Солнце уходит: Что отталкивает Землю? С помощью Меркурия учёные определили скорость потери Солнцем своей массы

Солнце - монетка, - скупой проворчал.
Нет, сковородка! - обжора вскричал.
Нет, каравай, - хлебопек произнес.
Компас, - сказал убежденно матрос.
Солнце - звезда, - астроном объявил.
Доброе сердце - мечтатель решил.

Тема: Источники энергии и внутреннее строение .

Цель: Рассмотреть источник энергии Солнца, термоядерные реакции (протон протонный цикл) и внутреннее строение звезд.

Задачи :
1. Обучающая : Ввести понятия: Солнце как раскаленный плазменный шар, термоядерной реакции, дефекта массы, протон-протонного цикла. Рассмотреть возможность расчета параметров внутреннего строения Солнца с помощью элементарных физико-математических понятий. Дать представление о гелиосейсмологии.
2. Воспитывающая : Содействовать формированию идеи о причинно-следственных связях в природе (на примере рассмотрения цепочки явлений - от превращения в недрах Солнца ядер атомов водорода в ядра атомов гелия до освещения и обогревания Земли светом и теплом Солнца). Подчеркнуть, что Солнце будет еще миллиарды лет обладать такой же светимостью, как сейчас. На примере раскрытия загадки источников солнечной энергии продемонстрировать познаваемость мира и его закономерностей. Подчеркнуть огромное практическое значение для научно-технического прогресса открытия гелия на Солнце и термоядерного источника энергии Солнца.
3. Развивающая : Выделить главное в теме урока: в отличие от планет и их спутников, астероидов и комет Солнце представляет собой самосветящееся небесное тело, излучающее свет и тепло, заинтересовать учащихся соответствующими проблемными ситуациями. На примере источников энергии Солнца продемонстрировать неразрывную связь явлений микро- и макромира.

Знать:
I-й уровень (стандарт) - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение.
II-й уровень - иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.
Уметь:
I-й уровень (стандарт)- производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна.
II-й уровень - производить расчеты энергии по формуле Эйнштейна, примерных параметров давления и температуры с глубиной.

Оборудование: Таблицы: Солнце, строение Солнца. Схема термоядерной реакции. CD- "Red Shift 5.1". ПКЗН. графика из ЦОР (ниже) иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение. иметь представление об источнике неиссякаемой энергии Солнца, внутреннее строение и способы передачи энергии из недр к поверхности.

Межпредметные связи: физика (термоядерные реакции, элементарные частицы, дефект массы, роль гелия в атомной физике, ионизация атомов и др.), химия (элементы периодической системы Менделеева - водород и гелий, а.е.м.), математика (вычисления, необходимые для решения задач).

Ход урока:

I Опрос учащихся.

II Новый материал

1. Источник энергии Солнца.
Излучает L? =3,876 . 10 26 Дж/с -огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение.
В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия. (Ноб. лауреат). Внутри Солнца (звезд) Н ионизирован - т.е. в виде ядер протона 1 1 Н. Двигаясь с очень большими скоростями (при Т>10 млн.К) протоны несколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций такого типа: протон-протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон-протонный цикл:
1 Н+ 1 Н→ 2 D+е + +ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв ).
2 D+ 1 H> 3 He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв ).
3 Не+ 3 Не→ 4 Не+ 1 Н+ 1 Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв) и все снова, т.е. внутри Солнца (звезд) водород выгорает, превращаясь в гелий (из 4 ядер 1 Н образуется ядро 4 Не).
При этом выделяется огромная энергия. Например рассчитаем выделение энергии при "сгорании" 1гр водорода.

Т.к. М ? =2 . 10 30 кг, то Н гореть еще 150 млрд.лет, но горит в центре только 0,1М ? , следовательно еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4 млн.т. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов.

Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца. Нейтринные телескопы имеются в шахте Хоумстейк (штат Южная Дакота, США), в Японии (система "Камиоканде"), на Байкале и другие. В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory) были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна »). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.

2. Внутреннее строение Солнца.

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца? (Решение. При «сгорании» 1 кг водорода выделяется примерно 6,3·10 14 Дж. Масса Солнца 2·10 30 кг. Если принять, что Солнце целиком состоит из водорода, то при сгорании этого количества водорода выделилось бы 12,6·10 44 Дж. Ежегодно Солнце излучает примерно 12,6·10 33 Дж. Следовательно, для поддержания нынешней светимости Солнца водорода хватило бы на 10 11 лет. (Очевидно, что реальное время поддержания нынешней светимости Солнца должно быть меньше полученного значения).

Изменен 10.01.2010 года

Урок 3/20

подробно презентация

Тема: Источники энергии и внутреннее строение Солнца.

Ход урока:

I Опрос учащихся.

II Новый материал.

1. Источник энергии Солнца.

Излучает Lʘ=3,876. 1026 Дж/с –огромнейшие потери энергии. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в излучение? .

В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл) ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия.

Цепочка (цикл) протон-протонный (хотя есть и другие циклы):

1 Н+1Н→2D+е++ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв ).

2 D+1H>3He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв ).

3 Не+3Не→4Не+1Н+1Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв )

При этом выделяется огромная энергия. Рассчет выделение энергии при "сгорании" водорода модно провести, используя формулы.

Т. к. Мʘ=2.1030 кг, то Н гореть еще 150 млрд. лет, но горит в центре только 0,1Мʘ, следовательно еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4 млн. т.

Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца.

2. Внутреннее строение Солнца.

3. Закрепление материала

1. Задача: На сколько худеет Солнце за 1 минуту?

2. Задача: Какая энергия поступает в оз. Песчаное, имеющее площадь 1,2 кв. км, в течение 1 минуты в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 45о, а через атмосферу проходит 80% солнечной энергии? Когда Солнце на этой высоте?

3. Задача: Сравните количество энергии, которое выделяется при вспышке, с количеством энергии, выделяющимся при взрыве мегатонной бомбы (410 Дж).

III. Итог

1. Откуда Солнце черпает неиссякаемый источник энергии?

2. Что такое протон-протонный цикл?

3. Как вычислить излучаемую Солнцем энергию, дефект массы?

4.Что представляет собой внутреннее строение Солнца?

5. Как происходит перенос энергии из недр на поверхность?

6. Оценки.

Дома: §20, вопросы стр. 122, ПР №6

Дополнительно: Какое количество энергии выделилось бы, если бы Солнце целиком состояло из водорода и весь водород превратился бы в гелий? На сколько лет хватило бы водорода для поддержания нынешней светимости Солнца?

Учёные, анализируя орбиту Меркурия, определили скорость потери Солнцем своей массы. Это первое подобное исследование, основанное на наблюдении. Ранее оценки скорости потери массы Солнцем носили лишь теоретический характер.

Наша родная звезда постоянно теряет массу, как и множество других звёзд во Вселенной. Сredit: NASA/SDO.

Для своего исследования учёные выбрали орбиту Меркурия. Это объясняется тем, что орбита Меркурия крайне чувствительна к подобным изменениям. «Меркурий является подходящим объектом для оценки потери массы Солнцем, ведь его орбита весьма чувствительна к гравитационному влиянию и активности нашей звезды», — сказал главный автор нового исследования Антонио Женова из Центра космических полётов Годдарда (NASA). Мало того, длительное время на орбите Меркурия находилась автоматическая межпланетная станция (АМС) NASA «Мессенджер», передавшая людям бесценные научные данные о самой близкой к Солнцу планете. Данные об орбите Меркурия, полученные этой АМС, использовали исследователи в своих расчётах.

Исследование основано на одном интересном феномене. Известно, что со временем орбиты планет Солнечной системы расширяются. Это происходит из-за того, что наша звезда постепенно теряет массу, и её гравитационное влияние ослабевает. Проанализировав движение Меркурия и учтя вклады гравитационного воздействия со стороны объектов Солнечной системы на это движение и других влияющих на него факторов, учёные смогли оценить расширение орбиты планеты за счёт потери массы Солнцем. На основе этих данных стало понятно, с какой скоростью наша звезда теряет массу.

Результаты исследования очень близки к теоретическим расчётам, а также помогли уточнить их. Новые данные оказались слегка меньше теоретических вычислений, но имеют меньшую неопределенность. Итак, скорость потери массы Солнцем составляет примерно один процент от исходной в течение 10 миллиардов лет. Этого достаточно для ослабления гравитационного влияния нашей звезды настолько, чтобы орбиты планет Солнечной системы начали расширяться со скоростью 1,5 сантиметра в год на одну астрономическую единицу. Это достаточно малая величина, и такое расширение почти не влияет на физические условия поверхностей или атмосфер планет, к примеру.

Но как Солнце теряет свою массу? Это происходит преимущественно с помощью термоядерных реакций в ядре светила и солнечного ветра. Когда в ядре звезды идёт термоядерная реакция синтеза атома гелия из протонов и электронов, то разность масс гелия и протонов преобразуется в кинетическую энергию гелия и энергию электронных нейтрино. Солнечный же ветер представляет собою поток частиц (в основном ионов), идущий от Солнца со скоростью 300—1200 км/с. Но не только Солнце теряет массу, этим «промышляют» и другие звёзды во Вселенной, а самые крупные из них могут терять за один земной год массу, превышающую массу Земли во многие тысячи раз.