Астрономічні спостереження

Астрономічні спостереження

Астрономічні спостереження активізують навчальний процес, спонукають до подальшого теоретичного осмислення матеріалу, дають змогу систематизувати факти та відповідні поняття, сприяють формуванню в учнів загальнонаукових уявлень про різноманітність і причинну зумовленість явищ природи, цілісної фізичної картини світу, неперервність розвитку наукових знань.

Якщо Місяць можна знайти на небі без будь-яких "шпаргалок", то з іншими об'єктами справа йде складніше. При виконанні практичних та лабораторних робіт з астрономії важливо навчити учнів використовувати зоряні атласи, рухливу карту зоряного неба, астрономічні календарі та довідники.

Рухома карта зоряного неба дозволяє визначити вид зоряного неба в будь-який момент доби, довільного дня, року і швидко вирішувати ряд практичних завдань на умови видимості небесних світил. Для орієнтування на зоряному небі бажано ознайомити учнів з картами зоряного неба - друкованими чи електронними.

Серед друкованих видань для початківців підійде "Шкільний астрономічний календар", а серед електронних - інтерактивні карти на сайті "Астронет" і т.д. Особливе місце серед подібних джерел інформації займають так звані "віртуальні планетарії". Це програми, які дозволяють отримувати зображення зоряного неба в потрібний час з потрібного місця. Серед таких програм можна відзначити Red Shift, Celestia, Starry Night та інші. Наприклад, Red Shift дозволяє моделювати зоряне небо на декілька тисячоліть вперед і назад, при цьому з приголомшливою точністю створювати живописне зображення, видавати інформацію про будь-який об'єкт.

Спостереження астрономічних об’єктів справа не така вже й складна , зате дуже цікава. Є, звичайно, і ряд складнощів, але всі вони долаються, якщо підійти до проблеми творчо.

Спостереження зоряного неба

Мета: вивчення основних елементiв та обертання небесної сфери. Набуття навичок роботи з основними системами небесних координат.

Засоби i матерiали: карта зоряного неба, астрономiчний календар, журнал спостережень.

Теоретичнi вiдомостi

В якому б мiсцi земної поверхнi ми не знаходились, нам завжди здається, що всi небеснi тiла знаходяться вiд нас на однаковiй вiдстанi, ми бачимо небо над собою у формi сферичної поверхнi.

З метою наочностi та для вивчення видимих положень i рухiв небесних свiтил в астрономiї запроваджується допомiжна сферична поверхня — небесна сфера. Небесна сфера — уявна сфера довiльного радiусу, на яку спроектованi всi свiтила так, як їх бачить спостерiгач у певний момент часу з певної точки простору.

Таким чином, уявний спостерiгач, котрий знаходиться в центрi небесної сфери, повинен ба- чити положення свiтил на її поверхнi у такому розмiщеннi, в якому справжнiй спостерiгач бачить небеснi свiтила на небi.

Рухома карта зоряного неба являє собою навчальний прилад, який служить для вивчення зоряного неба. Вона  значно полегшує спостерігачеві орієнтуватись при вивченні зоряного  неба,  знаходити  відповідні  сузір’я  і  визначати  їх  розташування  в  будь-який  момент  доби  довільного  дня  року відносно справжнього горизонту, вирішувати різноманітні  практичні задачі за умови видимості небесних світил.

Практичні спостереження

1. Знайдіть Полярну зірку та визначте напрям меридіана з півночі  на південь відносно вашого будинку. Намалюйте схему розташування будинку щодо меридіана та визначте кут між ним та будь-якою  стіною будинку.

2. Використовуючи карту зоряного неба, знайдіть сузір’я Великої Ведмедиці та Полярну зірку. Запам’ятавши її положення відносно горизонту, спрогнозуйте, куди буде спрямована «ручка ковша» через 6 та 12 годин і здійсніть замальовку в журналі спостережень. Повторіть такі спостереження 2 рази на місяць протягом семестру  і зробіть висновок.

3.  Щотижня або раз на два тижні відмічайте, які зодіакальні сузір’я можна бачити у південній частині неба через годину після заходу Сонця, а які щойно зійшли. Цю інформацію уточніть, повторюючи спостереження в один і той самий час. В кінці семестру узагальніть отримані дані та зробіть висновок.

Звіт по спостереженням з прикріпленими фото занести до журналу спостережень або підготувати його електронну форму.

Спостереження Місяця

Мета: дослідити рух Місяця на небі, оцінити його параметри, навчитися знаходити на Місяці найпомітніші деталі його поверхні та ідентифікувати їх.

Засоби i матерiали: карта зоряного неба, астрономiчний календар, транспортир, фотокамера, бінокль, карта Місяця, журнал спостережень.

Теоретичнi вiдомостi

Місяць — єдиний природний супутник планети Земля. Другий за яскравістю об'єкт на земному небосхилі після Сонця і п'ятий за величиною супутник планет Сонячної системи. Станом на 2016 перший і єдиний позаземний об'єкт природного походження, на якому побувала людина. Середня відстань між центрами Землі і Місяця — 384 400 км.

Сучасна наука може розраховувати рух Місяця і перевіряти розрахунки на практиці з більшою точністю. Так, для розрахунку позиції Місяця з точністю вимірювань лазерної локації застосовуються вирази з десятками тисяч членів і не існує межі кількості членів у виразі, якщо буде потрібно ще більша точність.

Хоча Місяць і обертається навколо своєї осі, він завжди звернений до Землі одним і тим же боком. Справа в тому, що Місяць робить один оберт навколо своєї осі за той же час (27,3 доби), що й один оберт навколо Землі. А оскільки напрямки обох обертань збігаються, протилежний бік Місяця з Землі побачити неможливо. Щоправда, оскільки обертання Місяця навколо Землі еліптичною орбітою відбувається дещо нерівномірно, внаслідок лібрації з Землі можна спостерігати більше половини (близько 59 %^{[Джерело?}) місячної поверхні.

Місячний ландшафт своєрідний і унікальний. Місяць весь покритий кратерами різного розміру — від мікроскопічних до тисяч кілометрів. Довгий час вчені не могли заглянути на зворотний бік Місяця, але це стало можливо з розвитком технологій. Зараз існують дуже докладні карти обох півкуль Місяця. Детальні місячні карти складають для того, щоб в найближчому майбутньому підготуватися для висадки людини на Місяць, вдалого розташування місячних баз, телескопів, транспорту, пошуку корисних копалин тощо.

Практичні спостереження

1.  Виміряйте кут між напрямком на Сонце та Місяць і визначте його фазу. Перша чверть настане, коли цей кут дорівнюватиме 90 градусів, а повня – 180 градусів.

 2. Спробуйте оцінити впродовж одного вечора напрям руху Місяця серед зір. Наносячи на карту зоряного неба положення Місяця впродовж декількох вечорів в один і той самий момент часу, оцініть його кутову швидкість за добу. (кутовий діаметр 0.5 градуса)

 3. Спостерігати поверхню Місяця в бінокль та порівняти видиму картину з картою поверхні Місяця. Зробити фото та віднайти на ньому найбільші об’єкти ( моря, гори, кратери)

Звіт по спостереженням з прикріпленими фото та розрахунками занести до журналу спостережень або підготувати його електронну форму.

Спостереження планет

Мета: дослідити рух планет на небі, оцінити їхні параметри.

Засоби i матерiали: карта зоряного неба, астрономiчний календар, бінокль, телескоп, журнал спостережень.

Теоретичнi вiдомостi

За найсучаснішим означенням,  плане́тою  сонячної системи вважають астрономічний об'єкт, що обертається навколо Сонця, має достатню масу для того, щоб під дією власної гравітації набути кулястої форми та має «вичищену околицю», тобто, домінує на своїй орбіті. Ті астрономічні об'єкти, що задовольняють двом першим умовам, але не задовольняють третій, називають карликовими планетами. Планети, що перебувають поза межами Сонячної системи, називають екзопланетами. 

Сьогодні у Сонячній системі відомо 8 планет: Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун. У 2006 р. 26 Генеральна асамблея Міжнародного астрономічного союзу скасувала статус планети для Плутона. Планети земної групи — Меркурій, Венера, Земля, Марс — близькі за розмірами і будовою, середня густина їх речовини становить 5,52-3,97 г/см³. До цієї групи примикають деякі великі супутники планет, які схожі за своїми характеристиками до планет земної групи. Це супутники Юпітера  Ганімед,  Іо,  Європа,  Каллісто  і супутник Сатурна — Титан.

Один з критеріїв, що визначає небесне тіло як планету — це вільні від інших подібних об'єктів околиці її орбіти. Планета, яка накопичила достатню масу, своїм гравітаційним впливом має зібрати всі тіла поблизу своєї орбіти і приєднати їх (чи перетворити на супутники), або навпаки — розігнати. Таким чином, вона перебуватиме на своїй орбіті в ізоляції, не поділяючи її з іншими об'єктами, які порівняні за розміром. 

Практичні спостереження

1. Нарисуйте положення Венери відносно горизонту та відносно інших зір і спостерігайте, як змінюється це положення протягом кількох тижнів. Зробіть висновок, як змінюється яскравість планети за цей час.

2.  За допомогою бінокля або телескопа поспостерігайте Галілеєві супутники Юпітера. Визначте моменти затемнення одного з цих супутників – коли він зникає за диском планети.

3. Спостереження планет проводьте щотижня, замальовуючи їхні положення на тлі зір у журнал. Порівнюючи ці результати з відповідною ділянкою карти зоряного неба, з’ясуйте особливості їхнього руху – прискорення чи сповільнення, зупинки. Якщо ж планета описала петлю – оцініть дугу її зворотного руху.

Звіт по спостереженням з прикріпленими фото та малюнками занести до журналу спостережень або підготувати його електронну форму.

Спостереження Сонця

Мета: дослідити рух Сонця на небі, оцінити тривалість дня, знайти координати світила в різних положеннях, дослідити сонячну активність.

Засоби i матерiали: астрономiчний календар, стовп (гномон), фільтр для спостереження диска Сонця,  журнал спостережень.

Теоретичнi вiдомостi

Со́нце — зоря, що є центром Сонячної системи, типова зоря головної послідовності спектрального класу G2. Воно майже ідеально сферичне і являє собою гарячу плазму, сплетену магнітними полями. При діаметрі приблизно 1.3 млн км, що в 109 разів більше, ніж земний, має масу близько 2 ×10³⁰ кг, що більше земної приблизно в 330 000 разів. Джерелом енергії Сонця є  термоядерні реакції в його ядрі. Земля та сім інших планет обертаються навколо Сонця.

Сонце — центральне і наймасивніше тіло Сонячної системи. Його маса приблизно в 333 000 раз більша за масу Землі та у 750 разів перевищує масу всіх інших планет, разом узятих. Сонце — потужне джерело енергії, яку воно постійно випромінює в усіх ділянках спектра електромагнітних хвиль — від рентгенівських і ультрафіолетових променів до радіохвиль. Це випромінювання сильно впливає на всі тіла Сонячної системи: нагріває їх, позначається на атмосферах  планет, дає світло й тепло, необхідні для життя на Землі.

Орбітальна швидкість Сонця дорівнює 217 км/с — таким чином, воно долає один світловий рік за 1400 земних років, а одну астрономічну одиницю — за 8 земних діб. Наразі Сонце перебуває у внутрішньому краї рукава Оріона нашої Галактики, між рукавом Персея і рукавом Стрільця, у так званій «Місцевій міжзоряній хмарі» — ділянці підвищеної щільності, що розташована, у свою чергу, у «Місцевому міхурі» — зоні розсіяного високотемпературного міжзоряного газу. Серед 50 найближчих зір, що наразі відомі (у межах 17 світлових років), Сонце є четвертою за яскравістю зорею (його абсолютна зоряна величина +4,83^m). Орбіта Сонця навколо Галактики приблизно еліптична з вкладом збурень від галактичних спіральних рукавів та неоднорідного розподілу маси. Крім того, сонце коливається вгору і вниз відносно площини Галактики приблизно 2.7 раз на орбіту. Є припущення, що проходження Сонця через зони вищої густини спіральних рукавів збігаються з масовими вимираннями на Землі, можливо, через зіткнення з космічними тілами

Спостерігаючи сонячні плями в телескоп, Галілей Галілео помітив, що вони пересуваються вздовж видимого диска Сонця. На цій підставі він зробив висновок, що Сонце обертається навколо своєї осі. Кутова швидкість обертання світила зменшується від екватора до полюсів, точки на екваторі здійснюють повний оберт за 25 діб, а поблизу полюсів зоряний період обертання Сонця збільшується до 30 діб. Земля рухається по своїй орбіті в тому ж напрямку, в якому обертається Сонце. Тому відносно земного спостерігача період його обертання більший і пляма в центрі сонячного диска знову пройде через центральний меридіан Сонця через 27 діб.

Одним з найбільш поширених показників рівня сонячної активності є число Вольфа, пов'язане з кількістю сонячних плям на видимій півсфері Сонця. Загальний рівень сонячної активності змінюється з характерним періодом, приблизно рівним 11 років (так званий «цикл сонячної активності» або «одинадцятирічний цикл»). Цей період витримується неточно і в XX столітті був ближчим до 10 років, а за останні 300 років варіювався приблизно від 7 до 17 років. Циклам сонячної активності надають послідовні номери, починаючи від умовно обраного першого циклу, максимум якого був 1761 року. 2000 року спостерігався максимум 23-го циклу сонячної активності.

Практичні спостереження

1. З інтервалом у 2 тижні фіксуйте моменти сходу й  заходу Сонця і робіть висновок щодо тривалості дня. Якщо є можливість фіксувати положення точки сходу (заходу), оцініть дугу її зміщення від літнього до зимового сонцестояння.

 2. За допомогою стовпа відомої висоти вимірюйте довжину його тіні 6 та 21 числа кожного місяця в момент верхньої кульмінації Сонця, а за відношенням висоти стовпа до довжини його тіні визначте висоту Сонця над  горизонтом у верхній кульмінації. За висотою Сонця 20 березня знайдіть кут нахилу площини небесного екватора до горизонту.

 3. Підрахуйте загальну кількість сонячних плям та намалюйте їхнє розташування на диску Сонця. Через декілька днів повторіть спостереження . Зробіть висновок.

Звіт по спостереженням з прикріпленими фото та малюнками занести до журналу спостережень або підготувати його електронну форму.

Віртуальна обсерваторія Stellarium

Мета: вивчення iнтерфейсу програми Stellarium; проведення вiртуальних спосте- режень небесних свiтил.

Засоби i матерiали: комп’ютер, програмний пакет Stellarium, журнал спостережень.

Теоретичнi вiдомостi

 Stellarium — безкоштовний програмний пакет, за допомогою якого можна здiйснювати комп’ютерне моделювання зоряного неба в режимi реального часу. За допомогою цього пакету будь-який комп’ютер можна перетворити у вiртуальний планетарiй. Stellarium дозволяє вiдображати на екранi Вашого монiтора небосхил з будь-якого мiсця на Землi в довiльний момент часу, моделювати образи сузiр’їв, планет та їх супутникiв, а також фази Мiсяця.

Цей програмний пакет корисний при плануваннi астрономiчних спостережень, оскільки дозволяє легко визначати положення свiтил на небеснiй сферi, мiсце i момент часу сходу та заходу небесних свiтил. База даних Stellarium мiстить iнформацiю про положення, зоряну величину, спектральний клас та вiдстань для понад 600 000 зiрок.

Найновiшу версiю програми можна отримати на офiцiйному сайтi Stellarium (http://www.stellarium.org).

Практичні спостереження

1. Запустити Stellarium. Встановити місце розташування, яке вiдповiдає Вашому населеному пункту. Провести спостереження небесної сфери у режимах відображення з атмосферою та за її вiдсутностi. Визначити горизонтальнi та екваторiальнi координати Сонця в момент проведення заняття.

2. Збiльшити темп обертання небесної сфери. Прослiдкувати за змiною положень свiтил на небеснiй сферi протягом доби. Визначити максимальну та мiнiмальну висоту Сонця протягом доби, що вiдповiдає моменту спостереження. Провести аналогiчнi спостереження в календарнi днi, якi вiдповiдають весняному i осiнньому рiвноденням та лiтньому i зимовому сонцестоянням. Порiвняти одержанi результати.

3. Повернутися до календарної дати, яка вiдповiдає моменту проведення заняття. Провести спостереження нiчного неба. Виписати кiлька найяскравiших свiтил, якi можна спостерiгати протягом цiєї ночi. Якi планети з’являються на нiчному небi?

4. Провести спостереження сузiр’їв. В якому сузiр’ї знаходиться Сонце у даний момент. Знайти на небеснiй сферi Полярну зiрку. Прослiдкувати за змiною її положення протягом доби. Сформулювати вiдповiдний висновок. Зробити у зошитi рисунки будь-яких чотирьох сузiр’в у виглядi зiрок, що з’єднанi лiнiями. На рисунку мають бути вказанi назви сузiр’я та найяскравiшої зiрки.

5. Провести спостереження планет Сонячної системи. Визначити екваторiальнi та горизонтальнi координати планет для моменту часу 24h00m. У яких сузiр’ях перебувають планети та яка у них видима зоряна величина? Встановити наявнiсть у планет супутникiв.

6. Визначити дати, що вiдносяться до даного календарного мiсяця, у якi можна спостерiгати рiзнi фази Мiсяця. Визначити найкращий момент часу для проведення спостереження «першої чвертi» Мiсяця. Якi висота та азимут Мiсяця в цей момент? Чому дорiвнює видима зоряна величина свiтила?

7. Провести спостереження туманностей. Знайти положення на небеснiй сферi та вказати екваторiальнi координати наступних туманностей: Крабовидної (M1 або NGC 1952), Орла (M16 або NGC 6611), Великої туманностi в Андромедi (M31 або NGC 224). У яких сузiр’ях знаходяться туманностi? Зобразити у зошиті форму туманностей.

8. Провести спостереження добового руху небесних свiтил на географiчних широтах 0◦ та 82◦ . Сформулювати висновки спостережень. Визначити полуденну висоту Сонця в день весняного рiвнодення для спостерiгача, який перебуває на екваторi. Прослiдкувати за змiною дня i ночi в червнi та груднi для спостерiгача, який перебуває на широтi 82◦ .

 9. Перевiрити передбачення щодо повного сонячного затемнення, яке має вiдбутися 12 вересня 2053 року на територiї Азії. Якщо затемнення вiдбудеться, то яким воно буде на територiї України? Визначити час початку та тривалiсть затемнення.

Звіт по віртуальним спостереженням з прикріпленими фото занести до журналу спостережень або підготувати його електронну форму.