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?

Измерить точное расстояние от Земли до Солнца астрономы пытались с глубокой древности. Одна из самых первых известных нам величин дана в III веке до н.э. Аристархом Самосским — кстати, этот древний грек первым предложил гелиоцентрическую, а не геоцентрическую систему мира. Он оценил дистанцию до светила в 20 раз больше, чем до Луны. Это, конечно, неверная величина: на самом деле, Солнце находится от нас в 400 с лишним раз дальше, чем Луна. Кстати, при этом оно и примерно в 400 раз больше, отчего видимые угловые размеры Солнца и Луны одинаковы. Простое ли это совпадение? Ответ можно найти в заметке «Большая удача ».

К концу ХХ в. ученые уже гораздо лучше понимали движение небесных тел. С помощью современных радаров, фиксируя возвращение отраженного ими сигнала, а также и благодаря космическим зондам, дистанция от Земли до Солнца была установлена с высокой точностью. Существующая цифра — 149 597 870 696 м — с ошибкой не более 0,1 м. Однако на этом история отнюдь не закончилась.

В 2004 г. российские физики Грегорий Красинский и Виктор Брумберг , проведя точные расчеты, показали, что Земля понемногу отдаляется от Солнца. Медленно — не более 15 см в год — но вполне существенно. Что же «отталкивает» нас от нашей звезды?

Одно из предположений состоит в том, что Солнце непрерывно теряет массу. Изрыгая в пространство огромные потоки материи и энергии, излучения и солнечного ветра, оно «легчает» и, соответственно, ослабевает его гравитационное притяжение. Однако, по тем или иным причинам, такое объяснение не полностью устроило астрономов. Выдвигались и другие версии , куда более экзотические — скажем, в изменении фундаментальной гравитационной постоянной (G), во влиянии расширения Вселенной или даже темной материи. Ни одна из гипотез пока не получила окончательной поддержки.

А недавно группа ученых во главе с Такахо Миурой (Takaho Miura) представили статью, в которой выдвигают собственную версию. По их мнению, Солнце и Земля «отталкивают» друг друга под воздействием приливных сил . Это — силы, которые действуют на достаточно протяженные объекты, оказавшийся в неоднородном гравитационном поле. Приливные силы, как считается, вызывают и постепенное отдаление от нас Луны , и постепенное замедление скорости вращения нашей планеты.

Дело в том, что притяжение спутника создает на обращенной к нему стороне Земли приливную волну, которая бежит следом за вращающейся Луной, с запада на восток, и в идеале совершала бы полный круг за лунный месяц.

В то же время, Земля «под» этой волной тоже вращается, причем куда быстрее Луны (оборот происходит за сутки), и в итоге на приливную волну постоянно «набегают» восточные берега материков. Поэтому приливная волна всегда опережает вращение Луны, и вся масса этой воды смещена с прямого отрезка, соединяющего центры масс Земли и Луны. Ее притяжение и создает дополнительную силу, действующую перпендикулярно этому отрезку.

Эта приливная сила и вызывает несильное, но постоянное ускорение Луны в ее вращении, что по закону сохранения импульса вызывает замедление вращения Земли. И, конечно, сама Луна, увеличив скорость, увеличивает импульс и переходит на более высокую орбиту. Каждый год она удаляется от нас примерно на 4 см, а сама планета совершает полный оборот примерно на 0,000017 с дольше.

По мнению Такахо Миуры и его коллег, эти же силы вызывают и увеличение расстояния между Землей и Солнцем. Как ни крохотна Земля в сравнении со звездой, она все же вызывает в ней нечто вроде «приливной волны». Ученые рассчитали, что это воздействие — аналогично тому, что происходит в системе Земля-Луна — должно замедлять вращение Солнца примерно на 0,00003 с в год и, соответственно, удалять нашу планету от нашей же звезды.

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.