Урок по теме "Расширяющаяся Вселенная"

Цель: расширить знания о строении и эволюции уникального объекта Вселенной в целом.

Задачи:

• изучить модель расширяющейся Вселенной;
• выяснить с какой скоростью удаляются галактики
• определить возраст Вселенной;
• научить решать задачи с применением закона Хаббла

Оборудование к уроку: проектор, презентация, иллюстрации.

Структура урока:

Ход урока

I. Организационный момент (приветствие, проверка отсутствующих)

II. Актуализация знаний

• Что такое фотометрический парадокс?
• Какое значение имеет общая теория относительности для астрономии?
• В чем суть общей теории относительности?

II. Изучение нового материала

Существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи. Геоцентрическая система Аристотеля-Птолемея стала первой научно обоснованной космологической моделью Вселенной. Спустя 1500 лет ее сменила новая космологическая модель – гелиоцентрическая система, предложенная Коперником.

Космология – раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом, используя при этом методы и достижения физики, математики и философии.

Только в XX веке было выработано понимание Вселенной как единого целого. Впервые космологическую модель Вселенной рассмотрел советский математик А.А.Фридман, основываясь на общей теории относительности А.Эйнштейна, и показал, что геометрические свойства Вселенной должны изменяться, т.е. расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Фридман пришел к выводу, что материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое – Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться.

Важное подтверждение теоретические выводы А.Фридмана получили благодаря наблюдениям Э.Хаббла. Измеряя лучевые скорости галактик, он обнаружил, что в их спектрах линии смещены к красному его концу, что, согласно эффекту Доплера, означало их удаление. В дальнейшем, сравнивая величину «красного смещения» в спектрах различных галактик, Э.Хаббл установил закон, который впоследствии был назван его именем.

Согласно закону Э. Хаббла, скорость удаления любой галактики от нас пропорциональна расстоянию до нее:

(где v – скорость удаления, H = 75 км/c * Мпк – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики)

Если скорость окажется меньше второй космической скорости, то наблюдаемое удаление галактики сменится приближением, т.е. расширение Вселенной сменится сжатием.

Если скорость будет больше или равна второй космической скорости, то галактика будет неограниченно удаляться, т.е. расширение носит неограниченный характер.

Пример 1. На каком расстоянии от нас находится галактика, имеющая скорость удаления 1,5 * 10⁴ км/с?

Ответ: 200 Мпк

Работы Э.Хаббла и А.Фридмана явились лишь началом изучения Вселенной, можно сказать, ее механики. Но именно они открыли дорогу последующим исследованиям физики тех процессов, которые происходили во Вселенной на различных этапах ее эволюции.

Развернувшиеся на протяжении XX века исследования затронули целый ряд фундаментальных проблем физики и позволили достичь во многих из них очень существенных и важных для современной науки результатов.

Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе расположены друг к другу, чем в современную эпоху. Закон Э.Хаббла дает возможность оценить время, которое прошло с момента начала их разбегания – начала расширения Вселенной.

Сейчас это время оценивается в 13 млрд лет. Таким образом, в столь отдаленную эпоху плотность во Вселенной была настолько велика, что ни галактики, ни звезды и никакие другие наблюдаемые в настоящее время объекты просто не могли существовать.

Некоторые видят в наблюдаемом разбегании галактик аналогию с разлетом вещества во время взрыва, поэтому теория расширения Вселенной получила название теории Большого взрыва.

III. Закрепление нового материала

Задача №1. Небольшая спиральная галактика с перемычкой NGC 1559 удаляется со скоростью около 1300 км/c. Определите расстояние до этого объекта.

Ответ: 17,3 Мпк

Задача №2. Определите радиус наблюдаемой Вселенной с помощью закона Хаббла, учитывая, что максимальная скорость удаления галактики не может быть больше скорости света.

Ответ: 13 млрд. св.лет

Учащимся предлагается ответить на вопросы:

1. Сформулируйте Закон Хаббла.
2. Чему равна постоянная Хаббла?
3. В каких единицах измеряются расстояния до далеких объектов Вселенной?
4. Как можно оценить возраст Вселенной?

IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание.

1. § 35, вопросы после параграфа устно.
2. Задача №3. Свет от галактики идет к нам 473 млн лет. С какой скоростью галактика удаляется от нас?
3. Письменно ответить на вопрос (ответ обосновать): Куда и во что расширяется Вселенная?