонович Гамов предложили новую космологическую модель «горячей Вселенной». В соответствии с ней на ранних стадиях расширения Вселенная характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой. То есть не существовало ничего: ни материи, ни пространства, ни времени. Четыре фундаментальных взаимодействия объединены в одно. Такое состояние материи принято называть космологической сингуля́рностью. Считается, что в это время вещество имело планковскую энергию (10¹⁹ ГэВ), планковский радиус (10^–35 м), планковскую температуру (10³² К) и планковскую плотность (~10⁹⁷ г/см³).

Затем произошло нечто, что мы сейчас называем Большим взрывом.

Через 10^–43 секунды после Большого взрыва гравитационное взаимодействие отделилось от объединённого электрослабого и сильного взаимодействия. Спустя ещё 10^–8 секунды отделились друг от друга сильное и электрослабое взаимодействия. И в этот же момент началось скачкообразное расширение Вселенной, которое называется инфляционным. Оно продолжалось всего около одной миллисекунды (до отметки в 10^–32 с). После чего все четыре фундаментальных взаимодействия начали существовать отдельно друг от друга. А Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму с лептонами, фотонами и бозонами Хиггса. Примерно через 0,1 мс после запуска механизма рождения Вселенной, кварки слились в элементарные частицы — протоны и нейтроны.

Начиная с 4 минуты Вселенная остыла до такой степени, что начали образовываться стабильные ядра водорода и гелия. Спустя 5 минут после начала расширения термоядерные реакции прекратились. В таком состоянии Вселенная находилась около 380 тысяч лет. За это время её температура снизилась настолько, что стало возможным существование стабильных атомов лёгких элементов.

Через миллион лет после Большого взрыва наступила эра вещества, когда стало развиваться многообразие нынешнего мира. А примерно через миллиард лет началось формирование галактик, звёзд и планет. Вселенная стала похожа на то, что мы видим сейчас.

Самым эффектным результатом теории «горячей Вселенной» стало предсказание реликтового излучения — фотонов, образованных через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала прозрачной. Поэтому образовавшиеся в это время фотоны избежали рассеяния, и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. По оценкам учёных температура этого остаточного излучения должна быть не более 3 К.

Удивительно, но в 1964 году таинственное реликтовое излучение было обнаружено американскими радиоастрономами Анро Пензиасом и Робертом Уилсоном. При этом максимум излучения приходился на длину волны в 1 мм, что согласно закону смещения Вина соответствует температуре в 2,7 К. Таким образом, теория Га́мова была полностью подтверждена и стала общепризнанной.

Учёным пришлось пересмотреть все свои старые выводы и предположить, что наблюдаемое ускорение создаётся неким ранее неизвестным видом материи, которая обладает свойством антигравитации. Так появился гипотетический вид энергии, названный тёмной энергией, и описываемой космологической постоянной «Лямбда» в уравнениях Эйнштейна. Как шутили некоторые астрономы: великий и ужасный лямбда-член Эйнштейна вернулся в уравнения общей теории относительности.

Дальнейшие наблюдательные данные показали, что тёмная энергия практические равномерно заполняет пространство Вселенной. Более того, в марте 2013 года по данным изучения реликтового излучения космической обсерваторией «Планк» было установлено, что общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 68,3 % из тёмной энергии и на 26,8 % из холодной тёмной материи.

На основании этих данных учёными была предложена новая космологическая модель Вселенной — модельΛCDM (от английского Lambda-Cold Dark Matter). Новая модель позволила также уточнить возраст Вселенной — (13,799 ± 0,21) миллиарда лет.

Таким образом, развитие современной космологии в очередной раз показало безграничные возможности человеческого разума, способного исследовать сложнейшие процессы, которые происходят во Вселенной на протяжении миллиардов лет.

Домашнее задание:Стр.394, § 106-109, конспект