Элективный курс по физике "Гравитация без формул"

Разделы: Физика, Астрономия

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Формирование системы знаний о Вселенной нельзя считать полноценным без изучения теории тяготения Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна, которые позволили ответить на многие вопросы: Почему Луна не падает на Землю? В чем причина морских приливов? Что заставляет планеты вращаться вокруг Солнца? Каковы источники энергии звезд? Что такое гравитационное красное смещение?

Эти вопросы часто возникают у учащихся 7-9 классов, математический аппарат которых ограничен, поэтому предложенная программа называется “Гравитация без формул”.

В предложенной программе изучение материала начинается с элементарных идей о движении и заканчивается современными представлениями о видах взаимодействия во Вселенной, в частности, теорией суперструн. В программе рассматриваются идеи, связанные с извлечением энергии из черных дыр, возможные методы их обнаружения, знакомство с объектами, которые являются кандидатами в черные дыры, а также современные гипотезы возникновения Вселенной.

Современная теоретическая физика началась с ньютоновского закона тяготения; она описывает и объясняет различные сложные явления природы при помощи нескольких основных законов. Гравитация - одна из основных сил природы. Она вызывает множество астрономических явлений - от океанских приливов до расширения Вселенной. Ньютон описал гравитацию при помощи простого закона обратной пропорциональности квадрату расстояния. Эйнштейн увидел в ней нечто более глубокое, связывающее ее с пространством-временем. Современный физик-теоретик пытается включить ее в теорию великого объединения, связывающую все основные типы взаимодействий. Но и сегодня гравитация остается загадочной.

Данная программа элективного курса показывает, как разнообразна по своим проявлениям и как важна эта таинственная вездесущая сила. В данной программе особое внимание сконцентрировано на астрономических явлениях – ведь именно астрономия была и остается областью науки, где проверяется гравитация. Это движение планет, комет, и спутников, внутреннее строение и эволюция звезд, приливные эффекты на Земле и в двойных звездах, сверхплотные объекты, такие, как нейтронные звезды, черные и белые дыры, происхождение и эволюция Вселенной.

Программа элективного курса “Гравитация без формул” направлена на развитие творческих способностей, воспитание и развитие личности обучающегося, формирование полного представления о физической картине мира.

Одногодичная программа элективного курса предназначена для учащихся 9х классов. Политехническая направленность программы предусматривает более глубокое изучение школьного курса с минимальным математическим аппаратом, ограниченным простейшей алгеброй, что позволяет использовать данную программу в общеобразовательных классах.

Цель программы: Сформировать у учащихся более полное представление о физической картине мира

Задачи, решение которых предусматривается программой курса:

1. Формирование естественно-научной картины мира;

2. Расширение, углубление и обобщение знаний о строении Вселенной

3. Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей на основе ознакомления учащихся с современными достижениями науки и техники, связанными с изучением и применением гравитации;

4. Формирование практических умений и самостоятельного приобретения новых знаний, выполнение экспериментальных исследований, подготовки докладов, рефератов и других творческих работ, умение находить сведения в журналах и электронных источниках информации, анализировать полученные результаты и формировать выводы.

Для решения предложенных задач используются различные формы проведения занятий: урок, лабораторный практикум, компьютерный эксперимент, конференция, экскурсии.

Основные методы и приемы обучения: лекции, беседы, работа с литературой и Интернет, демонстрация опытов, наблюдения, эксперимент и практические работы учащихся.

При изучении тем используется индивидуальный подход к каждому учащемуся, дифференцированные задания творческого характера.

Контроль за усвоением ЗУН осуществляется путем применения следующих форм: зачет, реферат, зачет по лабораторному практикуму, конференция по книге Брайна Грина

“Элегантная Вселенная”, а также отчет об экскурсии в Планетарий и лаборатории АГУ.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА.

(34 часа)

1. Почему движутся тела (3 часа)

1.1. Введение. Беспокойная Вселенная.
1.2. От Аристотеля до Галилея.
1.3. Законы движения И.Ньютона.
1.4. Некоторые понятия динамика.

2. Законы гравитации (4 часа)

1.1. Основной смысл закона тяготения.
2.2. Движение планет.
2.3. Ньютоновская теория гравитации и движение в Солнечной системе.
2.4. Законы Кеплера и обобщение, и уточнение Ньютоном законов Кеплера.
2.5. Успехи в применении закона тяготения.

3. Как найти силу гравитации? (4часа)

3.1. Масса Земли. Опыты Генри Кавендиша. Сила тяготения вблизи поверхности Земли.
3.2. Гравитационная и инертная масса. Спутники и невесомость.
3.3. Гравитационные потенциальные барьеры. Гравитация в спорте.
3.4. Гравитационная потенциальная энергия и вторая космическая скорость.
3.5. Гравитационное поле. Скорость убегания планет и звезд во Вселенной.

4. Термоядерные реакторы в космосе. Солнце и гравитация (4 часа)

4.1. Термоядерная реакция.
4.2. Почему Солнце светит? Гипотеза Кельвина-Гельмгольца.
4.3. Солнце как термоядерный реактор.
4.4. Гравитация как регулятор термоядерного синтеза.
4.5. Звездные катастрофы.

5. Жизнь в искривленном мире (2 часа)

5.1. Безупречен ли закон Ньютона? Странное поведение Меркурия.
5.2. От Ньютона к Эйнштейну. Общая теория относительности.
5.3. Неевклидова геометрия. Искривлен ли наш мир?
5.4. Искривлено ли время?

6. Океанские приливы и двойные звезды (2 часа)

6.1. Приливная сила. Использование приливной силы в народном хозяйстве.
6.2. Гравитационное излучение.

7. Мир черных дыр (2часа)

7.1. Черная дыра в астрономии. Как образуются черные дыры? Гравитационный коллапс.
7.2. Гравитационное красное смещение, сингулярность пространства- времени.

8. Черные дыры – космические генераторы энергии (3 часа)

8.1.Физика черных дыр. Керровская черная дыра.
8.2. Проекты извлечение энергии черных дыр (механизм Пенроуза)
8.3. Лебедь 10-1
8.4. Сверхмассивные черные дыры.
8.5. Существуют ли черные дыры?

9. Белые дыры – миф или реальность? (2 часа)

9.1. Могут ли черные дыры быть белыми?
9.2. Фиолетовое смещение от белых дыр.
9.3. Белые дыры как ускорители частиц. Нейтронные звезды.
9.4. Существуют ли белые дыры?

10. Расширяющаяся Вселенная (2часа)

10.1. Стационарная Вселенная в теории Ньютона.
10.2. Вселенная Эйнштейна.
10.3. Большой взрыв Вселенной Джоржа Гамова.
10.4. Теория расширяющейся Вселенной.
10.5. Различные подходы к объяснению существования мира.Теория суперструн.

11. Заключение. Многоликая гравитация. (2часа)

12. Экскурсии (4 часа)

Лабораторные работы.

1 Л/р Сравнение траектории движения тел в различных системах отсчета”
2. Л/р “Изучение движения тел под действием силы тяжести”
3. Л/р “Наблюдение сплошного и линейчатого спектров излучения”
4. Л/р “Наблюдение спектров поглощения”

Творческие конструкторские и лабораторные задания для учащих:

предложите нескольких вариантов конструкций приборов или методов, с помощью которых можно:

1. Определить массу тел в условиях невесомости.
2. Сравнивать массы тел по их взаимодействию.
3. Продемонстрировать состояние невесомости.

Демонстрации

1. Фотографии Солнца с пятнами и протуберанцами.
2. Фотографии звездных скоплений и газовых туманностей.
3. Фотографии галактик.
4. Веса тела, движущегося с ускорением по вертикали.
5. Невесомости.

Наблюдения

1. Наблюдение солнечных пятен.
2. Обнаружение вращения Солнца.
3. Наблюдение звездных скоплений, туманностей и галактик.
4. Компьютерное моделирование движения небесных тел.
5. Наблюдение сплошного и линейчатого спектров испускания.
6. Наблюдение спектров поглощения.
7. Наблюдение солнечного затмения.

Экскурсии

1. Планетарий

2. Лаборатории АГУ

Видеофильмы

1. “О всемирном тяготении” фрагмент (“Движение в поле тяготения”, “Тяготение служит людям”, “Невесомость”)
2. “Физические основы космических полетов”
3. “Принцип относительности Галилея”

Учебно-тематический план

№ Тема Общее кол-во часов В том числе Форма контроля
Теоретических Практических
1. Почему движутся тела 3 2 1 Лабораторный практикум
2. Законы гравитации 4 3 1 Лабораторный практикум
3. Как найти силу гравитации? 4 3 1 Лабораторный практикум
4. Термоядерные реакторы в космосе 4 2 2 Лабораторный практикум
5. Жизнь в искривленном мире 2 2 - Сообщение
6. Океанские приливы и двойные звезды 2 1 1 Сообщение
7. Мир черных дыр 2 2 - Зачет
8. Черные дыры – космические генераторы энергии 3 2 1 Реферат
9. Белые дыры – миф или реальность 2 2 - Реферат
10. Расширяющаяся Вселенная 2 2 - Зачет
11. Обобщающее занятие. Многоликая гравитация 2 - 2 Конференция “Элегантная Вселенная”
12. Экскурсии (Планетарий, лаборатории АГУ) 4 - 4 Отчет
  Итого 34 21 13  

Литература для учащихся:

  1. Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. “Мир”, 1985 г. пер. с англ. 1,2 часть
  2. П. Девис Случайная Вселенная. Из-во “Мир” 1985 г. пер. с англ
  3. Физика. Справочник школьника и студента под. Редакцией проф. Р.Гебеля. Москва. Издательский дом “Дрофа”, 1999 г., 2003 г.
  4. Физика. Астрономия 9 класс под ред. А.А. Пинского, В.Г. Разумовского, Москва, “Просвещение” 1999 г. 2003 г.
  5. Е.П. Левитан “Астрономия” 11класс, Москва. Просвещение, 2000 г.
  6. Энциклопедический словарь юного техника/ сост. Б.В. Зубков, С.В. Чумаков. – Москва: Педагогика, 1988 г.
  7. Энциклопедический словарь юного астронома/ сост. Н.П. Ептылев. – Москва: Педагогика, 1986 г.
  8. Марк Колтун Мир физики М. “Детская литература”, 1984 г.

Литература для учителей

  1. 1. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. “Советская энциклопедия” М-1986 г.
  2. 2. Дж. Орир. Физика в двух томах. Москва “Мир” 1981 г.
  3. 3. Д. Джанколи. Физика. В 2-х томах. Москва “Мир” 1981 г.
  4. 4. Кингсеп А.С., Локтин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Курс общей физики. учебник т1. Москва “Физматлит”, 2001 г.
  5. 5. Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Ципенюк Ю.М., Основы физики, курс общей физики,т2. Москва, Физматлит,2001 г.
  6. 6. Факультативный курс физики. 8 класс. Москва “Просвещение”,1973 г.
  7. 7. Н.С. Пурышева, Н.В. Шаронова, Д.А.Исаев Фундаментальные эксперименты в физической науке. Элективный курс. Москва. БИНОМ. Лаборатория знаний 2005 г.
  8. 8. Е.П. Левитан. “Астрономия” М.- 2000 г.
  9. 9. В.Акоста, К. Кован, Б.Грэм. Основы современной физики. М. “Просвещение”, 1981 г.
  10. 10. Г. Линднер. Картины современной физики. Издательство “Мир” Москва 1977 г.
  11. 11. Н.М. Шахмаев. В.Ф. Шилов. Физический эксперимент в средней школе. М. “Просвещение” 1989 г.

Статьи в научно – популярных и научно-педагогических журналах.

1.Соросовский образовательный журнал.

  • Железняков В.В. Проблемы современной астрофизики.-1996.-№6
  • Холшевников К.В.Луна – спутник или планета. -1998.-№8
  • Гнедин Ю.Н. Современная астрономия. Новые направления и новые проблемы. 1996.№8
  • Курт В.Г. Солнце и межзвездная среда.-1999-№1
  • Черепащук А.М. Гравитационное микролинзирование и проблемы скрытой массы.-1998-№3
  • Липунов В.М. Исскуственная Вселенная. -1998-№6
  • Машонкина Л.И. Как и зачем изучают химический состав звезд.-1998-№7

2.Физика в школе. На важных направлениях научно технического прогресса 1999-№1,№4; -2000- №5№8; -2001- №8; -2002-№8; 2004-№4; -2005-№4.

ФИЗИКА. Издательский дом “Первое сентября”

  1. Лучков Б. “Поиски черных дыр” 2004г. №3, стр. 27-30
  2. Л.Ишменева “Законы Кеплера”, 2004г. №4
  3. “Космическая загадка” 2005г. №3, стр. 7-13
  4. “На переднем крае. Наследие Альберта Эйнштейна. Ландшафт теории струн” 2005г. №5, стр. 4-12
  5. Ломанин А. “Освоение космоса и глобальные проблемы”, 2006 №5, стр.5-10
  6. Лучков Б. “Нейтрино изучает Землю”, 2005г. №8, стр. 29-30
  7. Лучков Б. “Наш космический дом: Солнце, планеты, Земля” 2005г. №17
  8. Лучков Б. “Энергетика звезд. Галактики, скопление галактик”, 2005г. №18, стр. 14-21
  9. Лучков Б. “Эволюция звезд” 2005г. №19, стр. 12-20
  10. Лучков Б. “Космологические модели. Вселенная большого взрыва” 2005г. №22, стр. 13-17
  11. Лучков Б. “Эхо из прошлого. Реликтовое излучение. Стандартная модель Вселенной” 2005г. №23, стр. 12-18
  12. “Элементарная астрофизика и космология” 2005г. №24, стр. 13-20
  13. “Как это устроено. Космическая и аэрофотосъемка”, 2006 31,3,5, стр.47