XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вселенная и движение в ней
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Интересоваться звёздами и космосом я начал ещё в начальных классах. Мне было интересно читать книги, смотреть видео и фильмы на эту тему. Она казалась мне такой непонятной и необъятной, содержащей огромное количество информации, вся из которой была безумно интересна. Я решил написать проект, который позволит остальным ученикам школ так же, как и я, заинтересоваться астрономией и немного понять её.
Цели проекта: Расширение кругозора в заданной тематике, с помощью подобного изучения разных источников. Мотивировать обучающихся школ к изучению астрономии.
Задачи проекта:Собрать воедино информацию в доступной форме по движению объектов в космосе и Солнечной системы.Доступно объяснить интересующимся процесс создания Вселенной и понятие движения в ней.
Создать карточки для повышения интереса обучающихся к астрономии, содержащие задачи по физике для 6 класса.
Гипотеза: Объекты космоса движутся в соответствии с законами математики и физики. Движение объектов можно вычислить в любой момент времени.
Тип проекта: реферативно - информационный.
-
Большой взрыв
Вселенная представляет собой уникальный, всеобъемлющий предмет для размышления и изучения. Одна из теорий её зарождения - Большой Взрыв (БВ), описывающая начало и раннее развитие Вселенной. Согласно этой теории, около 13,8 миллиарда лет назад вся материя Вселенной была сжата в одну точку с бесконечной плотностью и температурой. Затем произошло расширение, в результате которого пространство начало увеличиваться, а температура снизилась, что позволило формироваться материи и возникать первичным силам: гравитации, электромагнетизму, а также сильным и слабым ядерным взаимодействиям.
Можно выделить такие основные аспекты теории: сингулярность, расширение и реликтовое излучение. Сингулярность - это состояние Вселенной в начале своего существования, где физические законы, как мы их знаем, перестают существовать. Это состояние предшествует расширению.
Дальнейшие наблюдения показывают, что галактики начинают отдаляться друг от друга, что подтверждает теорию о расширении Вселенной. Это явление объясняет Доплера - свет далёких объектов смещается к красной стороне спектра.
После расширения и охлаждения Вселенной возникло реликтовое излучение - это остаточный свет и тепловое излучение от ранней горячей фазы развития Вселенной. Оно было обнаружено в 1964 году Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом, став важным подтверждением Большого взрыва.
В основе теории Большого взрыва лежат три основные предпосылки: универсальность физических законов, космологический принцип и принцип Коперника. Все эти предпосылки были проверены с высокой точностью.
Таким образом можно сделать вывод, что Большой взрыв представляет собой ключевую концепцию в современной космологии, объясняющую происхождение и развитие Вселенной.
-
Образование материи и расширение Вселенной.
В первые моменты после Большого взрыва Вселенная находилась в состоянии экстремально высокой температуры и плотности. В течение первых секунд образовались элементарные частицы: кварки, лептоны и нейтрино (т.е. самые мельчайшие частицы), которые находились в состоянии кварк - глюонной плазмы.
По мере охлаждения Вселенной (примерно через 1/1000000 секунд) кварки начали объединяться в адроны, такие как протоны и нейтроны. Это стало возможным благодаря тому, что температуры снижались до уровня, при которых взаимодействие между частицами стало более стабильным.
Через несколько минут после Большого взрыва начался процесс нуклеосинтеза, в ходе которого протоны и нейтроны объединились для формирования первых ядер. Первый химический элемент, который сформировался в «новорожденной» Вселенной - водород (его ядро состоит из одного протона, а формирование началось через 100 секунд после БВ). Часть этих ядер способствовала образованию других веществ - гелия, лития, бериллия и бора. Процесс нуклеосинтеза завершился примерно через 20 минут после начала расширения Вселенной.
Спустя миллиарды лет после БВ звезды начали формироваться из остатков газа и пыли, которые образовались в результате термоядерных реакций в первых звёздах. Эти реакции позволили создавать более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород, которые стали основой для планет и жизни.
Сразу после БВ Вселенная начала стремительно расширяться. Это происходило неравномерно: на ранних этапах оно было очень быстрым (инфляция), а затем замедлилось. Наблюдения учёных показывают, что расширение Вселенной происходит и сегодня.
В результате неоднородного распределения материи после БВ начали формироваться гравитационные структуры - галактики и звёздные скопления. Они возникали из-за небольших колебаний плотности в ранней Вселенной.
Примерно 5 миллиардов лет назад расширение Вселенной вновь ускорилось, что связывают с тёмной энергией - загадочной формы энергии, которая противодействует гравитации.
Таким образом, мы видим, что образование материи и движение после БВ представляют собой сложный процесс, который включает в себя взаимодействие элементарных частиц, формирование атомов и молекул, а также динамику расширяющейся Вселенной.
3. Образование звёзд.
Формирование звёзд — это сложный процесс, который начинается с сжатия межзвёздного газопылевого облака под действием гравитации. Рассмотрим этот процесс через разделение на несколько ключевых этапов.
Известно, что в недрах звёзд действуют природные термоядерные реакции, синтезирующие из лёгких химических элементов более тяжёлые. Например, из водорода образуется гелий, из гелия — углерод и т. д. Протекание этих реакций в недрах Солнца сегодня прямо регистрируется на Земле (а точнее — под землёй) нейтринными детекторами. Установлено также, сколько времени живут звезды и как заканчивается их жизнь: чем массивнее звезда, тем ярче она светит и быстрее сжигает своё ядерное горючее. Если звезды типа Солнца живут около 10 миллиардов лет, то гиганты, которые в 10 раз массивнее, полностью сгорают всего за 25 миллионов лет. А вот карлики с массой в половину солнечной должны жить почти 100 миллиардов лет — много больше нынешнего возраста Вселенной.
В конце жизни звезда обычно сбрасывает с себя верхний слой вещества. Массивные светила делают это взрывным образом, становясь сверхновыми, а маломассивные — спокойно, окутывая себя медленно расширяющейся планетарной туманностью. Но в любом случае в конце эволюции от звезды остаются разлетающееся газовое облако и плотный компактный объект — белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра .
Вот как представляется сегодня процесс рождения звезды. В межзвёздном облаке идёт непрерывная борьба двух тенденций — сжатия и расширения. Сжатию облака способствуют его собственная гравитация и внешние силы (например, взрывы соседних звёзд), а расширению — давление газа и магнитных полей внутри облака. Обычно эта борьба заканчивается победой сил сжатия.
Дело в том, что звёздный свет не проникает снаружи в непрозрачное облако и не нагревает его, а инфракрасное излучение молекул и пыли легко выходит из облака и уносит тепло. В результате этого «антипарникового» эффекта в наиболее плотной части облака температура опускается почти до –270°C, и давление газа падает настолько, что равновесие сил неминуемо нарушается, и эта область начинает безудержно сжиматься. Если масса сжимающегося газа невелика, то образуется одна звезда, а если газа много, то в ходе его сжатия и фрагментации рождается группа тел — звездное скопление.
Сжатие облаков :Процесс с тем, что холодное и плотное ядро облака (температура около 10 К) начинает сжиматься. Это происходит из-за гравитационной неустойчивости, когда давление и температура в центре облака стареют.
Протозвезда :В результате сокращаются расходы протозвезды. На этом этапе облако становится непрозрачным для собственного преобразования и аккрецирует вещество из внешних слоёв.Протозвезда продолжает сжиматься, и её температура увеличивается до уникальных значений, необходимых для начала термоядерных процессов.
Термоядерные режимы :Когда температура в ядре достигает 3—4 миллионов К, начинается процесс слияния водорода в гелий, что приводит к выделению энергии и завершает запуск звезды.На этом этапе звезда переходит на главную последовательность, где она будет находиться большую часть своей жизни.
Формирование планетной системы :Вокруг протозвезды может образоваться диск из газа и пыли, который со временем может эволюционировать в планетную систему. Этот процесс наблюдается у многих молодых звёзд.
4. Движение и орбиты планет.
Движение планеты в Солнечной системе осуществляется по эллиптическим орбитам вокруг Солнца и подчиняется законам Кеплера и Ньютона.Иоганн Кеплер был немецким математиком и астрономом. Мистическая философия и строгая математика странным образом сочетались в его теории: мир он считал реализацией некоторой числовой гармонии, каковую оставалось лишь разгадать. Три закона, сформулированные им 400 лет назад, родились из интуиции и озарений, но в точности описали движения планет.
В 25 лет он написал книгу «Тайна мироздания» о шести известных тогда планетах — в ней он сопоставлял орбиты и «платоновы тела» и искал скрытую математическую гармонию Вселенной. Кеплер был настолько уверен в своей мистической теории, что тут же послал её крупнейшим астрономам конца XVI века Галилео Галилею и Тихо Браге, и они хотя и отвергли фантазии юноши, но отметили его оригинальность и ум. После этого Кеплер вошёл в научное сообщество. Тихо Браге пригласил молодого астронома к себе, и они десять лет плодотворно работали вместе. Следствием этого сотрудничества как раз и стализнаменитые три закона Кеплера.
Первый закон Кеплера (закон эллипсов)каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов, где находится Солнце.
Второй закон Кеплера (закон площадей)радиус-вектор, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени образует форму площади. Это означает, что скорость планеты изменяется: она максимальна в перигелии (ближайшей к Солнцу остановки) и минимальна в афелии (наиболее удалённой остановки).
Третий закон Кеплера (гармонический закон) квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбиты, что позволяет вычислить соотношение между периодами обращения различных планет.
Орбиты абсолютно всех планет имеют форму вытянутого круга, и насколько велика эта вытянутость, определяется эксцентриситетом, если эксцентриситет очень маленький (почти ноль) форма наиболее приближена к кругу. Траектории движения с эксцентриситетом близким к единице имеют форму эллипса. К примеру, орбиты многочисленных спутников и экзопланет пояса Койпера имеют форму эллипса, а все орбиты планет Солнечной системы почти абсолютно круглые.
Из-за того, что ни одна из известных нам космических орбит не является точным кругом, в процессе движения по ней меняется расстояние между планетой и соседствующим с ней светилом. Точку, в которой планета находится наиболее близко к звезде, называют периастра. В Солнечной системе данная точка называется перигелий. Самая отдаленная от звезды точка траектории движения планеты носит название апоастром, а в Солнечной системе — афелий.
Прямое и пятое движение :Планеты могут двигаться в прямом направлении, совпадающем с движением Солнца по эклиптике, или в попятном — когда они первично двигаются в противоположном направлении. Это явление связано с различиями в орбитальных скоростях Земли и других планет.
Положение планеты Земля относительно Солнца называется конфигурацией. Нижние планеты (Меркурий и Венера) могут располагаться ближе к Солнцу, чем Земля, тогда как верхние планеты (Марс, Юпитер и т.д.) обнаруживать дальше.
Изучив литературу по астрономии, можно отметить, что при движении по эллиптической орбите скорость планеты меняется в зависимости от её положения на орбите: вперигелии , когда планета ближе к Солнцу, её скорость максимальна из-за увеличения кинетической энергии.В афелии , когда планета дальше от Солнца, её скорость минимальна.
Согласно закону сохранения экологической энергии, максимальная кинетическая и стабильная энергия сохраняется постоянно. Это приводит к тому, что при уменьшении расстояния до Солнца (увеличении скорости) потенциальная энергия притягивается, а кинетическая энергия увеличивается.
Орбита — это траектория движения небесного тела в пространстве, находящегося под воздействием гравитационных сил другого тела, обладающего значительно большей массой. Этот термин был введён Иоганном Кеплером и используется для описания как естественных, так и искусственных объектов.
В астрономии выделяют следующие типы орбит:эллиптические(наиболее распространённый тип орбиты, в которой тело движется по эллипсу с одним из фокусов в центре масс системы); круговые (частный случай эллиптической орбиты, где эксцентриситет равен нулю); параболические и гиперболические (орбиты, которые имеют более сложные формы и возникают при взаимодействии с массивными телами на высоких скоростях).
Движение небесных тел по орбитам обусловлено гравитационным взаимодействием. Когда объект движется с достаточной скоростью, он может избежать падения на центральное тело и продолжать движение по изогнутой траектории. Это можно проиллюстрировать мысленным экспериментом с пушечным ядром, которое, будучи выстреленным горизонтально с достаточной скоростью, будет двигаться по круговой или эллиптической орбите вокруг Земли.
Орбиты играют ключевую роль в астрономии, позволяя предсказывать положение небесных тел и их движение во времени. Например, астрономы могут использовать данные об орбитах планет для определения их будущих позиций и анализа взаимодействий в сложных системах. А использование законов Кеплера и закона сохранения энергии, позволяют учёным проводить расчёты и строить прогнозы движения космических объектов во Вселенной.
-
Механизмы образования спутников
Ещё один из интересных процессов, происходящих во Вселенной - это образование спутников. Можно отметить следующие этапы этого механизма:
-
Аккреция : многие спутники строятся из околопланетного диска — облаков газа и пыли, окружающего молодую планету. Этот процесс аналогичен образованию планеты из протопланетного диска, окружающего звезду. В результате аккреции частицы в диске сливаются, образуя более крупные тела, которые становятся спутниками.
-
Захват : некоторые спутники могут быть захвачены гравитационным полем планеты. Это происходит, когда объекты, такие как астероиды или другие небесные тела, проходят близко к планете и под ее влиянием. Примером такого захвата являются луны Марса — Фобос и Деймос.
-
Столкновения : гипотеза о включении положений, что некоторые спутники образовались в результате мощных столкновений между небесными телами. Например, Луна могла возникнуть в результате возникновения Земли с объектом размером с Марс, известным как Тейя.Это столкновение выбросило огромное количество материала в космос, который затем собрался и сформировал Луну.
-
Процесс формирования:формирование спутника начинается с создания околопланетного диска вокруг молодой планеты. Этот диск состоит из частиц вещества, которое не было аккрецировано на самой планете.В процессе аккреции и взаимодействия частиц в диске создаются новые тела.
По мере роста спутника их гравитационное поле влияет на окружающий газ и пыль, образуя спиральные волны в диске. Эти волны могут привести к снижению высоты орбиты спутника и его последующему падению на планету.
-
Циклы роста и падения : спутники могут многократно увеличиваться за счёт притока вещества из диска, а затем падать на планету, пока вещество диска не исчерпается. Это приводит к тому, что наблюдаемые сегодня спутники являются результатом этих циклов.
Таким образом, образование спутника — это динамичный процесс, включающий взаимодействие между системой гравитации, аккрецией и реализациями, что делает каждую луну уникальную в своих историях и характеристиках.
Один из завораживающих процессов, связанных со спутниками, который мы можем наблюдать и сегодня - приливной захват. Это явление, при котором спутник, например Луна, всегда обращён к своему центральному телу (в данном случае к Земле) одной и той же стороной. Это состояние возникает в результате гравитационного взаимодействия между двумя телами и является следствием приливных сил.
Рассмотрим этот механизм более подробно. Под воздействием каких сил происходит этот процесс?
Гравитационные силы: Луна и Земля взаимно притягивают друг друга. Однако сила притяжения на поверхности Земли отличается от силы в её центре, что приводит к образованию приливов. Вода и атмосфера Земли подвержены более значительным деформациям, чем твёрдые породы.
Приливные силы: Эти силы вызывают неравномерное распределение массы Луны, что приводит к её деформации и замедлению вращения. В процессе эволюции Луны её вращение замедлялось до тех пор, пока период её вращения не совпал с периодом обращения вокруг Земли.
Синхронное вращение: В результате приливного захвата Луна совершает один полный оборот вокруг своей оси за то же время, которое требуется для её обращения вокруг Земли (около 27,3 дней). Это означает, что с Земли всегда видна лишь одна сторона Луны.
Яркий пример приливного захвата — это система Земля-Луна. Луна всегда повёрнута к Земле одной стороной, что делает её видимой только с одной стороны.
Взаимный приливный захват наблюдается также в системе Плутон-Харон. Оба тела находятся в синхронном вращении, благодаря чему они всегда обращены друг к другу одной стороной.
Последствия приливного захвата:
-
замедление вращения (приливные силы приводят к замедлению вращения планеты или спутника. Например, вращение Земли замедляется под воздействием Луны);
-
стабилизация орбит (приливной захват может способствовать стабилизации орбит спутников и уменьшению их колебаний по сравнению с экваториальной плоскостью).
Таким образом, приливной захват является важным аспектом небесной механики, который влияет на движение и взаимодействие тел в космосе.
Выводы
Проанализировав источники информации о появлении объектов космоса и их движении в разное время образования галактик и солнечных систем, мы изучили всевозможные вариации рассматриваемого движения, описали основные характеристики, рассмотрели следствия воздействия сил на объекты глубокого космоса и солнечной системы.
В качестве дополнительной информации был рассмотрен приливной захват Луны и Земли, мы узнали о причинах одностороннего вида Луны.
Цели нашего проекта были достигнуты. В ходе проектной работы мы подтвердили гипотезу, что объекты космоса движутся в соответствии с законами математики и физики, а также произвести расчёт этого движения объектов можно в любой момент времени.
В качестве продукта я решил создать карточки для использования на урокахфизикив6 класса, которые помогли бы поднять мотивацию к изучению астрономии моих одноклассников и других обучающихся школ. Надеюсь им будет интересно решать данные задачи, которые я придумал сам, на основе моего проекта.
Задачи представлены ниже в приложении.
Список литературы:
-
Стивен Хокинг «О Вселенной в двух словах», АСТ, 2021
-
Стивен Вайнберг «Первые три минуты», Эксмо, 2010
-
Ричард Фрейман «Характер физических законов»,АСТ, 2016
-
Брайн Грин «Элегантная Вселенная», Либроком,2017
-
Зак Скотт «Вселенная. Краткая история космоса: от солнечной системы до темной материи», КоЛибри, 2024
-
Prokosmos.ru
-
Nuclphys.sinp.msu.ru
-
Science.nasa.gov
Приложение.
Задача 1.
Космический корабль движется со скоростью 25 000 км/ч. Если он находится на расстоянии 300 000 км от Земли, сколько времени ему понадобится, чтобы долететь до планеты?
Вопросы для решения:
Время полёта: Сколько часов понадобится космическому кораблю, чтобы долететь до планеты?
Расстояние за час: Какое расстояние космический корабль преодолевает за один час?
Скорость в км/мин: Какова скорость космического корабля в километрах в минуту?
Задача 2.
Космическая станция имеет запас воздуха, рассчитанный на 1200 человеко-часов. Если на станции наблюдают 8 астронавтов, и они потребляют кислород в течение 120 часов, какую часть от общего запаса кислорода они израсходовали?
Вопросы для решения:
Общее количество человеко-часов, использованных астронавтами: Сколько человеко-часов кислорода израсходовали астронавты за 120 часов?
Доля израсходованного кислорода: Какая часть из общего запаса кислорода была израсходована?
Задача 3.
Космический корабль приземляется на поверхность планеты с плотной атмосферой. Масса космического корабля составляет 50 000 кг, а площадь его опор на поверхности планеты равна 10 м². Если ускорение свободного падения на этой планете составляет 8 м/с², какое давление окажет космический корабль на поверхность планеты?
Вопросы для решения:
Вес космического корабля: Какой вес имеет космический корабль на поверхности планеты?
Давление на поверхность: Какое давление оказывает космический корабль на поверхность планеты?
Задача 4.
Космический корабль обнаружил на поверхности луны астероид небольшого металлического объекта. Масса объекта составляет 120 кг, объём — 0,015 м³. Какова плотность этого металлического объекта? Сравните её с плотностью свинца, которая составляет примерно 11 г/см³ или 11 340 кг/м³.
Вопросы для решения:
Плотность металлического объекта: Как определить обнаруженный объект?
Сравнение с плотностью свинца: Чем плотность объекта отличается от плотности свинца?
Для удобство учителей и интересующихся астрономией задачи представлены в виде красочных красивых карточек, готовых для раздачи ученикам.
Спасибо за внимание.