Методы изучения мегамира кратко
Обновлено: 05.07.2024
Схема 47. Структура Мегамира.
| Мегамир (космос) Системная организация коэволюции материи, фундаментальных взаимодействий и пространства-времени на основе астрофизических, космологических и космогонических теорий и экспериментальных (астрономических) исследований. |
1. Обычная материя – 4-5% всей материи в Мегамире (во Вселенной)
2. Темная материя – 23% всей материи в Мегамире (во Вселенной)
3. Темная энергия (энергия вакуума или космологическая постоянная) – 73% всей материи в Мегамире (во Вселенной).
В рамках выделения Мегамира, как возможно одной из частей Гипермира, мы под Вселенной будем понимать объект космологии Мегамира, т.е. ту часть материального мира, которая на данном уровне познания доступна астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию.
Итак, космология – это наука, целью которой является изучение и представление о Вселенной как едином целом.
Космогония – наука, изучающая происхождение небесных тел и систем от Солнечной системы до звезд, галактик и скоплений галактик.
Для наглядного модельного представления о масштабах нашей Галактики и Метагалактики представим их схематически (см. схему 48) с указанием удаления некоторых космических объектов от Солнца. Масштаб соответствующей модели: м (боровский радиус): м (радиус Земной орбиты) = . При этом Вселенная в рамках Метагалактики включает в себя ÷ Галактик, в каждой из которой находится 10 11 звезд.
Схема 48. Модель Галактики и Метагалактики
Галактика в этом масштабе:
v Расстояние до ближайшей звезды Проксима 0,014 мм;
v Расстояние до центра Галактики около 10 см;
Размеры нашей звездной системы будут около 35 см;
v Диаметр Солнца будет 0,0046 Å
(ангстрем – единица длины, равная 10 -8 см).
Наша, наиболее важная для нас, Галактика носит название Млечный путь и состоит из более чем 100 млрд. звезд. Диаметр нашей Галактики настолько велик, что человеку, даже если бы он мог перемещаться со скоростью света ( м/с), понадобилось бы 100000 лет для того, чтобы пересечь ее. Если перевести реальные размеры Галактики в привычные для макромира километры, то ее диаметр составляет приблизительно один квинтиллион (10 18 ) километров. Среднее расстояние между звездами внутри нашей Галактики составляет около 60 триллионов (60×10 12 ) километров.
В связи с огромными масштабами вводят новые астрономические единицы: астрономическая единица, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца – 1 а.е.=1,50×10 11 м; световой год, т.е. расстояние, которое проходит свет в вакууме за один земной год – 1 св. год = 6, 32×10 4 а.е. = 9,46×10 15 м; парсек – 1 пс. = 3,2 св. лет = 2,06×10 5 а.е. = 3,09×10 16 м.
Время жизни нашей Вселенной и соответственно Метагалактики, т.е. то, что люди называют возрастом Вселенной, это примерно 13,7 миллиарда лет с точностью до …, пожалуй, лучше чем 10%. Размер Метагалактики, т.е. наблюдаемой части Вселенной, казалось бы можно определить, исходя из того, что свет путешествовал к нам 13,7 млрд. лет, значит это надо умножить на скорость света ( м/с) и получится расстояние, на котором мы якобы сейчас видим объекты Вселенной. На самом деле мы видим в несколько раз дальше, чем получим в результате (около 1,6 млрд световых лет), потому что те объекты, которые послали к нам свет 13,7 млрд лет назад, они сейчас от нас находятся дальше, так как Вселенная расширяется. Реальные, т.е. наблюдаемые размеры Метагалактики около 20 млрд. световых лет.
Схема 49. Виды звезд и их краткие характеристики.
| v Красные карлики - звезды, диаметр которых в 2-3 раза меньше диаметра Солнца, их средняя плотность в 4-5 раз больше плотности Солнца. |
| v Белые карлики – электронные постзвезды: масса такого типа звезды порядка массы Солнца, а радиус – 0,01 радиуса Солнца. Плотность 10 г/см 3 |
| v Красные гиганты – звезды большой светимости: диаметр их в сотни раз больше диаметра Солнца; плотность в тысячи раз меньше плотности воздуха. |
| v Черные дыры – звезды, сжатые до величины гравитационного радиуса (радиуса сферы Шварцшильда: , - гравитационная постоянная, - скорость света) – для Солнца 3 км. В них вещество находится в состоянии сингулярности (плотность выше 10 74 г/см 3 ). |
| v Нейтронные – звезды, состоящие из огромного сгустка нейтронов; силы гравитации разрушили в них сложные ядра, и вещество снова стало состоять из отдельных элементарных частиц. Масса их близка к массе Солнца, радиус 1/50000 от солнечного (10-30 км), плотность до 10 14 г/см 3 . |
| v Пульсары – пульсирующие космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучений. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов – 0,03-4с; у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более. |
| v Квазары – квазизвездные источники радиоизлучения; космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров. Отдаленность от Солнца несколько тысяч мегапарсек. Это образования окраин Вселенной. Они излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики. Масса ядра 10 3 -10 9 масс Солнца; размеры 10 16 -10 17 см. |
При этом нас, прежде всего, интересует эволюция Солнца (см. схему 50).
Схема 50. Эволюция звезд главной последовательности (варианты развития).
Наше Солнце является малой звездой главной последовательности согласно классической диаграммы Герцшпрунга-Ресселла. С эволюцией Солнца взаимосвязана и эволюция Солнечной системы, модель которой приведена на схеме 51.
Схема 51. Модель Солнечной системы
Примечание: В 2006 г. на съезде астрономов было принято отнести планету Плутон, имеющую массу, равную 0,002 массы Земли, к астероидам.
Солнце можно структурно разделить на несколько слоев. В центре расположено ядро, именно здесь происходят термоядерные реакции, температура ядра равна примерно 14 млн. градусов, плотность кг/м 3 , ядро окружает радиоактивная зона. За ней следует конвективная зона. Далее идут фотосфера и хромосфера и, наконец, солнечная корона. Видимой с Земли является фотосфера, именно на ней можно наблюдать солнечные пятна с наличием в них сильных магнитных полей. Хромосфера представляет собой очень плотную солнечную атмосферу и в ней возникают протуберанцы – часто светящиеся выбросы водорода, свидетельствующие о солнечной активности. Солнечная корона – более разряженные слои солнечной атмосферы, но с достаточно высокой температурой от 1 до 2 млн. градусов, хотя температура на самой поверхности Солнца примерно 10 тыс. градусов.
Характерно, что из всех планет Солнечной системы только на Земле в результате ее эволюции образовалось поистине фантастическое разнообразие живых существ и самое удивительное появился биосоциокультурный вид – человек разумный (Homo sapiens).
Слабый антропный принцип утверждает, что наблюдаемые свойства Вселенной зависят от человека как наблюдателя, то есть Вселенная такая потому, что мы ее такой видим.
Представляет очевидный интерес предсказание эволюции нашей Вселенной, Галактики – Млечный путь, Солнца и Земли в будущем.
Из этого выражения найдем , т.е. такое значение плотности при котором , т.е. вселенная не расширяется, как при , и не сжимается, как при . Подставив в выражение (1) известные значения (км/с)/10 6 световых лет и м 2 /кг×с 2 , получаем значение критической плотности кг/м 3 . Самое удивительное, что с учетом плотностей видимой материи 10 -34 кг/м 3 , а также плотностей темной материи и темной энергии, мы получаем значение кг/м 3 , т.е. совпадающее с критической плотностью . Более того, ряд ученых считает, что плотность материи всегда была равна . Таким образом, предсказать будущее сжатие или расширение Вселенной, исходя из закона Хаббла, достаточно сложно.
В процессе эволюции Вселенной особая роль принадлежит плотности темной энергии, которая играет роль космологической постоянной в гравитационном уравнении Эйнштейна, задавая, как стало ясно, совместно с темной материей определенную стабильность (статичность) галактик, в том числе и нашей галактики – Млечный путь. Так темная материя, благодаря своей гравитации способствует современному положению галактик, а самое главное, и галактических объектов.
Темная энергия усиливает темп расширения Вселенной за счет антигравитации, но одновременно являясь алгебраической суммой энергий всех вакуумных подсистем, очевидно, не изменяет своей плотности, т.е. антигравитация препятствует изменению объема (гравитационному коллапсу) физического вакуума. Методом астрономических наблюдений изучалось влияние темной энергии на движение галактик и их скоплений. Обнаружена удивительная корреляция между плотностью темной энергии (энергией вакуума) и видимой материей в мире. Если бы Вселенная продолжала очень быстро расширяться как в эпоху Большой Космической инфляции, когда, по мнению ряда ученых, произошло отделение антигравитации, т.е. получила простор темная энергия, то галактики, звезды и планеты не успели бы сформироваться. Вещество такой Вселенной находилось бы в состоянии разряженного газа, и человеку места в ней не было бы.
Если бы не произошел наблюдаемый в наше время переход от замедленного расширения к ускоренному, то мы получили бы космос, состоящий не из звезд и планет, а из одних черных дыр. В такой Вселенной человек тоже не мог бы существовать.
На данном этапе расширения Вселенной с ускорением, нашей Галактике – Млечный путь - ничто не угрожает, ее стабильность обеспечивает темная материя. Единственное, что представляется возможным в диапазоне десятков миллиардов лет, это столкновение нашей Галактики и Галактикой Андромеды. Последующие самые экзотические сценарии эволюции нашей Вселенной настолько удалены по времени, что они представляют исключительно научный, но не утилитарно-практический интерес.
Нас же в практическом плане должна интересовать эволюция Солнца (см. схему 51.) и связанная с ней эволюция всей Солнечной системы, которой предстоит еще долгий стабильный период не менее 3-4,5 млрд. лет.
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Что понимают под Вселенной? Что такое макромир, наномир, микромир и мегамир и каковы их масштабы? С помощью каких средств изучаются различные объекты Вселенной? Чем ограничены наши возможности при изучении объектов Вселенной? Как знания о различных объектах Вселенной могут быть наглядно представлены?
Глоссарий по теме:
Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих сохранение его основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Масштаб – отношение двух линейных размеров. Отношение натуральной величины объекта к величине его изображения.
Мегамир (от греч. μέγας – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет (звезды, черные дыры, звездные скопления, галактики, скопления галактик).
Макромир (от греч. μάκρος – большой) – структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с масштабами жизни на Земле (доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств).
Микромир (от греч. μικρός – малый) – структурная область Вселенной, объекты которой имеют размеры порядка 10 -8 м и меньше (молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы).
Наномир (от греч. μικρός – карлик) – пограничная область микромира, особые структуры которого характеризуются размерами объектов порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м), что соответствует размерам молекул и атомов.
Световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год (9,46∙10 12 км).
Астрономическая единица (а.е.) – расстояние, равное среднему расстоянию Земли от Солнца (149,6 млн. км).
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
1. Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 44-49.
2. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие в глубь материи. Механическая картина мира / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 102-103, 126, 212-216, 234-235, 274-279.
3. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 267-270.
4. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 209-211.
Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии)
Новая философская энциклопедия. Вселенная. URL:
Физический энциклопедический словарь. Космология. URL:
Химия и жизнь. – 2017. – №5. URL:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Наука изучает самые разные объекты материального мира: от звезд, удаленных от нас на десятки световых лет, до атомов, размеры которых составляют сто миллионные доли сантиметра. Как же можно систематизировать знания о столь разных объектах природы?
Окружающий нас материальный мир очень разный, его объекты могут очень сильно отличаться по своим пространственно-временным характеристикам. Доступные нашим органам чувств объекты принято называть макромиром, например, Земля и ее окрестности, человек, животные, растения. Звезды и их скопления, галактики, имеющие гигантские размеры и удаленные на огромные от нас расстояния, образуют мегамир. Мельчайшие объекты, такие как атомы и элементарные частицы, составляю микромир.
Все это многообразие существующих вокруг нас материальных объектов принято называть Вселенной. Разнообразные структуры Вселенной различаются не только своими пространственно-временным характеристикам, но и образующими их структурными элементами и закономерностями своего существования и развития. Используя различные средства и методы исследования, наука сначала получает знания об отдельных структурах Вселенной, а затем эти знания систематизирует.
Рассмотрение Вселенной как сложно организованной системы позволяет выделить в ней отдельные структурные области: мегамир, макромир и микромир. Сразу отметим, что границы между этими мирами достаточно условны.
Наглядное представление о размерах объектов макро-, мега и микромира можно получить, если мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу во много раз.
Если для примера взять сферу радиусом 10 см, объекты такого размера относятся к макромиру, и увеличить ее в миллиард раз, то получим сферу радиусом 100 000 км. 100 000 км это приблизительно четверть того расстояния, на которое Луна удалена от Земли. Спутник нашей планеты – Луна (средний радиус около 1,7 тысяч км), и остальные небесные тела Солнечной системы (несмотря большую удаленность от Земли) достаточно хорошо изучены.
В сферу этих размеров попадает большое число объектов макромира. Так средний радиус планеты Земля около 6,4 тысяч км, ее газовая оболочка – атмосфера, простирается на расстояние 100 км от ее поверхности. Водная оболочка Земли – мировой океан, занимает площадь 361,1 миллионов квадратных километров, что составляет более 70% земной поверхности.
Нашу планету населяет огромное число живых организмов, многообразие которых представлено миллионами видов. Размеры их варьируются в больших пределах. Так синий кит может достигать в длину более 30 метров и иметь массу полторы сотни тонн. Размеры бактериальных клеток оцениваются микрометрами (тысячные доли миллиметра). Для того чтобы их увидеть необходимо воспользоваться микроскопом. Все живые структуры состоят из веществ, а их существование подчиняется биологическим законам.
Таким образом, макромир – это структурная область Вселенной, объекты которой соизмеримы с жизнью на Земле. Материя на этом структурном уровне Вселенной представлена полем и веществом и организована в различные неживые и живые структуры, существование и развитие которых определяется особенностями их организации.
Обратимся теперь к обсуждению космических размеров. Земля находится от Солнца в среднем на расстоянии 149,6 млн. км. Это расстояние в астрономии принимается за 1 астрономическую единицу (а.е.). Самая дальняя планета Солнечной системы – Нептун находится от Солнца на расстоянии около 30 а.е. Размеры Солнечной системы и расстояния, на которых находятся ближайшие к нам звезды, будут составлять уже сотни тысяч астрономических единиц.
Для таких больших расстояний используют световые единицы. Эти единицы показывают, сколько времени потребуется свету, чтобы пройти определенное расстояние. 1 световой год равен приблизительно 9,46∙10 12 км. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 минут. Размер Солнечной системы оценивается примерно в 2 световых года. Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра, расположена на расстоянии более 4 световых лет.
Космическое пространство в радиусе 10 14 км или 10 световых лет от Солнца содержит около десятка звезд. Расстояния до них, а также их возраст, массы, размеры, состав, температуры поверхностей, светимость ученые уже определили достаточно точно. Размеры в десятки световых лет – это масштабы мегамира. Так, размер нашей галактики Млечный путь составляет около 100 тысяч световых лет (диаметр). Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако – галактики, которые находятся от нашей галактики на расстоянии 160 тысяч световых лет. Расстояние до еще одной из близких к нам галактик – галактики Андромеды составляет около 2,5 миллионов световых лет. Размеры галактик измеряются десяткам – сотнями тысяч световых лет, массы составляют от 10 7 до 10 12 масс Солнца (масса Солнца равна около 2∙10 30 кг).
Граница наблюдаемого мегамира находится от нас на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Согласно общепринятой гипотезе возраст нашей Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, поэтому свет от объектов, удаленных более чем на 14 миллиардов световых лет, ещё до нас не дошёл, и наблюдать такие объекты невозможно.
Таким образом, структурные уровни мегамира – звезды и звездные скопления, галактики, скопления галактик. Это структуры огромных размеров, масс и энергий, их движение определяется гравитационным взаимодействием и описывается законами общей теории относительности.
Рассмотрим теперь объекты микромира. Если уменьшить сферу радиусом 10 см в миллиард раз, то получим размер, соответствующий 10 -8 см (10 -10 м). Такие размеры соответствуют молекулам и атомам. Увидеть объекты такого размера с помощью микроскопа невозможно, т. к. длина волны видимого света находится в диапазоне в тысячи раз превышающем их размеры. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Приведем численные значения радиусов некоторых атомов. Так радиус атома водорода составляет около 5,3∙10 -11 м, радиус атома углерода равен 7,7∙10 -11 м, радиус атома железа равен 1,28∙10 -10 м. Размеры атома определяются размером его электронной оболочки.
Электрон имеет двойственную природу, обладает свойствами и частицы – заряд (-1,6∙10 -19 Кл), масса (9,109∙10 -31 кг), и волны (длина волны, частота). Волновая природа электрона проявляется в способности к дифракции и интерференции. Энергия электрона в атоме изменяется дискретно. Волновая природа электрона не позволяет говорить о траектории его движения. Состояние электронов в атоме описывается законами квантовой механики.
Нахождение электрона в атоме описывают как электронное облако определенной формы. Электронные облака изображают с помощью моделей – атомных орбиталей различной формы. Электронная конфигурация атомов (распределение электронов по орбиталям) определяет его химические свойства. Атомы могут соединяться, образуя большое разнообразие более сложных структур, существование которых обусловлено химической связью, имеющей электростатическую природу. Оценить размеры молекул можно по длинам связей (расстояние между центрами атомов, связанных химической связью). Так, например, в молекуле водорода Н2 длина связи составляет 7,4∙10 -11 м. В молекуле воды Н2О расстояние между центрами атомов кислорода и водорода составляет около 10 -10 м.
Более сложные молекулы, например, фуллеренов С60 и С70 имеют диаметр 7,1∙10 -10 и 7,8∙10 -10 м. Атомы могут соединяться в еще более крупные молекулы и образовывать длинные цепочки полимеров. Размеры таких молекул могут достигать нескольких сотен нанометров. Например, длина молекулы мышечного белка миозина составляет около 200 нм. С помощью электронного микроскопа была установлена форма молекул миозина, а рентгенограмма показала его вторичную структуру. Самые небольшие молекулы нуклеиновых кислот вирусов, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов, могут достигать в длину несколько сотен нанометров. Диаметр ДНК составляет около 2∙10 -9 м, а длина у разных организмом может быть в тысячи – миллионы раз больше.
Последние десятилетия активно развиваются прикладные исследования структур, размеры которых находятся в интервале 1 – 100 нанометров. Результаты изучения фуллеренов, фуллеритов, углеродных нанотрубок, молекул белков, нанокристаллов, кластеров, тонких пленок и других структур размером от 10 -9 до 10 -6 м лежат в основе современных нанотехнологий. Мир объектов таких масштабов стали называть наномиром
Вернемся к строению атома. Ядро атома имеет размеры порядка 10 -15 м и состоит из нуклонов, протонов и нейтронов. Их массы составляют 1,673∙10 -27 кг и 1,675∙10 -27 кг соответственно. Существование протонов и нейтронов в ядре определяется сильным взаимодействием, которое может проявляться только на таких малых расстояниях. Протоны и нейтроны, как и другие объекты микромира, обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Нейтроны и протоны не являются элементарными частицами и в своем составе имеют еще более мелкие частицы – кварки, размер которых оценивается уже в 10 -18 м. Размеры такого порядка соответствуют масштабам электрона. Проникнуть еще глубже в микромир ученые еще не могут. Современные способы изучения структур микромира основаны на наблюдениях за столкновениями между различными частицами. Чем меньше частица, тем больше энергии ей нужно сообщить. Эта энергия сообщается частицам при разгоне на ускорителях. Причем, чем больше энергии требуется, тем больше должен быть размер ускорителя. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров (например, Большой адронный коллайдер), однако даже этих размеров недостаточно для проникновения в структуры объектов порядка 10 -18 – 10 -19 м, размер необходимых для этого ускорителей сопоставим с размерами земного шара.
Все современные методы исследования объектов различного масштаба основываются на использовании сложнейших приборов. Современные электронные микроскопы, использующие вместо света пучок электронов, позволяют получить изображения, где различимы отдельные атомы. Для изучения объектов мегамира используются, например, различные телескопы (оптические, радиотелескопы, космические телескопы) и межпланетные станции. В современных оптических телескопах размер зеркала может достигать 10 м. Главное зеркало космического телескопа Хаббла имеет диаметр 2,4 м. А рефлекторное зеркало радиотелескопа РАТАН-600 составляет 576 м.
Резюме теоретической части: Под Вселенной понимается всё многообразие окружающего материального мира. Во Вселенной можно выделить структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, наномир, микромир. Объекты макромира соизмеримы с масштабами жизни на Земле и доступны человеку для наблюдения с помощью органов чувств. Объекты мегамира в силу большой удаленности и огромности размеров и объекты микромира из-за чрезвычайно малых размеров и особенностей организации недоступны непосредственному восприятию человека и требуют специальных средств и методов изучения. Изобретение телескопа и микроскопа положило начало созданию средств исследования природных объектов, непосредственное изучение которых человеком затруднено в силу или большой удаленности или малых размеров. Современные электронные телескопы и микроскопы наряду с другими сложными приборами, такими, например, как Большой адронный коллайдер, являются важными средствами изучения удаленных и мельчайших структур Вселенной. На современном этапе развития науки границы наблюдаемого мегамира находятся на расстояниях около 10 миллиардов световых лет от Земли, а познания микромира ограничены размерами порядка 10 -18 м, что соответствует размерам электрона. Систематизация научных знаний и наглядное их представление является одной из важных задач науки.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Укажите верные утверждения:
Утверждение
Правильный ответ и пояснение
А. Вселенная – это все материальные объекты, окружающие нас.
Правильное утверждение. Вселенная – весь существующий материальный мир, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
Б. Мегамир, макромир и микромир резко разграничены между собой.
Неправильное утверждение. Во Вселенной можно выделить некоторые структурные области, объекты которой различаются масштабами и закономерностями своего существования: мегамир, макромир, микромир. Границы между этими мирами достаточно условны.
В. Особые структуры микромира, лежащие в основе нанотехнологий, можно назвать наномиром.
Правильное утверждение. Появление нового направления в науке – нанотехнологий, связано с развитие прикладных исследований особых объектов размерами порядка 1 – 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Размеры наноструктур соответствуют размерам молекул и атомов. Для обозначения таких структур стали использовать понятие наномир.
Г. С помощью современных приборов мы можем непосредственно увидеть строение атомов и молекул.
Неправильное утверждение. Непосредственно увидеть строение атомов и молекул невозможно. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, на основании которых и создаются модельные образы.
Д. Масштабы мегамира настолько огромны, что для их описания вводят специальную величину – световой год.
Правильное утверждение. Мегамир – структурная область Вселенной, объекты которой характеризуются огромными масштабами, измеряемыми десятками – миллиардами световых лет. Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год и соответствует 9,46∙10 12 км
2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго. Правильный ответ:
Особенности структурной области Вселенной
Структурная область Вселенной
Преимущественным взаимодействием в этой структурной области Вселенной является гравитационное взаимодействие, описываемое законами общей теории относительности.
Основными фундаментальными взаимодействиями в данной структурной области Вселенной являются гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Ключевую роль в данной области Вселенной играют электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
УРОК 16. СРЕДСТВА ИЗУЧЕНИЯ МИКРОМИРА И МЕГАМИРА
Цель урока: обобщить и закрепить знания учащихся об инструмен- тальных методах изучения объектов мега- и микромира.
Планируемые результаты обучения
Личностны е: учащиеся понимают значение таких приборов, как микроскоп и телескоп, в изучении природы объектов микромира и мегамира.
регулятивные учебные действия — учащиеся умеют самостоятель- но определять цели своей познавательной деятельности и составлять план практических действий;
познавательные учебные действия — учащиеся умеют: анализиро- вать особенности устройства телескопа и микроскопа, рассчитывать оптические характеристики глаза, микроскопа и телескопа;
коммуникативные учебные действия — учащиеся умеют продук- тивно общаться и взаимодействовать с одноклассниками при выпол- нении заданий в группе.
Оборудование: школьный лабораторный микроскоп (например, из кабинета биологии); школьный телескоп. При отсутствии таковых необходимо подготовить наглядные пособия в виде плакатов, муль- тимедийных проекций и др. Подготовить материал о современных микроскопах, телескопах, принципах их действия, об их использо- вании. Целесообразно перед занятием посетить планетарий, обсерва- торию или любое другое учреждение, где учащиеся могли бы полу- чить необходимую информацию по теме данного урока.
Предполагаемый ход урока
В начале урока учитель обращает внимание учащихся на то, что значительную часть информации об окружающем мире мы получаем посредством зрения, что глаз человека — это простейший оптиче- ский прибор. Далее он напоминает, что такое тонкая собирающая и тонкая рассеивающая линзы, фокусное расстояние и принцип по- строения изображения в таких линзах. Обязательно акцентирует внимание школьников на понимании того, что такое разрешение гла- за (здесь речь идёт об угловом разрешении).
Для выполнения задания 1 важно подчеркнуть, что Dх — это линейный размер. Здесь используется геометрия (Dx/L = j) и поня- тие малого угла, когда длина хорды (Dх) сравнима с длиной дуги, на которую опирается угол (j). При выполнении этого задания не- обходимо обсудить и использовать рисунок к данному параграфу.
Итогом работы над заданием должно стать понимание учащимися того, что такое угол зрения на предмет (j), и того, что разрешение оптического прибора зависит от угла зрения. Чтобы разглядеть пред- мет, надо увеличивать угол зрения.
При выполнении задания 2 учащиеся рассматривают устрой- ство школьного микроскопа, называют его основные элементы, из- учают и обсуждают оптическую схему микроскопа.
Далее целесообразно перейти к выполнению задания 4. Это об- условлено тем, что задания 3 и 5 носят скорее ознакомительный ха- рактер, в то время как задания 1, 2 — практический. Необходимо рассмотреть устройство телескопа хотя бы на рисунке. Следует от- метить, что в простейшей системе Галилея фокус объектива совпада- ет с фокусом окуляра (см. подсказку в учебнике). Это даёт возмож- ность достаточно просто рассчитать увеличение телескопа по приведённой формуле. Весьма полезно завершить работу над этим заданием обсуждением того, как в этой системе происходит увеличе- ние угла зрения.
Для выполнения заданий 3 и 5 можно разделить класс на две или более групп, снабдив их соответствующими дополнительными ма- териалами. Если такие материалы не собраны заранее, то можно вос- пользоваться соответствующими текстами учебника. Задача групп: объ- яснить назначение и принцип действия рассматриваемых приборов.
В конце урока — подведение итогов. Учащимся предлагается за- полнить следующую таблицу:
Параметры Глаз Микроскоп Телескоп
Наблюдаемый мир Макро- Микро- Мега-
Возможен и другой вариант проведения урока.
Если посещение учреждений, где учащиеся могли бы получить необходимую информацию по теме данного урока, и использование
оборудования невозможны, целесообразно заранее разделить класс на три группы. Далее следует организовать коллективную творческую работу в группах по поиску, сбору и подготовке информации по со- ответствующим заданиям (глаз, микроскоп и телескоп) и провести работу с этим материалом. В этом случае работа класса в течение урока будет проходить по группам.
1. Ответить письменно на вопросы в начале § 16.
Что понимают под Вселенной? Что такое микромир, макромир и мегамир и каковы их масштабы? Чем ограничены наши возможности при изучении больших масштабов мегамира и мельчайших масштабов микромира?
Урок-лекция
Образ вселенной. Под Вселенной понимают совокупность всех объектов, которые так или иначе наблюдаются человеком. Из них лишь немногие доступны для наблюдения с помощью органов чувств. Эту часть мира называют макромиром. Мельчайшие объекты (атомы, элементарные частицы) составляют микромир. Объекты, имеющие гигантские размеры и удаленные от нас на очень большие расстояния, называют мегамиром.
Сальвадор Дали. Ядерный крест
Масштабы миров. Границы между этими мирами достаточно условны. Чтобы наглядно представить объекты макромира, микромира и мегамира, будем мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу в большое число раз.
Начнем со сферы радиусом 10 см. Это типичный размер объекта макромира. Чтобы достаточно быстро добраться до границ познанного мира, нам придется увеличивать и уменьшать сферу во много раз. Возьмем в качестве такого большого числа миллиард.
1. Увеличив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 100 000 км. Что это за размеры? Это приблизительно четверть расстояния от Земли до Луны. Такие расстояния вполне доступны для передвижения человека; так, астронавты уже побывали на Луне. Все, что имеет размеры такого порядка, следует отнести к макромиру (рис. 8).
Рис. 8 Масштабы макромира
2. Сделав увеличение еще в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 14 км. Это. конечно же, астрономические размеры. В астрономии для удобства измерения расстояний используют световые единицы, которые соответствуют времени, необходимому свету, чтобы преодолеть определенное расстояние.
Что же представляет собой сфера радиусом 10 св. лет? Расстояние до ближайшей к нам звезды равно примерно 4 св. года. (Солнце, конечно, тоже одна из звезд, но в данном случае мы его не рассматриваем.) Сфера радиусом 10 св. лет, центр которой находится на Солнце, содержит около десятка звезд. Расстояние в несколько световых лет уже недоступно для перемещения человека. При достижимых для человека скоростях (около 30 км/с) добраться до ближайшей звезды можно примерно за 40 ООО лет. Каких-то иных мощных двигателей, например работающих на основе ядерных реакций, в настоящее время не существует даже в проекте. Так что в обозримое время человечество вынуждено мириться с тем, что перемещение на звезды невозможно.
Конечно же, расстояние в 10 св. лет относится уже к мегамиру. Тем не менее это ближний к нам космос. Мы достаточно много знаем о ближайших к нам звездах: довольно точно измерены расстояния до них, температура их поверхности, определены их состав, размеры и масса. У некоторых звезд обнаружены спутники — планеты. Данные сведения получены при изучении спектров излучения этих звезд. Можно сказать, что сфера радиусом 10 св. лет достаточно хорошо изученный космос.
Несложно рассчитать, сколько километров составляет световой год: 1 св. год = 300 000 км/с х 3600 с х 24 ч х 365,25 сут. = 9 467 280 000 000 км ≈ 10 13 км. Таким образом, 10 14 км ≈ 10 св. лет.
3. Сделав очередное увеличение в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 млрд св. лет. Именно на таком расстоянии от нас находятся самые отдаленные объекты, которые мы способны наблюдать. Мы получили, таким образом, сферу, в которой лежат все наблюдаемые нами объекты Вселенной. Заметим, что объекты, находящиеся от нас на таком огромном расстоянии, — это очень яркие светила; звезда, сравнимая с Солнцем, не была бы видна даже в самые мощные телескопы.
Что находится за пределами этой сферы, сказать трудно. Общепринятая гипотеза говорит, что мы вообще не можем наблюдать объекты, удаленные от нас на расстояния более 13 млрд св. лет. Этот факт связан с тем, что наша Вселенная родилась 13 млрд лет тому назад, поэтому свет от более удаленных объектов просто еще не дошел до нас. Итак, мы добрались до границ мегамира (рис. 9).
Рис. 9. Масштабы мегамира
Граница наблюдаемой нами Вселенной находится на расстоянии приблизительно 10 млрд св. лет.
Будем теперь двигаться в глубь микромира. Уменьшив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -8 см = 10 -10 м = 0,1 нм. Оказывается, это характерный для микромира масштаб. Размеры такого порядка имеют атомы и простейшие молекулы. Микромир такого масштаба достаточно хорошо изучен. Мы знаем законы, описывающие взаимодействия атомов и молекул.
Объекты такого размера недоступны для наблюдения невооруженным глазом и даже не видны в самые мощные микроскопы, поскольку длина волны видимого света лежит в диапазоне 300—700 нм, т. е. в тысячи раз превосходит размеры объектов. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, в частности по спектрам атомов и молекул. Все картинки, на которых изображены атомы и молекулы, есть плоды модельных образов. Тем не менее можно считать, что мир атомов и молекул — мир размером порядка 0,1 нм — уже достаточно хорошо изучен и каких-то принципиально новых законов в этом мире не появится.
Конечно же, этот мир еще не предел познания; например, размеры атомных ядер примерно в 10 000 раз меньше. Уменьшив сферу радиусом 0,1 нм в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -17 см, или 10 -19 м. Мы фактически достигли пределов познания. Дело в том, что размеры мельчайших частиц вещества — электронов и кварков (о них будет рассказано в § 29) — имеют порядок величины 10 -16 см, т. е. немного больше, чем наша сфера. Что находится внутри электронов и кварков, или, иначе говоря, являются ли электроны и кварки составными частицами, в настоящее время неизвестно. Возможно, что размер 10 -17 см уже не соответствует какой-либо реальной структурной единице вещества.
Законы, определяющие движение и структуру материи в масштабах 10 —15 - 10 -16 см, еще не до конца изучены. Современные экспериментальные возможности не позволяют еще глубже проникнуть в микромир.
Какими причинами ограничен наш доступ в более мелкие масштабы? Дело в том, что основным методом изучения структуры микрочастиц является наблюдение за столкновениями между различными частицами. Законы природы таковы, что на малых расстояниях частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому, чем более мелкие масштабы исследуют ученые, тем большую энергию необходимо сообщить сталкивающимся частицам. Эта энергия сообщается при разгоне частиц на ускорителях, причем, чем большую энергию необходимо сообщить, тем больше должны быть размеры ускорителей. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров. Для того чтобы продвинуться еще больше в глубь микромира, необходимы ускорители размером с земной шар.
Итак, теперь вы должны представлять, каким масштабам соответствует микромир (рис. 10).
Читайте также: