БУДОВА СОНЦЯ. ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ І ЗІРОК

 БУДОВА СОНЦЯ.

 ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ І ЗІРок

Мета

Навчальна.

•                 Познайомити учнів з поняттям ядерної реакції, ,їх енергетичний вихід, умови, необхідні для їх протікання; про пошук в практичній реалізації некерованого і керованого термоядерного синтезу; перспективи використання термоядерної енергії;  
•                 розкрити учням фізичний механізм утворення енергії Сонця та зір; механізм перенесення енергії із надр Сонця назовні;
•                 формувати практичні навички для виконання розрахунків енергетичного виходу термоядерних реакцій; закріплювати на базі термоядерних реакцій уявлення про взаємоперетворюваність як загальну властивість матерії;

Розвиваюча.

•                 переконувати учнів у пізнавальності явищ природи; формувати природничо-наукову картину світу;
•                 забезпечити взаємозв’язок фізики,хімії і астрономії, яка містить весь діапазон понять сучасної фізики;

•                 закріплювати практичні вміння щодо використання засобів інформаційних технологій;
•                 формувати самоосвітню компетентність;
•                 розвивати вміння технічно мислити та моделювати фізичні явища;

Виховна.

•                 Сприяти формуванню основних світоглядних ідей, причинно-наслідкових зв’язків між явищами.
•                 Сприяти трудовому вихованню і профорієнтації учнів
•                 Сприяти фізичному вихованню учнів, турбуватися про раціональну організацію навчальної праці, попереджувати втомлюваність на уроках.
•                 Усувати типові недоліки у вихованні учнів класу.
•                 Виховувати національну свідомість та патріотизм, працелюбність та наполегливість.

Тип уроку: комбінований з елементами STEM.

Обладнання: комп’ютер, проектор. презентація уроку, телефони(смартфони), ножиці, диск звичайний, програмне забезпечення Kahoot.

План уроку

1.               Організаційний момент. (3 хв)
2.               Актуалізація досвіду та опорних знань. (7хв)
3.               Повідомлення  теми і завдань уроку (2хв)
4.               Вивчення нового матеріалу (29хв)
5.               Підсумок уроку. Рефлексія (2хв)
6.               Узагальнення та систематизація(2 хв)

ХІД УРОКУ

          1. Організаційний момент.

2. Актуалізація досвіду та опорних знань.

Вчитель: Щоб продовжити вивчення розділу «Сонце – найближча зоря» слід з’ясувати, що ми вже знаємо про Сонце та зорі, щоб використати ці знання для вивчення більш глобальних проблем.

Перевірку знань ми проведемо  у вигляді гри – тесту на час. Вчитель запускає сайт Kahoot з готовим тестом. Для доступу до гри вчитель повідомляє учням код.

Учні: У своїх смартфонах запускають гру Kahoot. Учні вводять код до телефону і починають відповідати.

 

1.     Скільки великих планет обертається навколо Сонця?

А. 5.

Б. 10.

В. 8.

Г. 9.

Відповідь. В

2.     Що вимірюється світловими  роками?

А. Час.         

Б. Відстані до планет.                       

В. Період обертання.  

Г. Відстань до зір, до галактик.       

Відповідь. Г.

3. Скільки зір можна побачити одночасно на небі неозброєним оком?

А. 100 000.

Б. 10 000.

В. 6000.

Г. 3000.

Відповідь. Г.

4.     Що означає в астрономії термін “Великий Вибух”?

А. Вибух пової зорі.

 Б. Вибух ядра галактики.  

В. Зіткнення галактик,

Г. Момент, коли почалося розширення космічного простору.

Відповідь. Г.

5.     Для визначення світності Сонця необхідно знати:

А. Температуру на поверхні Сонця.

Б. Радіус Землі.

В. Відстань від Землі до Сонця.

Г. Температуру на поверхні Землі.

Відповідь. В.

6.     Які з цих хімічних елементів найбільше поширені на Сонці?

А. Оксиген і Ферум.

Б. Гідроген і Гелій.

В. Гідроген і Оксиген.

Г. Нітроген і Оксиген.

Відповідь. Б.

7.     У результаті якого процесу виділяється енергія в надрах Сонця?

А. Ядерної реакції.

Б. Гравітаційного стиснення.

В. Термоядерної реакції.

Г. Горіння водню.

Відповідь. В.

8.    Грануляція у фотосфері утворюється в результаті того, що:

A На поверхні Сонця є хвилі.

Б. Енергія передається конвекцією .

B. Плями дуже холодні.

Г. Корона дуже гаряча.

Відповідь. Б.

9. Який шар сонячної атмосфери є джерелом видимого випромінювання?

А. Фотосфера;

Б. Хромосфера;

В. Сонячна корона.

Відповідь. А

10.   Що таке Сонце?

А. Велетенське тверде тіло;

Б. Супутник планети;

В. Розжарена газова куля.

Г. Розжарена планета.

Відповідь. В.

Вчитель показує підсумки опитування на екрані на сайті Kahoot

Вчитель: Всі ми живемо на Землі – невеликій планеті, загубленій у безмежному просторі Всесвіту. Всі ми живемо під одним і тим самим небом, яке знову й знову притягує до себе нашу увагу. В ясну ніч на ньому можна побачити декілька тисяч зірок. А скільки мільярдів зірок ховається за смугою Чумацького шляху? Не дивно, що людство тисячоліттями прагнуло розгадати таємницю зоряного неба – неозорого, нескінченного простору, заповненого іншими світами. Кожна зірочка, яка навіть ледве помітно мерехтить на небі, - це величезне світило, часто гарячіше й яскравіше за Сонце. Тільки всі зорі перебувають дуже далеко від нас і тому світять дуже тьмяно. Існує безліч легенд і міфів про зоряне небо, сузір’я і зорі. Послухайте одну із них.

Виступ учня:У давнину з приходом ночі похмурі сутінки окутували Землю і небо нагадувало темний оксамит, на якому не було жодної зорі. Правителькою однієї багатої та могутньої країни була прекрасна принцеса. Багато юнаків хотіли назвати її своєю дружиною, але гордою була принцеса. Повеліла вона: «Той стане моїм чоловіком, хто подарує мені красу».

Багато різних подарунків приносили принцесі: були там і коштовне каміння, золото, багате вбрання. Але ніщо не хвилювало її серце.

Один юнак ( не принц і не цар), який давно кохав принцесу, приніс їй у подарунок найкрасивіше, що він бачив, - букет ромашок.

Здивувалася принцеса і сказала: «Гарний твій подарунок, але не довга його краса. Як зберегти її?»

«Я не чарівник – відповів юнак, - але я кохаю тебе і хочу подарувати тобі красу, яка б залишилася на віки з тобою, подібно до мого кохання».

Високо він підкинув букет білих ромашок. І таким великим було його кохання, що кожна ромашка перетворилась на яскраву зорю. З того часу щоночі, як подарунок всім закоханим, розквітає над Землею прекрасне ромашкове поле. Схиляються над Землею зорі, наче ромашки, чисті, прекрасні, ніжні. І ваблять до себе красою своєю і нерозгаданістю.

Для закоханих зорі дарують зустрічі і надію. Їм вони розповідають свої найкращі казки. Іншим, хто подорожує, - вони вказують дорогу. А для вчених  вони є велика загадка, яку треба розгадати.

У вчених виникають інші питання: Що таке зорі? Як вони рухаються? Як виникли? Що було з ними в минулому і що буде в майбутньому? Чому вони світять мільярди років не змінюючи свого блиску?

На всі ці питання дає відповідь астрономія – наука про Всесвіт, а їй на допомогу завжди приходить наука фізика. То ж сьогодні ми будемо з вами у ролі вчених шукати відповідь на питання: «Чому зорі світять мільярди років не змінюючи свого блиску?». З’ясуємо, що є джерелом тієї нескінченної енергії завдяки якої зорі світять, даруючи нам радість.

3. Повідомлення  теми і завдань уроку

Тема:  «БУДОВА СОНЦЯ. ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ І ЗІР»

Вчитель:Ми вже знаємо, що Сонце являє собою велетенську газову кулю. В продовж 5 млрд. років воно не змінює своїх розмірів. Спробуємо з’ясувати в чому ж тут причина?

 

Учні діляться своїми думками. Вчитель пояснює.

4. Вивчення нового матеріалу

Вчитель: Сонце — велетенська газова куля. Кожен елемент її маси, що знаходиться на відстані від центра, притягається у напрямку до центра. Здавалося б, під дією сили тяжіння повинен настати колапс — швидке падіння речовини у центр Сонця. Тим часом Сонце існує близько 5 млрд років, і астрономи «віщують» йому ще стільки ж у майбутньому. Чому це можливо?

Й. С. Шкловський, відомий астроном радянських часів, дуже образно висловився з цього приводу: « ...Історія існування будь-якої зорі - це справді титанічна боротьба між силою гравітації, яка намагається її необмежено стиснути, і силою газового тиску, що намагається її «розпорошити», розсіяти у навколишньому міжзоряному просторі. Мільйони і мільйони років триває ця «боротьба». Упродовж цих дивовижно великих строків сили рівні. Та врешті-решт перемога буде за гравітацією. Така драма еволюції кожної зорі».

Якби сила тяжіння нічим не урівноважувалась, то вся речовина Сонця за 20 хв. стягнулася б у точку в його центрі. Отже силу тяжіння зрівноважує газовий тиск із середини. Проте, якби не було сили тяжіння речовини, тиск газу за 10 діб розпорошив би всю сонячну речовину.. Отже, фізичні параметри Сонця – тиск, температура і густина – є такими, що в кожній його точці сила тяжіння і тиск врівноважують одне одного.

Стан зорі (Сонця), в якому внутрішній тиск газу і випромінювання зрівноважують вагу речовини, розміщеної вище називається станом гравітаційної рівноваги.

Задача: Зараз ми з вами обчислимо енергію, що випромінюється з поверхні Сонця площею 1 за 1 хвилину, прийнявши температуру його поверхні рівної 5800К.Вважаємо що Сонце випромінює як абсолютне чорне тіло.

Вчитель нагадує, що абсолютно чорне тіло — тіло, яке цілком поглинає проміння (всіх довжин хвиль), що падає на нього. Не зважаючи на назву, абсолютно чорне тіло може випускати теплове випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла визначається тільки його температурою.Один учень біля дошки.

Дано: S= 1 t= 1 хв. T=5800 К.	Розв’язування Енергетична світність тіла R, дорівнює енергії W, випромінюваної тілом у всьому діапазоні довжин хвиль з одиниці поверхні тіла, в одиницю часу, при температурі тіла: Енергія, яку випромінює з одиниці поверхні абсолютно чорного тіла визначається формулою Стефана-Больцмана: σ= 5,67* Вт/* – постійна Больцмана 5,67** =3,8*  Дж. Відповідь : 3,8*  Дж.
W-?

Вчитель: На допомогу прийшла наука фізика. Фізика наука експериментальна, то зараз ви самостійно власноруч зробите спектроскоп та подивитесь на Сонце. На екранах мобільних телефонів у вас з’явиться зображення яке ви сфотографуєте. Світло через спектроскоп розділиться на спектри. Учні роблять висновки.

Експеримент та висновки

(У кожного на парті лежить інструкція (Додаток 1),скотч, ножиці та диск

Вчитель включає фільм 1,після перегляду якого учні починають збирати спектроскоп.

 

Вчитель: Лінії спектру гелію – своєрідні жовто - гарячі і не дивно, що вперше ці лінії побачили у атмосфері Сонця. Щоб зрозуміти це, звернемось до історії відкриттів.

В кінці ХІХ ст. було зроблено ряд відкриттів, які переконливо свідчили про те, що атом і його ядро – ціла складна система. Тому багато вчених були переконані, що саме на цьому шляху слід шукати розв’язання проблем джерел сонячної енергії.

Першим такого висновку дійшов видатний естонський астроном Е. Епік, в 1939 р. американський фізики Х. Бете розробив кількісну теорію ядерних реакцій на Сонці. Згідно з його розрахунками у надрах світила повинні відбуватися реакції перетворення водню в гелій – так звана протонно – протонно реакція.

Якраз реакцію синтезу ядер водню називають термоядерною.

Щоб сталася «перебудова» легких ядер внаслідок їх парних зіткнень, необхідно подолати електростатичне відштовхування між ними, так як ядра є позитивно заряджені протони, і зблизити їх на відстань дії ядерних сил. Тому умовою для початку ядерної реакції є висока енергія взаємодіючих ядер, яку можна досягти за високих температур (106К і вище).

У легких ядрах питома енергія зв’язку збільшується зі зростанням числа нуклонів у ядрі не плавно. Першим відносно стійким ядром серед легких ядер є 42Не. У ньому два протони і два нейтрони. Спіни нейтронів і протонів у ядрі гелію антипаралельні. Сумарний спін ядра дорівнює нулю. Тому в ядрі немає сил відштовхування, зумовленого спіновими і спін-орбітальними силами, ядро упаковано найкраще для такого числа частинок. Наступні максимуми в питомій енергії зв’язку легких ядер спостерігаються там, де число частинок кратне числу частинок, що має 42Не. Це 126С, 168О. Спіни цих ядер також дорівнюють нулю. Якщо два легких ядра з’єднуються, то упаковка кінцевого ядра буде вищою, за рахунок цього при з’єднанні ядер виділиться деяка кількість енергії .

Особливо енергетично вигідно, якщо кінцевим ядром буде ядро гелію або ядро з числом нуклонів, кратним числу їх в ядрі гелію. Матеріалом для реакцій з’єднання (синтезу) є ізотопи гідрогену. Більш важкі ядра для цих реакцій не використовують. Це пов’язано з тим, що вони мають відносно великий електричний заряд, і для зближення двох ядер треба подолати електростатичну силу відштовхування, пропорційну добутку електричних зарядів ядер. Силу відштовхування можна подолати, надаючи ядрам кінетичну енергію. Для цього речовину нагрівають і таким чином збільшують відносну швидкість руху ядер. Навіть ядра дейтерію і тритію (ізотопи гідрогену 21Н і 31Н), що мають найменший електричний заряд, доводиться нагрівати до надто високих температур. Ізотопи гідрогену — дейтерій і тритій — найвигідніші матеріали для реакцій ядерного синтезу. Оскільки ядра з’єднуються за рахунок високої кінетичної енергії, що утворюється при нагріванні, реакції ядерного синтезу називають ще термоядерними. При з’єднанні двох дейтронів (ядер дейтерію) у половини з них утворюються ядро 32Не і нейтрон. При цій реакції виділяється 3,25 МеВ енергії, з якої 2,45 МеВ несе нейтрон:

Друга половина з’єднань двох дейтронів дає протон і ядро тритію — тритон. При цьому виділяється 4,03 МеВ енергії, з якої близько 3 МеВ несе протон:

З’єднання тритона і дейтрона приводить до утворення ядра 42Не і нейтрона. Виділяється 17,6 МеВ енергії, з якої 14,1 МеВ припадає на нейтрон:

 

Ці реакції можуть бути основою для здійснення реакції синтезу атомних ядер для енергетичного використання їх, оскільки вони мають відносно великі значення виділеної енергії. Наприклад, енерговиділення в реакції , розраховане на один нуклон значно перевищує енерговиділення в процесах поділу важких ядер (ω ≈ 0,85 МеВ/нуклон).

А якщо врахувати, що запаси дейтерію на Землі практично невичерпні (він входить до складу води океанів), то стане зрозумілим, що із здійсненням керованої реакції синтезу в земних умовах буде повністю розв’язано проблему енергопостачання.

Отже головним джерелом енергії на Сонці є термоядерний синтез. Головним паливом є водень, який становить 71% усієї маси світила. З чотирьох атомів гідрогену після даної низки перетворень утворюється один атом гелію, якого на Сонці 27% від усієї маси. Ось чому гелій було вперше знайдено в атмосфері Сонця.

Виступ учня (4 хв): Фізики підрахували, які неймовірні запаси енергії криються у термоядерному синтезі. Щоб зрозуміти де і як проходить термоядерна реакція звертаємо увагу на умову її протікання. То ж, щоб розпочалася реакція необхідна висока температура , яка б примусила легкі ядра розганятись до таких швидкостей, що їх енергії вистачило б, щоб зблизитись на відстань дії ядерних сил(велетні з короткими руками) найбільших сил в природі, але діють вони на відстані ядра. За природних умов термоядерні реакції синтезу відбуваються у надрах зір і є основним джерелом їх енергії. Щоб зрозуміти де ж та «пічка», в якій проходить дана реакція, розглянемо внутрішню будову Сонця. Як же воно влаштовано всередині?

У центрі такого світила знаходиться ядро, розмір якого становить 0,3Rо температура якого 15*106К, то її вистачить для перебігу термоядерної реакції.

На відстані 0,7-0,8 Rо від центра Сонця, ядро оточене зоною променистого перенесення енергії. За променистою зоною знаходиться конвективна зона – енергія переноситься шляхом конвекції (при поверхневий шар Сонця «кипить»). Ось так передається енергія до верхніх шарів атмосфери Сонця.

Скільки часу світитиме Сонце, що чекає його в майбутньому. Вчені передбачають, що наступні 5-10 млрд. років запаси сонячного ядра зменшуватимуться і більша його частина перетвориться на («попіл»). Ядро густішатимете, температура зростатиме до 100 млн. К – почнеться синтез ядра в результаті утворяться більш важчі елементи – карбон, оксиген, неон.

При зростанні температури тиск із середини буде перемагати сили гравітації і Сонце збільшиться у розмірі – Червоний гігант.

Подальше стискання охолоджує Сонце і воно зрештою перетвориться на холодне темне тіло – білий карлик. Це станеться через 10 млрд.років.

4.Узагальнення та систематизація

Прийом « Злови помилку»

1.     Промениста зона-це зона, в якій енергія переноситься шляхом випромінювання (вірно).

2.     Випромінювальна зона це зона, в якій енергія переноситься речовиною Сонця (не вірно. Конвективна зона).

3.     Сонце-це розжарена планета( не вірно. Розжарена газова куля)

4.     Стан зорі, в якому внутрішній тиск газу і випромінювання зрівноважує вагу речовини розміщеної вище називається станом нетрадиційної  рівноваги (не вірно. гравітаційної).

5.     Реакція синтезу легких елементів називається термоядерною (Вірно, термоядерна).

5.  Підсумок уроку. Рефлексія

Учні з телефонів переходять  по ссилці     https://bit.ly/2QY75AS   створюють собі нову наліпочку (натиснути на «+»).Підписуюсь свою наліпочку та відповідають на запитання. Вчитель все бачить на великому екрані.

• Кому і в чому допоміг розібратися сьогоднішній урок?
• Що зацікавило вас сьогодні на уроці найбільше?
• Які були труднощі? Чи вдалося їх подолати?
• Чи  допоміг сьогоднішній урок краще розібратися в питаннях теми?

 

6.  Домашнє завдання.

• Зробити модель сонячної системи;
• Вивчити тему уроку.