Астрономия. 10-11 классы. Базовый уровень
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Автор:
Чаругин Виктор Максимович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 145
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-101648-2
Артикул: 815951.01.99
Данный учебник представляет линию учебно-методических комплексов «Сферы» по астрономии. Издание подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта и освещает вопросы курса астрономии для 10-11 классов. Содержание курса отвечает таким критериям изложения материала, как научность и доступность. Учебное содержание направлено на формирование научных представлений об астрономических и физических законах, явлениях и основывается на достижениях современной астрономии и космологии. Реализовано практическое применение астрономии в реальной жизни. Усилена межпредметная интеграция: тесная связь астрономии с физикой. Главными особенностями данного учебника являются фиксированный в тематических разворотах формат, лаконичность и жёсткая структу- рированность текста, разнообразный иллюстративный ряд.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
© АО «Издательство «Просвещение», 2018 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2018 Все права защищены У ч е б н о е и з д а н и е Серия «Сферы» Чаругин Виктор Максимович Астрономия 10—11 классы Базовый уровень Учебник Редакция физики Ответственный за выпуск Н. Н. Гриценко. Художественный редактор С. Г. Куркина. Фотобанки: «Легион медиа», «Россия сегодня», «Diomedia», «Fotolia», «Shutterstock». Компьютерная вёрстка Э. В. Ленчевской, Д. Ю. Герасимова. Художественное оформление О. В. Поповича, С. В. Ермолина, Э. В. Ленчевской, С. Г. Куркиной. Дизайн обложки О. В. Поповича. Технический редактор Л. В. Марухно. Корректор Д. А. Белитов Подписано в печать 30.07.2021. Формат 84×1081/16. Бумага офсетная. Гарнитура SchoolBookCSanPin. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 13,55. Тираж экз. Заказ № . Акционерное общество «Издательство «Просвещение». Российская Федерация, 127473, г. Москва, ул. Краснопролетарская, д. 16, стр. 3, этаж 4, помещение I. Адрес электронной почты «Горячей линии» — vopros@prosv.ru. Чаругин, Виктор Максимович. Астрономия : 10—11-е классы : базовый уровень : учебник : издание в pdf-формате / В. М. Чаругин. — 6-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 144 с. : ил. — (Сферы). ISBN 978-5-09-101648-2 (электр. изд.). — Текст : электронный. ISBN 978-5-09-087655-1 (печ. изд.). Данный учебник представляет линию учебно-методических комплексов «Сферы» по астрономии. Издание подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта и освещает вопросы курса астрономии для 10–11 классов. Содержание курса отвечает таким критериям изложения материала, как научность и доступность. Учебное содержание направлено на формирование научных представлений об астрономических и физических законах, явлениях и основывается на достижениях современной астрономии и космологии. Реализовано практическое применение астрономии в реальной жизни. Усилена межпредметная интеграция: тесная связь астрономии с физикой. Главными особенностями данного учебника являются фиксированный в тематических разворотах формат, лаконичность и жёсткая структу- рированность текста, разнообразный иллюстративный ряд. УДК 373:52+52(075.3) ББК 22.6я721 Ч-23 УДК 373:52+52(075.3) ББК 22.6я721 Ч-23 Серия «Сферы» основана в 2003 году Линия учебно-методических комплексов «Сферы» по астрономии На учебник получены положительные заключения научной (заключение РАО № 1436 от 12.01.17), педагогической (заключение РАО № 1450 от 12.01.17) и общественной (заключение РКС № 652-ОЭ от 13.01.17) экспертиз. ISBN 978-5-09-101648-2 (электр. изд.) ISBN 978-5-09-087655-1 (печ. изд.) Издание выходит в pdf-формате. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Введение ............................................................... 5 Работаем с учебником ............................................ 6 Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В АСТРОНОМИЮ 1. Структура и масштабы Вселенной ........................ 8 2. Далёкие глубины Вселенной ..............................12 Подведём итоги ................................................ 14 Глава 2. АСТРОМЕТРИЯ 3. Звёздное небо ................................................... 16 4. Небесные координаты .......................................20 5. Видимое движение планет и Солнца ....................22 6. Движение Луны и затмения ...............................24 7. Время и календарь ............................................28 Подведём итоги ................................................32 Глава 3. НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА 8. Система мира ...................................................34 9. Законы движения планет ..................................40 10. Космические скорости .......................................44 11. Межпланетные полёты ......................................46 Подведём итоги ................................................48 Глава 4. СТРОЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ 12. Современные представления о Солнечной системе .........................................50 13. Планета Земля ................................................. 52 14. Луна и её влияние на Землю ..............................56 15. Планеты земной группы ....................................60 16. Планеты-гиганты. Планеты-карлики ...................64 17. Малые тела Солнечной системы ..........................68 18. Современные представления о происхождении Солнечной системы .................. 72 Подведём итоги ................................................ 74 Глава 5. АСТРОФИЗИКА И ЗВЁЗДНАЯ АСТРОНОМИЯ 19. Методы астрофизических исследований ............... 76 20. Солнце ............................................................80 21. Внутреннее строение и источник энергии Солнца ................................86 22. Основные характеристики звёзд ......................... 91 23. Внутреннее строение звёзд .................................94 24. Белые карлики, нейтронные звёзды, пульсары и чёрные дыры ...................................95 25. Двойные, кратные и переменные звёзды ..............98 26. Новые и сверхновые звёзды .............................. 100 27. Эволюция звёзд .............................................. 103 Подведём итоги .............................................. 106 СОДЕРЖАНИЕ З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Глава 6. МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ — НАША ГАЛАКТИКА 28. Газ и пыль в галактике ................................... 108 29. Рассеянные и шаровые звёздные скопления ..................................................... 110 30. Сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики ........................................ 112 Подведём итоги .............................................. 114 Глава 7. ГАЛАКТИКИ 31. Классификация галактик ................................ 116 32. Активные галактики и квазары ....................... 120 33. Скопления галактик ....................................... 122 Подведём итоги .............................................. 124 Глава 8. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ 34. Конечность и бесконечность Вселенной — парадоксы классической космологии ................. 126 35. Расширяющаяся Вселенная ............................. 128 36. Модель горячей Вселенной и реликтовое излучение .................................. 132 Подведём итоги .............................................. 134 Глава 9. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АСТРОНОМИИ 37. Ускоренное расширение Вселенной и тёмная энергия ............................................ 136 38. Обнаружение планет около других звёзд ............ 138 39. Поиск жизни и разума во Вселенной ................. 140 Подведём итоги .............................................. 142 Ответы и решения .............................................. 143 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Вы приступаете к изучению одной из древнейших наук — астрономии. Астрономия изучалась в академии Платона в IV в. до н. э. В античные времена её приравняли к одному из видов искусств, и богиня Урания покровительствовала ей. В Средние века астрономию включили в число предметов факультета свободных искусств всех университетов. В эпоху Просвещения энциклопедисты XVIII в. включили астрономию в число обязательных наук, которые должны изучать молодые люди — будущие члены общества. В настоящее время развитие цивилизации определяется в том числе астрономическими исследованиями, так как они позволяют нам прикоснуться к тайнам Вселенной. А «ощущение тайны — самое прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и настоящей науки...» (А. Эйнштейн). В предлагаемом учебнике астрономии вы познакомитесь с описанием вида звёздного неба, с природой планет и звёзд, строением Солнечной системы, Млечного Пути, галактик, их распределением в пространстве и строением Вселенной в целом. Изучите, как астрономы определяют расстояние до звёзд и галактик, их размеры, массу, температуру, химический состав. Познаете, как небесные тела возникают, живут и умирают, как эволюционирует Вселенная во времени. Вы познакомитесь с новейшими достижениями астрономии, современными крупными наземными и космическими телескопами, которые используют для наблюдений самых далёких и необычных небесных тел: квазаров, пульсаров, нейтронных звёзд и чёрных дыр. Узнаете о возникновении и развитии совершенно новых методов астрономических наблюдений — нейтринной и гравитационно- волновой астрономии. Увидите, как астрономы на основе законов небесной механики рассчитывают орбиты космических аппаратов, искусственных спутников Земли и планет. Вы сможете почувствовать, как современная астрономия делает фундаментальные открытия, которые существенно меняют наши представления об окружающем мире. К таким открытиям, несомненно, относится открытие ускоренного расширения Вселенной, наличия тёмной материи, тёмной энергии и всемирной силы отталкивания, природа которых пока не понятна. В материале учебника рассматриваются наблюдения и эксперименты, связанные с одной из важнейших мировоззренческих проблем существования жизни во Вселенной и связи с внеземными цивилизациями. Основной метод исследования в астрономии — наблюдение. Если в вашем распоряжении окажется бинокль или телескоп, проводите самостоятельные наблюдения. Это поможет вам заглянуть в космические дали и увидеть недоступные небесные тела. Желаем вам успеха! ВВЕДЕНИЕ З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
РАБОТАЕМ С УЧЕБНИКОМ Материал учебника включает девять тем, каждая из которых разделена на параграфы. Перед каждой темой в рубрике «Знаете ли вы, что...» приведены интересные данные, которые отражают суть содержания темы. Параграф начинается с вводных рубрик «Вы узнаете...», «Вспомните...». Рубрика «Вы узнаете...» познакомит вас с основными вопросами, которые изучаются в параграфе. Рубрика «Вспомните...» подскажет, что необходимо вспомнить из ранее изученного материала, для того чтобы усвоить новый. Основной текст параграфа сопровождают рубрики, которые помогут вам глубже понять наиболее важный материал. Рубрика «Мои астрономические исследования» поможет вам научиться самостоятельно проводить астрономические наблюдения. Рубрика «Это интересно» содержит интересные сведения и дополнительную информацию к основному тексту параграфа. Рубрика «Теории, гипотезы, факты...» дополняет текст параграфа примерами различных предположений и утверждений по данной тематике. Законы и формулы параграфа выделены в рубрике «Внимание!». Рубрика «Решение задач» содержит задачи для самостоятельного решения. Завершают параграф рубрики «Вырази своё мнение» и «Вопросы и задания», которые помогут вам проверить свои знания по теме параграфа. На последней странице каждой главы содержатся рубрики « Подведём итоги», «Астрономический кружок», а также ссылки на дополнительные источники информации. В рубрике «Подведём итоги» приводятся основные выводы и идеи, содержащиеся в главе. Вопросы и задания, содержащиеся в рубрике «Астрономический кружок», носят проблемный характер и требуют совместных решений. Ссылки на интернет-ресурсы и литературу позволят привлечь дополнительные источники информации при изучении темы. Это интересно МОИ АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Теории, гипотезы, факты... ВНИМАНИЕ! И МО МО МО МО М З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В АСТРОНОМИЮ СТРУКТУРА И МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ ДАЛЁКИЕ ГЛУБИНЫ ВСЕЛЕННОЙ ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО... Число звёзд в нашей Галактике Млечный Путь примерно 200 млрд. Вокруг многих из них вращаются планеты, и на некоторых, возможно, есть жизнь. Во Вселенной существует более чем 100 млрд крупных галактик, и в каждой столько звёзд, как в Млечном Пути или даже больше! Посмотрите, как огромна Вселенная! Ведь в ней 2 · 1022 звёзд, а это 20 000 000 000 000 000 000 000! З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Изучение движения Солнца, Луны, звёзд и других небесных тел играло важную роль в развитии всех цивилизаций на Земле, начиная с самых древних времён. НАУКА АСТРОНОМИЯ Наука о небесных телах получила название астрономия (от древнегреч. слов астрон — звезда и номос — закон). Она изучает их видимые и действительные движения и законы, определяющие эти движения; форму, размер, массу и рельеф поверхности; природу и физическое состояние небесных тел; взаимодействие между ними, их эволюцию — вероятную прошлую историю и будущее развитие. Астрономы изучают не только отдельные небесные тела, объектом их исследований является вся Вселенная в целом. ИЗУЧЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Самые крупные из существующих наземных и космических телескопов «заглядывают» в космическое пространство на расстояния свыше десятка миллиардов световых лет. Это означает, что лучам света, излучённым самыми далёкими галактиками и квазарами, требуется свыше десятка миллиардов лет, чтобы дойти до Земли. Внутри этой, доступной для наблюдений, части Вселенной имеется около двух триллионов небольших галактик и около ста миллиардов галактик, похожих на нашу Галактику, или на гигантскую спиральную галактику М31, так называемую Туманность Андромеды, или на гигантскую эллиптическую галактику М49 в созвездии Девы. Каждая галактика содержит десятки и сотни миллиардов звёзд, похожих на наше Солнце. Таким образом, полное число звёзд в наблюдаемой части Вселенной составляет порядка 1022. Полную массу вещества, заключённого в этих звёздах, можно рассчитать, умножив это число на массу Солнца. Масса Солнца М = 2 · 1030 кг, поэтому масса всех звёзд в видимой части Вселенной составляет примерно 2 · 1052 кг. Огромная величина! Несмотря на большое значение массы звёзд, главное свойство видимой Вселенной — пустота. Действительно, если мы посмотрим в безлунную ночь на небо, то в лучшем случае сможем насчитать около 2—3 тыс. звёзд, рассеянных по небу Северного полушария. С учё- СТРУКТУРА И МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ ВЫ УЗНАЕТЕ: Что изучает астрономия. Каковы методы изучения Вселенной. Каковы современные представления о Вселенной. ВСПОМНИТЕ: Какие вы знаете небесные тела? Как называется наша Галактика? 1 1 световой год (св. г.) — путь, который свет проходит за один год. Если скорость света с — максимальная скорость, известная в природе, равна 300 000 км/с, а число секунд в году t = 365,25 · 24 · 3600 с = = 31 560 000 с, то 1 св. г. = с · t = 9,47 · 1012 км. Туманность Андромеды З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
том звёзд Южного полушария это составит всего около 4—6 тыс. звёзд. В небольшой школьный телескоп мы смогли бы насчитать около 20—25 тыс. звёзд на небе. При фотографировании неба самыми мощными телескопами удаётся зафиксировать до 10 млрд звёзд. Практически все они принадлежат нашей Галактике, которой ещё в древности дали название Млечный Путь. Неярких звёзд настолько много и расположены они так близко друг к другу, что, концентрируясь в узкую полосу, вытянувшуюся через всё небо, сливаются в сплошную серебристую полосу Млечного Пути. Складывается впечатление, что небо здесь вплотную заполнено звёздами и между ними нет пустого пространства. Это впечатление обманчиво. Астрономы измерили расстояние до многих звёзд. Так, расстояние до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра составляет 4,2 св. г. (от греч. проксима — ближайшая). Она действительно ближайшая к нам из трёх звёзд звёздной системы α Центавра. Значение «несколько световых лет» характеризует среднее расстояние между звёздами в Млечном Пути. Чтобы почувствовать эти величины, представьте себе Млечный Путь, состоящий из капель вместо звёзд, тогда расстояние между каплями будет примерно 50—100 км, т. е. Млечный Путь представляет собой практически пустоту с вкраплениями звёзд. Если принять, что среднее расстояние между галактиками сравнимо с расстоянием до ближайшей к нам галактики М31 (Туманность Андромеды), составляющим около 2,5 млн св. лет, то межгалактическое пространство оказывается ещё более пустым. Теперь мы можем оценить среднюю плотность вещества в видимой Вселенной. Если представить видимую Вселенную в виде куба с длиной ребра около 10 млрд св. лет и соответственно объёмом 8,46 · 1077 м3 и массой около 2 · 1052 кг, то средняя плотность будет равна 2,4 · 10–26 кг/м3. Часть Млечного Пути от созвездия Орла до созвездия Кита Эллиптическая галактика М49 в созвездии Девы Альтаир Антарес Киль α Центавра З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Такую маленькую плотность трудно себе представить. Так как вещество Вселенной состоит в основном из водорода, то по полученному значению плотности легко оценить среднюю концентрацию атомов водорода во Вселенной: она равна средней плотности, делённой на массу атома водорода. Масса атома водорода mH = 1,66 · 10–27 кг, следовательно, искомая концентрация , т. е. чуть больше 10 атомов в 1 м3. Наряду со звёздами и планетами во Вселенной имеются газ и пыль, которые в основном сосредоточены в галактиках. Масса газа и пыли в галактиках почти в 100 раз меньше, чем масса материи в звёздах. Если разреженный газ, расположенный вблизи горячих звёзд, может наблюдаться в виде светящейся газовой туманности (как, например, туманности Северная Америка и Пеликан), то облака пыли наблюдаются в виде тёмных, поглощающих свет далёких звёзд, туманностей. Примером пылевой туманности может служить туманность Мексиканский Залив, которая расположена рядом с туманностями Северная Америка и Пеликан. Пылевые облака, расположенные рядом с яркими звёздами, могут, как плохие зеркала, отражать свет звёзд и часто наблюдаются как отражательные туманности. Примером подобных объектов могут служить отражательные туманности вокруг ярких звёзд в звёздном скоплении Плеяды. Скопление Плеяды относится к рассеянным звёздным скоплениям. В нём насчитывается более 1000 звёзд, расстояние до него около 400 св. лет. Шаровые звёздные скопления имеют правильную шарообразную форму, например шаровое скопление М13 в созвездии Геркулеса. Это скопление имеет диаметр около 170 св. лет и содержит около 300 тыс. звёзд. Луч света идёт от звёзд этого скопления до нас около 25 000 лет. Интересно отметить, что 16 ноября 1974 г. к звёздам этого скопления было отправлено закодированное радио- послание от нашей цивилизации. Так как большинство звёзд скопления похожи на Солнце, не исключена вероятность, что сообщение будет кем-то принято. Самые разреженные области Вселенной — это пространство между галактиками, а самые плотные — ядра звёзд. Если средняя плотность Солнца составляет около 1400 кг/м3, почти как плотность воды, то в центре Солнца плотность уже около 150 000 кг/м3. У звёзд белых карликов плотность достигает 1000 кг/см3, или 1 т/см3, а у нейтронных звёзд, даже трудно представить, — несколько миллиардов тонн в кубическом сантиметре. Астрономам удалось измерить и рассчитать температуру различных небесных тел и областей космоса. Так, самыми холодными оказались плотные облака газа и пыли, удалённые на большие расстояния от звёзд, — в них Газопылевые туманности Северная Америка, Пеликан и пылевая туманность Мексиканский залив Рассеянное скопление звёзд Плеяды, погружённое в отражающие свет облака газа и пыли Шаровое скопление звёзд М13 в созвездии Геркулеса З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
температура составляет всего несколько кельвинов. Именно в этих областях образуются новые звёзды. На поверхности Солнца температура равна примерно 6000 К, а в его центре — около 15 000 000 К. В некоторых звёздах температура в центре достигает миллиардов кельвинов. Благодаря высоким температурам в них протекают термоядерные реакции и образуются все, в том числе тяжёлые, химические элементы. Во время взрывов сверхновых звёзд выделяется так много энергии, что огромные массы вещества приобретают скорости порядка 10 000—20 000 км/с и образуются потоки элементарных частиц, скорости которых близки к скорости света. Остаток такого взрыва — Крабовидную туманность — мы наблюдаем в созвездии Тельца. В первой четверти ХХ в. Э. Хаббл открыл удивительный факт расширения Вселенной и сделал вывод о сверхплотном состоянии вещества в начале этого расширения. Последние наблюдения показали, что Вселенная расширяется с ускорением. И если по наблюдениям движения планет и Луны И. Ньютон открыл закон всемирного тяготения, то по наблюдениям ускоренного удаления галактик не так давно была открыта новая сила Всемирного отталкивания. Природа этой силы пока не ясна. Кроме этого, было установлено, что основную часть Вселенной занимают тёмная материя и тёмная энергия, а обычное вещество составляет всего несколько процентов. Астрономы проводят наблюдения во всех диапазонах длин волн, выводя за пределы земной атмо сферы космические телескопы, работающие в инфракрасном, видимом, рентген- и гамма-диапазоне. Например, наблюдения в инфракрасных лучах центра Млечного Пути помогли обнаружить там сверхмассивную чёрную дыру с массой, в два миллиона раз превышающей массу Солнца. В лабораториях мы не можем достичь той степени разреженности, которая есть в межпланетном пространстве, и той степени сжатия, которая встречается в белых карликах и нейтронных звёздах. В земных условиях практически нереально достичь тех гигантских температур, до которых разогреты центры звёзд. Наблюдения с помощью нейтринных телескопов потоков нейтрино от Солнца и сверхновых звёзд позволили заглянуть внутрь этих небесных тел. В последние годы астрономы начали исследовать гравитационные волны, которые генерируются при столкновениях чёрных дыр. Таким образом, астрономия позволяет изучать физические процессы в экстремальных условиях, которые не могут быть достигнуты на Земле. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ: Что изучает астрономия? Какими способами изучают Вселенную? Из каких объектов состоит Вселенная? Крабовидная туманность — остаток взрыва сверхновой звезды ЗАДАЧА № 1 Видимый угловой радиус Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой звезды, θ ≈ 2,5′, расстояние до неё r ≈ 6500 св. лет. Наблюдения указывают, что скорость расширения туманности v ≈ 1500 км/с. Оцените линейный радиус и момент времени, когда произошёл взрыв сверхновой звезды. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .