Передмова

Згідно з типовими навчальними планами загальноосвітніх навчальних закладів, у середній школі України поновлено вивчення астрономії як обов'язкового предмета інваріантної частини навчальних планів. Астрономічну складову введено до Державного стандарту середньої школи України. У цьому документі відзначається: «Зміст астрономічної освіти зорієнтований на забезпечення засвоєння учнями наукових фактів, понять і законів астрономії, методів астрономічних досліджень, усвідомлення ними будови Всесвіту, уявлень про його утворення й розвиток, формування в них наукового світогляду, використання астрономічних знань на практиці, розкриття значення астрономії в цілісному світогляді на мегарівні». Поновлення обов'язкового викладання астрономії — важливий крок у реформуванні української середньої школи, у справі виховання всебічно освіченої людини, яка житиме в сучасному світі — світі високих технологій, в епоху освоєння людством космічного простору. Це стало можливим завдяки кількарічним зусиллям астрономічної громадськості України [4, 31].

Вивчення астрономії передбачено в 11 класі — у загальноосвітніх школах та закладах технологічного та гуманітарного напрямів в обсязі 17 год, у закладах природничо-математичного напряму — 34 год. Це, звичайно, дуже мало, тому вчителеві слід докласти зусиль, щоб ефективно використати відведений час і сформувати в учнів необхідні мінімальні уявлення про Всесвіт, про шляхи та результати його пізнання людиною.

Пропонований посібник покликаний допомогти вчителеві у розв'язанні цього завдання. Він містить чотири розділи. У першому розділі висвітлено мету, завдання та шляхи середньої астрономічної освіти, подано загальні методичні вказівки та поради. У ньому також розглянуто найважливіші астрономічні поняття, на засвоєнні яких учнями вчителеві слід насамперед зосередити зусилля, та методику проведення необхідних під час вивчення астрономії спостережень. Другий розділ містить матеріали до проведення окремих уроків астрономії. При цьому передбачено використання підручника «Астрономія» М. П. Припіляка (надалі підручник «Астрономія-11»). Але, звичайно, учитель може користуватися посібником і в разі

g-BANOHL

Передмова

роботи з іншим підручником та в межах іншої кількості годин. Наприкінці цього розділу наведено рекомендовані теми реферативних робіт з астрономії. У третьому розділі вміщено програми можливих дисциплін за вибором школи, а також факультативів з астрономії та космонавтики; дібрано цікаві задачі з астрономії.

Посібник містить також добірку ключових слів та основних термінів. При цьому слід мати на увазі, що наведені тут визначення термінів орієнтовані на вчителя, а він може подавати їх учням на свій розсуд, ураховуючи профіль школи, особливості класу тощо. Зокрема, можна опускати подані в дужках уточню-вальні частини пояснень термінів.

У Додатках уміщено допоміжні матеріали — географічні координати обласних центрів України, адреси астрономічних установ і планетаріїв України, відомості про Сонячну систему, дані, необхідні для проведення навчальних астрономічних спостережень тощо.

g-BANOHL

g-BANOHL

Розділ I

ЗАГАЛЬНА МЕТОДИКА ВИКЛАДАННЯ АСТРОНОМІЇ

►

МЕТА, ЗАВДАННЯ ТА ШЛЯХИ

АСТРОНОМІЧНОЇ ОСВІТИ

Ще з античних часів астрономія була складовою частиною освіти молоді. Пов'язано це з важливим значенням астрономічних знань для розвитку наглої цивілізації. Зародки цих знань належать ще до первісних часів. Уже тоді почали формуватися дві найважливіші соціальні функції астрономії — прикладна (орієнтація людини в часі та просторі, що є необхідною умовою її виробничої діяльності, соціального та повсякденного життя) і загальнокультурна (визначення місця та ролі людини в структурі Всесвіту). Протягом тисячоліть астрономічна картина світу є невід'ємною складовою загальнонаукової картини світу та однією з підвалин наукового світогляду в цілому, саме тією, що містить інформацію про просторово-часову будову світу, у якому живе й діє людина.

Значення астрономії як необхідного елемента сучасної середньої освіти підсилюється такими чинниками:

а)зростанням пізнавального, економічного та соціально-культурного значення освоєння космосу, важливістю цього процесу в розв'язанні глобальних проблем людства, насампередекологічних; місцем і роллю в ньому України як космічноїдержави;

б)пізнавальними процесами на межі космології та фізикинадвисоких енергій, що ведуть до створення єдиної теоріїфізичних взаємодій і фундаментальних зрушень у фізичнійта астрономічній картинах світу, в уявленнях людини пронавколишній світ у цілому (антропний принцип, ідея множинності всесвітів);

в)поширенням останнім часом антинаукових та позанауко-вих, а по суті міфічних уявлень, астрологічних зокрема.

Розділ І

Викладання астрономії мусить входити до інваріантної компоненти середньої освіти як окрема дисципліна, що завершує цикл фізико-математичних та природничо-наукових предметів, сприяє формуванню наукового світогляду, демонструє дію фізичних законів у різних просторово-часових масштабах, а також застосування математичних методів пізнання природи й водночас показує силу та велич пізнавальних можливостей людини. При цьому повною мірою слід використовувати гуманістичний аспект змісту та історії астрономії, зокрема відзначати внесок учених України в розвиток науки про Всесвіт.

Застосовуючи історичний підхід до вивчення матеріалу, треба звертати увагу на роль астрономії у формуванні наукового методу пізнання, у загальнокультурному розвиткові людства.

Основні завдання астрономічної освіти:

· закладання основ знань про методи та результати досліджень руху, фізичної природи й еволюції небесних тіл та їхніх систем, будову й еволюцію Всесвіту в цілому;

· показ ролі астрономії в пізнанні фундаментальних законівприроди, використання яких є основою науково-технічного прогресу та розв'язання глобальних проблем людства,у формуванні сучасної природничо-наукової картини світу;

· сприяння формуванню наукового світогляду та навичок діалектичного мислення, формуванню імунітету проти антинаукових поглядів;

· більш повне та послідовне, ніж в інших предметах, ознайомлення учнів з основами, значенням і перспективамирозвитку космонавтики, зокрема значенням космонавтикидля економічного й соціального розвитку України та можливостями нашої країни як космічної держави;

· опанування учнями розуміння астрономічних явищ, із якими людина стикається в повсякденному житті, і засвоєнняними елементарних умінь застосовувати ці явища для орієнтування в просторі й часі.

Астрономія має викладатися у випускному класі середньої ніколи з урахуванням типу та профілю навчального закладу.

У загальноосвітній школі та гімназіях гуманітарного профілю викладання астрономії мусить спиратися на загальнокультурну орієнтацію, а також розуміння явищ, із якими людина стикається в повсякденному житті.

6

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

У закладах та класах науково-природничого профілю слід, крім того, розкривати еволюційні зв'язки між різними формами руху та структурної організації матерії у Всесвіті — фізичною, хімічною, біологічною, соціальною тощо.

Під час викладання астрономії в закладах і класах фізико-математичного профілю найбільпі послідовно мають використовуватися попередньо набуті учнями знання з фізики та математики, що сприятиме глибшому засвоєнню цих знань, розумінню їхнього значення, оволодінню методами їх застосування. У таких закладах і класах учням слід запропоновувати вибіркові предмети й факультативи з астрономії та космонавтики.

Послідовному вивченню основ астрономії у випускному класі мусить передувати ознайомлення учнів з окремими елементами астрономічних знань на попередніх етапах навчання — під час вивчення природознавства, фізики, географії та математики.

Підкреслюючи загальнокультурну орієнтацію у викладанні астрономії, не можна разом з тим забувати, що астрономія є однією з фізико-математичних наук. Тому її неможливо вивчати без засвоєння певної сукупності кількісних характеристик небесних тіл, без послідовного використання знань із фізики й математики.

Необхідною і в той же час специфічною складовою вивчення астрономії є виконання учнями під керівництвом вчителя спостережень астрономічних об'єктів та явищ. Програмою передбачено обов'язковий мінімум таких спостережень.

Важливим елементом засвоєння дисципліни є розв'язування задач та виконання вправ. При цьому треба звертати увагу на одержання правильних числових відповідей, зважаючи на певні труднощі, пов'язані з використанням різних одиниць виміру й дуже великих або дуже малих за порядком величин (числових значень мас, густин, відстаней, проміжків часу тощо). При цьому йдеться про явища, що безпосередньо не пов'язані з виробничою діяльністю. Тому застосування системи одиниць СІ не завжди є доцільним, застосування інших систем, зокрема CGS (як це й передбачено відповідними нормативними документами) зустрічається в астрономічній літературі, у тому числі й науково-популярній. Широко вживаними в астрономії є й специфічні для неї одиниці довжини (астрономічна одиниця, парсек, світловий рік).

g-BANOHL

Розділ І

Особливе значення під час вивчення астрономії має робота з рухомою картою зоряного неба та астрономічним календарем. Для матеріального забезпечення викладання астрономії треба створити астрономічний куточок у кабінеті фізики, в якому має бути шкільний телескоп, телурій, набір демонстраційних матеріалів — плакатів, фотографій, слайдів, комп'ютерних зображень, зокрема динамічних. Якщо в місті є планетарій, слід використовувати його можливості. Як правило, планетарії можуть запропонувати цикли лекцій, які відповідають шкільній програмі з астрономії.

Дуже великі можливості у викладанні астрономії має використання комп'ютерів. Це комп'ютерні планетарії, атласи зображень космічних об'єктів, зокрема зображень планет та їхніх супутників, одержані за допомогою ракетно-космічної техніки, комп'ютерні тести для контролю та самоконтролю знань тощо. Однак досвід показує, що часто недостатньо мати дискету чи компакт-диск із відповідною програмою. Треба знати апаратні та програмні вимоги до комп'ютера, бажано мати інструкцію користувача до цієї програми. У Додатках наведено таку інструкцію до російськомовної версії однієї з поширених навчальних програм з астрономії «REDSHIFT-3», яка являє собою комп'ютерний планетарій та астрономічну енциклопедію. Інструкцію склав старший науковий співробітник Науково-дослідного інституту астрономії Харківського національного університету В. Г. Кайдаш, за що автори посібника висловлюють йому свою щиру подяку.

Традиційною важливою ланкою астрономічної освіти є поза-класна та позашкільна робота з юними любителями астрономії. Це робота астрономічних гуртків і клубів в окремих школах, при позашкільних закладах освіти, при планетаріях. Це участь у роботі секцій астрономії Малої академії наук. У рамках цієї структури проводяться шкільні, районні, обласні та республіканські тури конкурсу науково-дослідних робіт школярів (починаючи з 9 класу). Це участь у щорічному конкурсі «Зоряний шлях» та інших заходах, які проводяться Національним центром аерокосмічної освіти молоді України та Українським молодіжним аерокосмічним об'єднанням «Сузір'я». Це участь в астрономічних олімпіадах, зльотах юних астрономів і таке інше. Про можливість ефективної діяльності в цьому напрямі свідчить досвід роботи астроклубу середньої школи с. Чернігів-

8

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

ка Чернігівського району Запорізької області (аматорське те-лескопобудування, учитель В. Г. Мормиль), колективів юних астрономів Криму (спостереження метеорних явищ), астроклу-бу Ужгородського регіонального відділення УМАКО «Сузір'я» (керівник В. М. Михайлець), аерокосмічного ліцею «Вертикаль» м. Харкова (учитель М. С. Баранов).

Учитель фізики, якому доручено викладання астрономії, може звернутися по допомогу та за консультацією (особисто або письмово) до планетаріїв, астрономічних наукових закладів класичних та педагогічних університетів. Насамперед це університети в Києві, Харкові, Одесі, Львові, де є кафедри астрономії та астрономічні обсерваторії, а також у Сімферополі, Івано-Франківську, Ужгороді.

Провідними астрономічними установами України є Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України (ГАО НАНУ) в Києві, Кримська астрофізична обсерваторія, Радіоастрономічний інститут НАНУ в Харкові, Миколаївська астрономічна обсерваторія, Полтавська гравіметрична обсерваторія.

Поточну інформацію, корисну для викладання астрономії та позакласної роботи з астрономії й космонавтики, можна знайти в російських журналах «Земля и Вселен-ная» та «Звездочет», у часописах «Наше небо» (видається Київським планетарієм), «Пульсар» і «Сузір'я» (видається УМАКО «Сузір'я»), а також у мережі ІНТЕРНЕТ на сай-тах журналу «Звездочет» (www.astronomy.ru); Астрономічного календаря ГАО НАНУ (www.mao.kiev.ua); «Новости астрономии» (www.astronet.ru); «Астрономические новости» (http://astronets.prao.psn.ru/index.html); «Путівник астронома по Інтернету» (http://astra.prao.psn/sam/ win/astro.htm); «Вся Вселенная на ладони» (http://content.mail.ru/pages./ p_11645.html); «Компьютерньїе астрономические анимации» (http://www.univ-rennesl.fr/ASTRO/anim-e.html); «Виртуаль-ньій музей космонавтики» (http://www.ccas,ru/~ chernov/ vsm/); «Космические новости» (http://pereplet.ru/cgi/space. cgi); «Астрономическая картинка дня» (http://antwrp.gstc. nasa.gov/apod/archivepix.html)»; «Урания — астрономиче-ский портал» (http://www.pereplet.ru/pops/); «Europa — Space Home» (http://europa.eu.int/comm/space/indexen. html); «Science@Nasa» (http://science. nasa.gov/default.html).

9

g-BANOHL

g-BANOHL

Розділ І

►

ВИКЛАДАННЯ ОСНОВНИХ ПОНЯТЬ АСТРОНОМІЇ

Поряд із застосуванням знань зі нікільної програми фізики та математики під час викладання астрономії доводиться використовувати специфічні для неї поняття й методи. Зупинимося на найважливіших із них. Крім того, розглянемо деякі характерні риси астрономії, зокрема ті, що відрізняють її від фізики.

СИСТЕМИ АСТРОНОМІЧНИХ КООРДИНАТ

Це координати, що визначають розташування об'єкта (зорі, планети) на небесній сфері — сфері довільного радіуса з центром у точці, у якій знаходиться спостерігач. Положення точки на сфері визначається двома величинами центральних кутів (або рівних їм дуг). Один із цих кутів відраховується вздовж основної площини системи, а другий — від цієї площини в площині, перпендикулярній до основної (або від напрямку, перпендикулярного до основної площини). Кожного разу слід чітко усвідомлювати, яка площина є основною, від якої точки відраховується координата вздовж цієї площини, від чого відраховується інша координата, які назви мають ці координати. Найбільш вживані системи координат — горизонтальна та екваторіальні (перша й друга).

Перевага горизонтальної системи координат і водночас необхідність використовувати цю систему полягають у її принципово простій фізичній реалізації. Основна площина цієї системи — горизонтальна — відтворюється за допомогою двох взаємоперпендикулярних рівнів, а основна вісь — вертикальна — за допомогою виска. Тому в цій системі зручно вимірювати координати світил за допомогою відповідних кутомірних пристроїв (універсальний інструмент, меридіанне коло та інші). Але внаслідок добового обертання небесної сфери віднос-

10

Загальна методика викладання астрономії

но спостерігача, який обертається навколо осі обертання Землі разом із земною кулею, горизонтальні координати (азимут та висота або зенітна відстань) упродовж доби змінюються. При цьому така зміна відбувається складно — нелінійно та немоно-тонно — і, крім того, залежить від географічної широти спостерігача. Тому й доводиться розглядати першу та другу екваторіальні системи координат. У першій з них кутова відстань світила від основної площини — площини небесного екватора (схилення) — уже не залежить від добового обертання небесної сфери, друга координата (годинний кут) змінюється рівномірно. У другій екваторіальній системі друга координата (пряме сходження) відлічується від точки весняного рівнодення, що бере участь у добовому обертанні небесної сфери, і тому також практично не змінюється протягом доби. Тому координати небесних тіл (зір, планет та ін.) даються саме в другій екваторіальній системі координат. Зауважимо також, що сама назва «пряме сходження» пов'язана з тим, що чим більшим воно є, тим пізніше сходить дане світило (зустрічається й назва «пряме піднесення», але, як на наш погляд, вона не є правильною).

За традицією, кути (або дуги), що є координатами в тій чи іншій системі, виражаються в градусній мірі (градуси, дугові мінути та секунди) або часовій мірі (години, хвилини та секунди). Для обчислень на ПК, а також тоді, коли маємо справу з кутами настільки малими, що їхній синус або тангенс можна замінити самим кутом, треба мати значення кута в радіан-ній мірі. Знаючи визначення градуса, радіана й те, що повному колу в часовій мірі відповідають 24 години, неважко одержати співвідношення для переходу від градусної або часової міри до радіанної і навпаки та від градусної до часової і навпаки. Дуже корисно, щоб самі учні обчислили таблицю таких співвідношень і надалі користувалися нею.

ВИМІРЮВАННЯ ЧАСУ

Важливе значення, особливо під час проведення спостережень, має обізнаність з основними поняттями, що пов'язані з вимірюванням часу. Треба усвідомити, що вимірювати час з огляду на його одновимірність можливо тільки за допомогою якогось періодичного процесу, період якого й береться

її

g-BANOHL

Розділ І

за основну одиницю виміру часу. В астрономії таким головним процесом є добове обертання Землі й пов'язане з ним видиме обертання небесної сфери. Системи відліку часу відрізняються одна від одної тим, обертанням саме якої точки на небесній сфері вимірюється час у межах доби. Якщо це точка весняного рівнодення, то це буде система вимірювання зоряного часу, якщо центр диска Сонця — істинного сонячного часу, якщо так зване середнє Сонце — середнього сонячного часу (яким ми й користуємося в повсякденному житті). Слід також розуміти те, яке положення відповідної точки береться за початок доби, а також те, що момент початку доби неоднаковий для місць на різних меридіанах земної кулі. З останнім пов'язана необхідність уведення понять місцевого, всесвітнього та поясного часу. Додаткове ускладнення викликає щорічний перехід від зимового часу до літнього й навпаки, але цей захід є економічно доцільним.

ОДИНИЦІ ВІДСТАНІ В АСТРОНОМІЇ

Відстані між планетами Сонячної системи становлять сотні мільйонів та мільярди кілометрів. Відстані між зорями в Галактиці, а тим більше відстані до позагалактичних об'єктів, та їхні розміри ще значно більші. У цих умовах використання прийнятих у земній практиці одиниць довжини не є доцільним. Тому в астрономії широко вживаними є спеціальні одиниці довжини. У межах Сонячної системи це астрономічна одиниця (а. о.) — величина великої півосі земної орбіти. Одна а. о. дорівнює 149,6 млн км. Використання астрономічної одиниці для вимірювання відстаней, а року для вимірювання часу дуже спрощує застосування третього закону Кеплера під час розгляду руху планет та інших тіл Сонячної системи й розв'язування відповідних задач. Поза межами Сонячної системи застосовується одиниця довжини, що дістала назву «парсек». Це слово утворилося від виразу «паралакс-секунда». Один парсек (1 пк) — це відстань, на якій річний паралакс дорівнює одній кутовій секунді. Тобто це відстань, із якої велику піввісь земної орбіти видно під кутом в одну секунду дуги. Оскільки в одному

180радіані міститься60-60 = 206 265 секунд дуги, то:

тс

12

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

= 1,5108км-206265 = ЗД1013км. У популярній літературі використовується також одиниця «світловий рік» — відстань, яку проходить світло за один рік. Відповідні обчислення показують, що 1 пк = 3,26 св. р. Зауважимо також, що раніше для парсека використовувалося позначення пс, але в системі СІ — це позначення пікосекунди, тому зараз парсек позначається як пк.

ЗОРЯНА ВЕЛИЧИНА

Як відомо, основи фотометрії зараз вилучено з програм фізики середньої школи (як це не дивно). Але в астрономії без них зовсім обійтися неможливо. Тому нагадаємо їх. Яскравість — це кількість електромагнітної енергії, що її випромінює або відбиває поверхня одиничної площі в одиничному тілесному куті в одиницю часу. Освітленість — це кількість енергії, що падає на одиничну поверхню за одиницю часу. Потік випромінювання — це кількість енергії, що падає (або проходить) крізь одиничну поверхню за одиницю часу в певному тілесному куті (наприклад у повному тілесному куті 4п , або розгорнутому куті 2л; , або в тому тілесному куті, під яким ми спостерігаємо певний небесний об'єкт). Якщо вказані вище величини визначаються енергією, яка зосереджена в певному одиничному інтервалі довжин хвиль або частот і належить до конкретної довжини хвилі або частоти, то відповідні величини мають назву монохроматичних. Зауважте, що у визначеннях ідеться про електромагнітну енергію, а не про енергію світла, бо в астрономії ці поняття застосовуються до будь-якого діапазону електромагнітного випромінювання. Важливо також розуміти, що освітленість і потік є обернено пропорційними квадрату відстані між об'єктом спостереження та спостерігачем, а яскравість від відстані не залежить.

Зоряна величина об'єкта — це міра освітленості, яку він створює в місці спостереження на площині, перпендикулярній до напрямку на нього. Але через ряд обставин ця міра є логарифмом освітленості з протилежним знаком і певним чином обраною одиницею освітленості. Головною з цих обставин є психофізичний закон Вебера — Фехнера, за яким відчуття логарифмічно залежить від енергії збудження. При цьому

ІЗ

g-BANOHL

Розділ І

основою логарифмів є число, десятковий логарифм якого дорівнює 0,4 (це приблизно 2,512). Вибір цієї основи пов'язаний з тим, що людина у змозі одночасно мати справу не більш ніж із 5—7 поняттями. Тому Гіппарх і розбив усі видимі неозброєним оком зорі саме на шість груп за їхньою характеристикою, яку він назвав зоряною величиною. Сучасне кількісне визначення зоряної величини ввів у 1857 р. англійський астроном Н. Погсон. Позначення зоряної величини — буква т у показнику степеня (від magnitude — величина). Зауважимо, що різниця в 1т відповідає відношенню освітленостей приблизно в 2,5 разу, а різниця в 5т — рівно в 100 разів. Зі знаком «мінус» у визначенні зоряної величини пов'язане те, що чим більшу освітленість створює той чи інший небесний об'єкт, тим менше алгебраїчне значення має його зоряна величина (а з останнім пов'язане вживання висловів «зірка першої величини», «зірка естради» іт. п.).

Треба чітко усвідомлювати, що поняття зоряної величини характеризує саме освітленість, створювану небесним тілом у місці, де його спостерігають, а не його яскравість. Про яскравість зір взагалі не можна говорити. Бо яскравість — це кількість енергії, що її випромінює тіло з одиниці площі своєї поверхні, а зорі ми спостерігаємо лише як точкові об'єкти. Тому інколи говорять, що зоряна величина визначає таку характеристику небесного тіла, як його блиск.

Найбільш придатна під час використання зоряних величин формула, яка пов'язує освітленості Е та зоряні величини т двох об'єктів (насамперед зір):

°4(тг).(2.1)

Дуже корисно для засвоєння поняття зоряної величини розв'язувати задачі на обчислення сумарного блиску подвійної зорі за блиском її компонентів і одного з компонентів за сумарним блиском та блиском другого компонента.

Практично зоряна величина залежить і від способу її вимірювання. Різні приймачі випромінювання (око людини, фото-платівка, фотоелемент) неоднаково реагують на світло з різною довжиною хвилі. Тому розрізняють візуальні, фотографічні, фотоелектричні та інші фотометричні системи зоряних величин. І кожного разу треба усвідомити, з якою зоряною величиною ви

її

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

маєте справу. Зрозуміло, що освітленість, створювана в даному місці небесним тілом, залежить не тільки від кількості енергії, яку воно випромінює або відбиває, а й від відстані до цього тіла. Тому безпосередньо виміряна зоряна величина має назву видимої зоряної величини. А та зоряна величина, яку це тіло мало б, якби знаходилося на певній стандартній відстані,— це його абсолютна зоряна величина. За таку стандартну відстань береться одна астрономічна одиниця для тіл Сонячної системи й 10 парсек для об'єктів поза її межами.

Оскільки освітленість Е змінюється обернено пропорційно квадрату відстані до джерела, то з урахуванням визначення парсека результат логарифмування формули (2.1) пов'язує абсолютну та видиму зоряні величини зорі й відстань до неї в парсеках:

M = m + 5-51gr = m + 5 + \gp ,(2.2)

дер — паралакс зорі. Це так звана основна формула зоряної астрономії.

СПОСТЕРЕЖНИЙ ХАРАКТЕР АСТРОНОМІЇ

Увесь досвід астрономічних досліджень указує на те, що в космосі діють ті ж самі фізичні закони, що їх вивчає фізика на Землі. Але головна відмінність астрономії від фізики полягає в тому, що в основі першої — не експеримент, а спостереження. Сучасні астрономічні спостереження — це, як правило, вимірювання певних характеристик випромінювання тих чи інших небесних об'єктів, вимірювання напрямку, звідки приходить випромінювання, або його фізичних характеристик — інтенсивності, спектрального складу, стану поляризації. І часто доводиться мати справу з дуже малими кутами, дуже слабкими потоками в умовах, коли наявні похибки вимірювань. Нерідко ці похибки є зіставними із самою вимірюваною величиною. Тому дуже важливим етапом астрономічних досліджень є накопичення спостережних даних та оцінка їхньої вірогідності методами математичної статистики. Нерідко характеристики небесних тіл, насамперед зір, визначаються не з безпосередніх вимірювань, а оцінюються за тими чи іншими залежностями між цими характеристиками, що мають статистичний характер

15

g-BANOHL

Розділ І

і виконуються лише з певним розкидом. Тому дуже важливо знати не тільки числове значення певної величини, а й точність її визначення. Зокрема, це треба мати на увазі під час розв'язування задач і не проводити обчислення із зайвою кількістю значущих цифр, яка не відповідає точності вихідних даних.

Слід відзначити також, що в останні десятиріччя спостерігається відчутний прогрес у створенні нових засобів астрономічних спостережень: створюються нові покоління телескопів великого діаметра, нові чутливі твердотільні приймачі випромінювання на основі так званих приладів із зарядовим зв'язком (ПЗЗ-матриці), успішно працює на навколоземній орбіті космічний оптичний телескоп «Габбл» з діаметром дзеркала 2,4 м. Усе це приводить до відкриття багатьох нових небесних об'єктів. Тому дані про кількість відомих астрономічних об'єктів певних класів можуть досить швидко змінюватися. Насамперед це стосується кількості відкритих (занумерованих) малих планет та знайдених позасонячних планетних систем. На кінець 2004 р. відкрито майже 50 тис. малих планет, серед яких понад 800 у зовнішньому поясі астероїдів — поясі Койпера (поза орбітами Нептуна та Плутона); знайдено більш ніж 2000 астероїдів, що зближуються із Землею; відомо вже близько 250 позасонячних планетних систем. Щодо кількості супутників у планет-гі-гантів, то є підстави вважати, що немає принципової різниці між дрібним супутником та структурними елементами кілець планет-гігантів. Тому питання про точну кількість супутників узагалі втрачає сенс. І доцільніше говорити про кількість відомих наданий час супутників планет-гігантів.

ОСОБЛИВОСТІ ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ВСЕСВІТІ

Дуже великі масштаби в просторі та в часі, характерні для явищ і процесів у космосі, приводять до того, що ті самі фізичні закони, які діють і на Землі, виявляють себе тут дещо специфічно порівняно із земною лабораторною фізикою. Так, наприклад, рух у суцільному середовищі всіх астрофізичних об'єктів має турбулентний характер, бо число Рейнольдса, пропорційне характерному лінійному розміру явища, завжди має велике значення.

16

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

В астрофізиці, на відміну від лабораторних умов, виняткове значення має магнітогідродинамічний ефект, який полягає в підсиленні слабкого початкового магнітного поля рухами провідного суцільного середовища, він є основним механізмом виникнення магнітних полів у космосі. Це також пов'язано з великими лінійними розмірами явищ і турбулентним характером усіх рухів.

У космосі надзвичайно важливими є процеси взаємодії речовини та електромагнітного випромінювання — випромінювання, поглинання та розсіяння електромагнітної енергії речовиною зір та їхніх атмосфер, планетних атмосфер і поверхонь, міжпланетного та міжзоряного середовища. А оскільки взаємодія фотонів з атомами та молекулами речовини є процесом мікрофізичним, квантовим, то виняткове значення мають квантові закони — закон спектрального розподілу теплового випромінювання абсолютно чорного тіла (закон або формула Планка) та його наслідки — закони Стефана — Больцмана та Віна. Перенесення енергії випромінюванням відіграє провідну роль в астрофізичних об'єктах, хоча конвективний та турбулентний механізми перенесення тепла також можливі. Поряд із тепловим випромінюванням подекуди діють і нетеплові механізми випромінювання — циклотронний, синхротронний, мазерний.

Головною в процесах еволюції космічних об'єктів є сила тяжіння. Вона визначає форму та внутрішню будову зір і планет, рух небесних тіл. При цьому в дуже широкому інтервалі мас достатньо ньютонівської теорії гравітації. У надмасивних і компактних об'єктах (чорні діри, квазари, активні ядра галактик) та у Всесвіті в цілому слід застосовувати загальну теорію відносності.

ВИВЧЕННЯ ПЛАНЕТ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ

Під час вивчення теми «Планети Сонячної системи» зазвичай виходять із розуміння самого поняття «планета» як тіла, що рухається навколо Сонця та світить відбитим від його поверхні сонячним світлом. Але це, з одного боку, не дозволяє розділити великі та малі планети, відділити великі планети від астероїдів

17

g-BANOHL

Розділ І

і періодичних комет. З другого боку, випромінювання планет в інфрачервоному діапазоні та радіодіапазоні — це їхнє власне теплове випромінювання. Тому бажано мати таке визначення терміна «планета», яке б виділяло планети як певний клас космічних тіл. У наведеному нами визначенні (див. с. 226) підкреслено, що маса тіла має бути достатньою для того, щоб його гравітаційна енергія була співвідносною з енергією кристалічних ґраток. Це треба для того, щоб могла відбуватися гравітаційна диференціація речовини, тобто просторове розділення різних за молекулярною масою компонент речовини планети (утворення ядра, мантії, кори, атмосфери планети). Слід, однак, мати на увазі те, що наведене визначення об'єднує в один фізичний клас космічних об'єктів і великі планети Сонячної системи, і їхні великі супутники.

На початку вивчення цієї теми доцільно також скористатися поняттями газової, льодяної та важкої компонент речовини Сонячної системи та їх розподілом у протопланетній хмарі. Це дозволяє зрозуміти причини існування планет земної групи та планет-гігантів і відмінностей в їхній фізико-хімічній природі. Без цього викладання теми може звестися до простого перелічування планет та їхніх характеристик, що переобтяжує матеріал великою кількістю фактів і кількісних даних без встановлення логічних зв'язків між ними.

Усупереч загальноприйнятій схемі вивчення теми «Планети Сонячної системи», коли розглядаються окремі планети, як правило, у порядку їхньої відстані від Сонця, доцільно, на наш погляд, запропонувати таку послідовність викладання цього матеріалу. Учням подаються основні відомості про орбітальний рух та осьове обертання, розміри та фізико-хімічні властивості планет, їхню внутрішню будову, будову їхніх атмосфер у вигляді послідовності таблиць, на зразок наведених у Додатках (у вигляді плакатів, за допомогою технічних засобів або роздавального матеріалу). Подальше вивчення матеріалу відбувається не за «горизонталлю», а «за вертикаллю», тобто розглядаються не різні властивості якоїсь однієї планети, а значення певної характеристики всіх планет у їх зіставленні між собою. Так, зіставлення розмірів, густин і хімічного складу одразу ж чітко виявить розподіл планет на планети земного типу та планети-гіганти, різницю між воднево-гелієвими Юпітером і Сатурном та льодяними, хоча й рідкими Ураном і Нептуном, різницю між

18

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

атмосферою Землі й атмосферами Венери та Марса і таке інше. Природно, виникають і питання про те, чому це так і чи можна встановити зв'язки між умовами утворення та еволюції окремих планет та їхніми властивостями. Саме порівняння значень різних характеристик планет між собою, а також наслідки, що випливають із цього порівняння, стає предметом пізнавальної діяльності учнів, а не механічне заучування цих характеристик. Звичайно, за такого підходу виникає питання про організацію роботи учнів удома над матеріалом цієї теми. Тут, мабуть, треба використати складений учителем конспект, а також перші розділи книжки [25].

До речі, таблична форма подання матеріалу, яка сприяє не послідовному, а паралельному сприйняттю однотипних понять та даних, може бути застосована і в інших темах курсу астрономії, таких як системи астрономічних координат, спектральна класифікація зір, класифікація нестаціонарних та подвійних зір, де важливо чітко сформулювати принцип побудови систем координат або принцип відповідної класифікації, а потім подати конкретну часткову інформацію в згорнутому табличному вигляді.

ЕВОЛЮЦІЯ ВСЕСВІТУ

Це, мабуть, найскладніша й у той же час одна з найважливіших тем курсу астрономії. Можна, зрештою, обмежитися посиланням на відомий зі спостережень факт розширення Всесвіту (червоне зміщення в спектрах позагалактичних об'єктів) і на наближене значення сталої Габбла як величини, оберненої до часу цього розширення, що випливає з порівняння співвідношень

г

v - Нг та v — — , де v — швидкість галактики, г — відстань до

t

неї, t — час. Для підтвердження необхідності нестаціонарності (розширення) Всесвіту достатньо послатися на фотометричний парадокс, що виникає в безмежному ньютонівському світі й пояснюється досить просто. При цьому дуже корисною є нескладна, але змістовна аналогія між Всесвітом, що розширюється, і його двовимірною моделлю — повітряною кулькою, що роздувається. Вона наочно показує, що відбувається не рух об'єктів (галактик) у просторі, а еволюція (метрична) самого простору.

19

g-BANOHL

Розділ І

Наступний етап — це пояснення трьох основних стадій цієї еволюції: інфляційної, стадії випромінювання та стадії речовини. Для цього треба усвідомити, що характер метричної еволюції Всесвіту визначається рівнянням стану переважаючої на даний час фізичної форми матерії. Це рівняння в космології використовується у вигляді зв'язку між тиском р та середньою густиною енергії є: р = кг. Якщо переважає речовина в основному у вигляді зір, які практично не зіштовхуються між собою, тор-0, що і є стадією речовини, де залежність лінійних параметрів Всесвіту така ж, як і закон прямолінійного руху матеріальної точки в ньютонівському всесвіті. Але при цьому густина енергії випромінювання зменшується швидше, ніж у речовини, бо зменшується не тільки концентрація фотонів, але й енергія кожного фотона внаслідок збільшення довжини його хвилі. Тому раніше внесок густини випромінювання вважався визначальним і темп розширення Всесвіту визначався

£

його рівнянням стану, яке має вигляд р = — . Це й була стадія

о

випромінювання. Але на ранньому етапі еволюції Всесвіту, коли він був надзвичайно щільним та гарячим, матерія могла існувати лише у формі так званого фізичного вакууму з досить дивним на перший погляд рівнянням стану р — -£, що приводить до експоненціального (показникового) закону розширення Всесвіту,— це і є інфляційна стадія (до речі, грошова інфляція розвивається за таким же законом, якщо їй не протидіють ан-тиінфляційні процеси, у чому ми в Україні могли переконатися в 1992—1995 рр.).

Ще вищий рівень — це розглядання фізичної еволюції Всесвіту, тобто послідовної зміни основних фізичних форм існування матерії — від фізичного вакууму до атомів та молекул, але це потребує мінімальних знань із фізики елементарних частинок.

АНТРОПНИЙ ПРИНЦИП

Надзвичайно цікаві пізнавальні процеси, що відбуваються на стику фізики надвисоких енергій та космології раннього Всесвіту, мають велике значення не тільки для фізики та астрономії, а й для уявлень людини про навколишній світ у цілому,

20

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

для всієї людської культури. Ранній (квантовий) етап еволюції Всесвіту і є тією предметною цариною, яка безпосередньо потребує єдиної теорії взаємодій. З другого боку, ті наслідки фізичних процесів раннього Всесвіту, які зараз спостерігаються,— єдина можливість перевірки цієї теорії. Такі пізнавальні процеси ще тільки інтенсивно розвиваються, є різні теоретичні схеми побудови єдиної теорії поля, різні сценарії еволюції раннього Всесвіту. Але з тих результатів, що вже одержані, і з тих перспектив, що проглядаються, можна зробити принаймні два важливі висновки загальнонаукового та світоглядного значення.

Перший із них полягає в тому, що найбільш загальні та глибинні властивості нашого світу — його фундаментальні фізичні властивості — перестають бути просто сукупністю емпіричних фактів. Ми можемо ставити питання, а головне, шукати на них відповіді: чому ці властивості саме такі та як вони виникли. Це стосується таких засад буття, як вимірність простору, кількість фундаментальних взаємодій та значення констант, що їх визначають, спектр мас елементарних частинок. Отже, основи фізики — науки про найбільш загальну форму руху матерії — набувають еволюційного характеру. У зв'язку з цим нагадаємо, що модель гарячого Всесвіту заклала еволюційний фундамент хімії (а відтак і біології), а сама ідея нестаціонарного Всесвіту є найбільш грандіозним виявом еволюціонізму в сучасній астрономії. Таким чином, на межі XX і XXI століть усе природознавство набуває послідовно еволюційного характеру.

Другий висновок пов'язаний із так званим антропним принципом. Зараз можна навести цілу низку фізичних та астрофізичних фактів і міркувань, які свідчать про те, що згадані вище фундаментальні фізичні характеристики визначають не тільки все розмаїття фізичної та астрономічної картини нашого світу, але і його властивості в інших аспектах, на інших ступенях буття. Основні з цих фактів такі. Існування гравітаційно та електростатично зв'язаних систем і водночас їхнє руйнування можливе лише в тривимірному просторі. Відношення мас протона й електрона та протона й нейтрона мають бути (з точністю до десятків відсотків) саме такими, якими вони є в нашому світі, щоб енергетично вигіднішим був розпад вільного нейтрона, а не перетворення всіх протон-електронних пар на нейтрони, і водночас могли відбуватися ядерні реакції утворення

21

g-BANOHL

Розділ І

з протонів ядер Гелію. Співвідношення між гравітаційною та електромагнітною взаємодіями мають бути за порядком величини такими, які ми спостерігаємо, щоб могли утворюватися зорі як об'єкти з ядерними джерелами енергії. І такі зорі могли б існувати достатньо довго для того, щоб встигали утворюватися планетні системи, а на окремих планетах встигало б виникати й еволюціонувати життя. Середня густина матерії у всесвіті має бути близькою до критичної, що також є характерним для нашого Всесвіту.

Усе це дає підстави зробити такий висновок: для того щоб у всесвіті могли виникнути й розвинутися форми організації та руху матерії більш складні, ніж суміш елементарних частинок, треба, щоб фундаментальні фізичні властивості цього всесвіту не були довільними й навіть не просто перебували в певних межах, а були відповідним чином збалансовані між собою. Цей висновок, що має величезне загальнонаукове та світоглядне значення, дістав назву антропного принципу. Об'єктивний фізичний зміст антропного принципу полягає в тому, що він визначає необхідні умови утворення складних фізичних структур (атомів та молекул), а цим і умови розвитку складніших рівнів організації та руху матерії — хімічного, біологічного (органічного життя), соціального (розумного життя) тощо. Одразу ж виникає питання: чи є ці необхідні фізичні властивості даного всесвіту (розмірність простору, спектр мас елементарних частинок, співвідношення між константами фундаментальних взаємодій) достатніми умовами його якісної еволюції в бік ускладнення структур, що в ньому виникають? Дані синергетики дозволяють сподіватися на одержання ствердної відповіді на це питання.

Сформульоване вище твердження інколи має назву так званого слабкого антропного принципу. Для формулювання сильного антропного принципу, за яким властивості нашого Всесвіту є такими, якими вони є, тому що в ньому мала з'явитися людина, об'єктивних підстав немає.

Але неминуче виникає питання: а чому ж наш світ саме такий — з малоймовірним поєднанням його властивостей, які дозволили принаймні на одній планеті виникнути розумному життю? І важко заперечувати, що досить природною буде така відповідь: наш світ створений саме з цією спеціальною метою — появи в ньому людини. Отже, антропний принцип ніби

22

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

підштовхує нас до телеологічного погляду на нього (від «теле-олос» — мета). Проте слідом виникає питання: ким створений? Таким чином цей телеологічний погляд на світ приводить і до теологічного погляду на нього, приводить до ідеї бога-творця, деміурга цього світу.

Чи можливо в цих умовах зберегти й розвинути матеріалістичний погляд на світ як на такий, що його, за відомими словами Геракліта Ефеського, «не створив ніхто ні з богів, ні з людей»? Позитивна відповідь на це питання пов'язана з одним із висновків, що випливає з розгляду процесів на ранній планків-ській стадії історії Всесвіту. Це висновок про можливу множинність всесвітів із різними фундаментальними властивостями, що виникають з одного всеосяжного квантового Всесвіту. Таким чином, доходимо висновку, що поява всесвіту з усіма умовами, потрібними для розвитку вищих, ніж фізична, форм руху матерії, є подією випадковою.

Але в разі достатньо великої кількості всесвітів імовірність такої події також буде достатньо великою. За наявними оцінками, ця кількість має значення N>10' . Отже, існування світу, у якому виникло розумне життя, є явищем цілком природним і закономірним, однак ця закономірність має стохастичний характер.

Думка про те, що людина та її життя тісно пов'язані з природою, причому не тільки з тією, яка безпосередньо оточує людину, а й з космосом, із Всесвітом, є без перебільшення такою ж старою, як і саме людське мислення. І ось уперше в історії ця ідея виступає як науково обґрунтоване положення. У цьому — фундаментальне філософське значення антропного принципу. Цей принцип означає новий, більш глибокий рівень пізнання еволюційних зв'язків між різними щаблями організації та руху матерії. У цьому полягає його інтегративне загальнона-укове значення. Зараз гостро постає проблема відповідальності людства й кожної окремої людини за долю навколишнього природного середовища, за долю планети Земля. Із часом ареал буття та перетворювальної діяльності людства буде поширюватися все далі в космос. Разом із цим мусить зростати й відчуття відповідальності людини за світ, у якому вона живе й діє. Антропний принцип підносить рівень цієї відповідальності до космічних, справді вселенських масштабів. У цьому його неабияке соціальне і моральне значення.

23

g-BANOHL

Розділ І

АСТРОНОМІЯ ТА АСТРОЛОГІЯ

Перші спроби первісних людей усвідомити явища навколишньої природи, часом загрозливі для них, привели до олюднення, а потім і обожнення цих явищ. Але свідомість первісної людини вимагала наочного уособлення духів, богів та інших міфічних істот, що нібито керують навколишнім світом і самою людиною. І тут у нагоді стали насамперед астрономічні об'єкти — Сонце, Місяць, яскраві зорі та планети. Потім виникло бажання за положенням і рухом небесних світил з'ясувати їхню «волю», тим чи іншим шляхом спонукати їх на добре ставлення до себе, свого племені (пізніше — до своєї держави) і на зле — до своїх ворогів. Так виникли астрологічні вірування. Але це водночас спонукало до нових спостережень за рухом небесних світил, до накопичення емпіричних закономірностей цього руху, що вело до створення первинної спостережної бази наукової астрономії.

Астрологія в її сучасній формі зводиться до визначення знака зодіаку, до якого належить людина (що, до речі, може не збігатися з фактичним знаходженням Сонця у відповідному зодіакальному сузір'ї).

Астрологія вважає, що здатна за розміщенням Сонця, Місяця та планет відносно знаків зодіаку визначати характер людини, наслідки тих чи інших дій людини в будь-який час і давати рекомендації щодо цих дій. Але ніяких об'єктивних підстав для цього немає. Деякий вплив на стан здоров'я людини може мати відносне положення Сонця і Місяця через величину припливної дії на верхні шари земної атмосфери та її вплив на по-годні процеси. Але до того, на що претендує астрологія, це жодного стосунку не має.

Існує цікавий засіб продемонструвати учням безпідставність астрологічних прогнозів, зокрема висновків про характер людини. Учитель коротко розповідає учням про принципи складання гороскопів. Потім учні складають свої гороскопи й результати порівнюють з дійсністю. Оскільки насправді при цьому йдеться про порівняння двох незалежних рядів подій, то приблизно в половині випадків спостерігатиметься деякий збіг, але в другій половині випадків його не буде. З цією обставиною пов'язане те, що, маніпулюючи, свідомо чи ні, такими даними, можна «довести» справедливість астрологічних прогнозів за до-

24

g-BANOHL

Загальна методика викладання астрономії

помогою методів математичної статистики, тобто створити видимість «наукового» обґрунтування астрології.

Захоплення вірою в астрологію — це явище суто соціально-психологічне. Людина вірить у те, у що вона хоче вірити, у те, що дає їй психологічний комфорт. Тому вона запам'ятовує випадкові збіги астрологічних прогнозів із реальністю, відсутність же таких збігів її свідомістю відкидається.

Але історичний досвід свідчить, що окрема людина, кожна держава, людство в цілому тоді досягають справжнього успіху, коли спираються на силу знань, силу свого інтелекту в поєднанні з моральними принципами добра та соціальної справедливості, що їх виробило людство. Чи не найбільш яскраво підтверджують силу людського розуму успіхи наукової астрономії в пізнанні Всесвіту та справжнього місця людини в ньому. Відомий французький математик А. Пуанкаре (який зробив значний внесок і в розвиток фізики, астрономії та філософії) у своїй книжці «Цінність науки» писав: «Уряди та парламенти повинні вважати астрономію однією з найдорожчих наук, найменший інструмент коштує сотні тисяч франків, невелика обсерваторія — мільйони, кожне затемнення веде до додаткових кредитів. І все це заради світил, які так далеко від нас, які цілком чужі нашим виборчим чварам...

Можна було б, звичайно, розповісти їм про морську справу, значення якої визнається всіма й для якої потрібна астрономія. Але це означало б звертати увагу на менш важливий бік справи.

Астрономія корисна, тому що вона підносить нас над нами самими; вона корисна, тому що вона велична; вона корисна, тому що вона прекрасна. Вона показує нам, яка нікчемна людина тілом і яка велична вона духом, бо розум її в змозі осягнути сяючі безодні, де тіло її є лише темною точкою, у змозі насолоджуватися їх мовчазною гармонією. Так приходимо ми до усвідомлення своєї могутності. Тут ніяка ціна не може бути занадто дорогою, тому що це усвідомлення робить нас сильнішими».

І далі він зазначає (маючи на увазі Й. Кеплера й відкриті ним закони планетних рухів), що саме «астрономія відкрила нам існування законів природи».

Краще, мабуть, про велике світоглядне значення астрономії, про її чільне місце в духовному житті людства й не скажеш.

25

g-BANOHL

g-BANOHL

Розділ І

► З

НАВЧАЛЬНІ АСТРОНОМІЧНІ СПОСТЕРЕЖЕННЯ

Як уже підкреслювалося, обов'язковим елементом вивчення астрономії є виконання спостережних робіт. Ні комп'ютерні зображення, ні відвідування планетарію не замінять вражень від споглядання космічних тіл на справжньому небі. Спостереження небесних явищ з їхньою величчю та гармонією не тільки мають пізнавальне значення, а й справляють на людину велике емоційне враження.

Зазначимо, що в сільській місцевості та малих містах, де поки що значно менше можливостей використання комп'ютерів і планетаріїв, умови для астрономічних спостережень набагато кращі, ніж у великих містах, де вуличне освітлення та забрудненість повітря утруднюють такі спостереження.

Спостереження небесних тіл можуть проводитись як удень (Сонце та інколи Місяць), так і у вечірній та нічний час (усі інші об'єкти). Спостерігати можна як неозброєним оком, так і за допомогою малих телескопів та біноклів. Характер спостережень може бути різним: визначення положень спостережуваних об'єктів відносно сторін світу та одних об'єктів відносно інших, стеження за рухом небесних тіл, ознайомлення з їхнім виглядом та його зміною в часі.

Час для спостережних робіт обирає вчитель. При цьому треба мати на увазі таке. Сприятлива (безхмарна) пог�