Астрофизика

Оптические детали телескопа  крепятся к ферме из графито-эпоксидного  композиционного материала, способной  сохранять их взаимное расположение с точностью до 1 мкм, несмотря на перепады температуры. Требования к механической прочности конструкции связаны с 3-4 кратными перегрузками, возможными при взлете и посадке МТКК, а отнюдь не с условиями работы телескопа на орбите. Общая масса спутника 10.4 т.

В отличии от наземных телескопов Космический телескоп им. Хаббла будет работать и при ярком  солнечном свете. Поэтому передний конец трубы телескопа существенно  удлинен за счет светозащитной бленды, внутри трубы имеется система диафрагм, покрытых «особо» черной краской, способной отражать менее 1%  падающего света и не давать бликов. Несмотря на эти меры, по-настоящему «темное» небо телескоп сможет регистрировать только тогда, когда объект наблюдения находится на угловых расстояниях более 50° от Солнца, 70° от освещенной части Земли и 15° от Луны.

Система ориентации Космического телескопа им. Хаббла построена на основе силовых гироскопов. Грубое наведение с точностью 1¢ будет осуществляется с помощью звездных датчиков и гироскопов – датчиков скорости (положение их осей время от времени должно уточнятся по звездам). Однако расчетное качество изображения, получаемое с помощью 2,4-метрового телескопа на длине волны 0,5 мкм, равно 0,05¢¢, и чтобы использовать это преимущество перед наземными инструментами, требуется обеспечивать стабилизацию телескопа с еще более высокой точностью.

Направление оптической оси телескопа определяется тремя  датчиками точного гидирования  по изображениям звезд более ярких, чем 1,4^m, в периферийной части поля зрения телескопа, разбитой соответственно на 3 сектора. По команде датчики начинают поиск гидировочных звезд, перемещаясь по спирали с центром в расчетном положении. Критериями правильности захвата нужных звезд служат значения их яркости и взаимное расположение. В случае неудачи поиск повторяется, затем переходят к поиску запасных звезд (если таковые имеются). Очевидно, выбор звезд должен производиться заранее, и это очень трудоемкая работа. Более того, точность координат существующих звездных каталогов, как правило, недостаточна, поэтому запуску Космического телескопа им. Хаббла должно было предшествовать фотографирование всего неба на наземных телескопах с большим полем зрения и составление специального каталога гидировочных звезд с точно известными положениями.

Датчики точного гидирования  относятся к числу наиболее сложных  систем телескопа и включают в себя прецизионные механические узлы, диссекторные телекамеры и даже интерфомометры. Небольшие смешения звезды в поле зрения соответствуют изменению разности фаз световых волн, приходящих на противоположные края зеркала телескопа: изменяются интенсивности интерферирующих пучков, и на выходе датчика возникает сигнал ошибки. При точности гидирования 0,007¢¢ время реакции датчиков точного гидирования должно быть меньше 1 с, и не только потому, что возможны быстрые колебания самого спутника, но и поскольку все звезды смещаются в поле зрения из-за аберрации света вследствие движения спутника по орбите.

К тому же с помощью  Космического телескопа им. Хаббла будут наблюдаться и планеты, достаточно быстро перемещаться на фоне звезд.  Однако с данной системой наведения этот телескоп не сможет наблюдать земную поверхность. Следует отметить, что неполадки при работе датчиков точного гидирования до последнего момента заставляли сомневаться в их работоспособности.

Как бы не был совершенен орбитальный телескоп, без светоприемной  аппаратуры он «слеп». Выбор типа светоприемника для Космического телескопа им. Хаббла оказался не прост. Всерьез обсуждались возможность применения фотопленок, столь долго и успешно служивших астрономам на Земле. К сожалению, в условиях космоса высокочувствительные пленки постепенно темнеют из-за воздействия проникающей радиации, и поэтому их пришлось бы доставлять на Землю не реже одного раза в месяц. Однако частые посещения орбитального телескопа нежелательны как с экономической, так и с технической точки зрения. Отражающее покрытие зеркала (пленка алюминия и фтористого магния) очень чувствительно к газовой атмосфере, окружающей всякий крупный (а тем более маневрирующий) космический объект, поэтому плотная крышка будет открываться лишь после удаления МТКК и вновь закрываться с его приближением.

В 1973 году было решено использовать электронные приемники изображения, лучшим из которых считалась разрабатываемая в Принстонском университете Р. Даниельсоном и его сотрудниками передающая телевизионная трубка секон. Каково же было разочарование его создателей, когда в 1977 г. стало известно о резкой переориентации руководителей программы на твердотельные приемники. Это было смелое решение, ибо технология создания таких приемников насчитывала тогда всего несколько лет, и в астрономии они еще не использовались.

В настоящее время  эти ПЗС-приборы – приборы  с зарядовой связью – можно  увидеть чуть ли не на каждом американском телескопе, и их преимущества хорошо известны: высокий квантовый выход, доходящий до 60%, большое количество чувствительных элементов, малый шум, большой рабочий диапазон изменения яркости объекта и высокая геометрическая стабильность.

 

 

3. Использование приведенного материала в учебном процессе.

1. Включение материала в темы занятий по физике, естествознанию (рекомендации для учителя).

 

На весь курс астрономии в программе  средней школы отводится мало времени. За это время ученики  должны освоить астрономию, сферическую астрономию, астрофизику, космологию и космогонию. Целостный курс астрономии практически распадается на ряд ознакомительных разделов, теряя филосовско-мировозренческое значение.

Одним из выходов видится  экономия времени за счет введения различных элементов астрономических знаний в курс других школьных дисциплин в качестве иллюстративного материала. Например, развитие представлений о строении Солнечной системы – в истории; определение географических координат астрономическими методами, основы измерения времени – в географию; законы Кеплера, источники энергии Солнца, определение радиальной составляющей скорости звезд на основе эффекта Доплера – в физику; определение пространственной скорости звезд – в физику и геометрию; определение расстояний до звезд и до тел Солнечной системы – в геометрию; химический состав планет и звезд – в химию и т.п.

Хотя эти элементы будут просто иллюстрировать законы, изучаемые в данных дисциплинах, в курсе астрономии учитель уже  сможет опираться на них. Время, требуемое для активизации знаний, значительно меньше чем для изучения.

Например, в 8-м классе в разделе «Геометрическая оптика»  изучаются законы отражения и  преломления света. В качестве примера  применяемых законов в технике рассматривается всего одно устройство – фотоаппарат, приводятся его  оптическая схема и принцип работы. Другие оптические приборы, такие, как телескоп и микроскоп, представлены только фотографиями. Однако эти приборы в школе применяются при изучении астрономии и биологии, и учащиеся должны знать их устройство. Оптические схемы микроскопа и телескопа вполне доступны пониманию детей этой возрастной группы, а оптические схемы телескопов – рефлекторов Ньютона и Кассегрена могут стать хорошей иллюстрацией того, как работают законы отражения света. Это удачно используется в интегрированном курсе физики и астрономии.

В 11-м классе вместо объяснения оптических схем телескопов достаточно показать их чертеж, тем самым активизировать знания и сократив время на изучение этого материала примерно на треть урока. Освободившееся время более полезно потратить на рассказ о крупнейших обсерваториях мира, обращая внимание на оптические схемы самых крупных телескопов этих обсерваторий.

Таким образом, включение  астрономического материала в виде иллюстраций в другие школьные дисциплины позволяют освободить до одной трети всего времени без ущерба для самого курса астрономии и тех учебных дисциплин, в которых будет применятся иллюстративный астрономический материал.

 

2. Планы-конспекты уроков

 

План-конспект урока по астрономии (11 класс).

 

Тема: Оптические телескопы.

Цель: Дать начальные сведения о телескопах.

Тип: Объяснение нового материала.

Элементы усвоения: Типы телескопов.

Приборы и принадлежности: Схемы рисунки.

Методы: фронтальный опрос, рассказ, беседа.

 

Требования к знаниям и умениям учащихся:

а) знать: 1) Предыдущий материал.

 

б) уметь:  1) Отвечать на поставленные вопросы.

2) Внимательно слушать  новый материал.

 

Задачи учителя: обучающие – проконтролировать выполнение учащимися домашнего задания. Обеспечить усвоение нового материала.

Развивающие – развить мышление, память, внимание и т.д

Воспитывающие – воспитать умение слушать других, умение   настраиваться на учебную работу

 

Ход урока:

 

Время	Деятельность  учителя	Деятельность  ученика
2 минуты	Приветствие. Организационный момент	Приветствие
8-10 минут	Опрос по прошлой теме	Отвечают на вопросы
25 минут	Объяснение нового материала	Слушают объяснения учителя  и отвечают на поставленные вопросы.
3 минуты	Подведение итогов	Записывают домашнее задание

 

Дидактический материал (опрос по прошлой теме).

 

Объяснение нового материала:

Наблюдения основной источник информации о небесных телах, процессах и явлениях, происходящих во Вселенной. Для проведения наблюдений во многих странах созданы специальный научно-исследовательские учреждения – астрономические обсерватории. У нас, их несколько десятков: главная астрономическая обсерватория Российской Академии наук – Пулковская (в Санкт-Петербурге), Специальная астрофизическая обсерватория (на Северном Кавказе), Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга (в Москве) и др.

Современные обсерватории оснащены крупными оптическими телескопами, представляющими собой очень большие, сложные и в значительной степени автоматизированные инструменты.

Телескоп увеличивает  угол зрения, под которым видны  небесные тела, и собирает во много  раз больше света, приходящего от небесного светила, чем глаз наблюдателя. Благодаря этому в телескоп можно рассматривать невидимые невооруженным глазом детали поверхности ближайших к Земле небесных тел и увидеть множество слабых звезд.

В астрономии расстояние между объектами на небе измеряются углом, образованным лучами, идущими из точки наблюдения к объектам. Такое расстояние называется угловым, и выражается оно в градусах и долях градуса. Невооруженным глазом две звезды видны раздельно, если они отстоят на небе друг от друга на угловом расстоянии не менее 1-2¢. В крупные телескопы удается наблюдать раздельно звезды, угловые расстояния между которыми составляют сотые или даже тысячные доли секунды (под углом 1¢¢ «видна» спичечная коробка примерно с расстояния 10 км).

Существует несколько типов оптических телескопов. В телескопах – рефракторах (рисунок  ), где используется преломление света, лучи от небесных светил собирает линза (или система линз). В телескопах – рефлекторах (рисунок  ) – вогнутое зеркало, способное фокусировать отраженные лучи. В зеркально линзовых телескопах (рисунок  ) – комбинация зеркала и линз.

С помощью телескопов производятся не толь визуальные  и  фотографические наблюдения, но преимущественно высокочастотные фотоэлектрические и спектральные наблюдения. Телескопы, приспособленные для фотографирования небесных объектов, называются астрографами. Фотографические наблюдения имеют ряд преимуществ перед визуальными. К основным преимуществам относятся: документальность – способность фиксировать происходящие явления и процессы и долгое время сохранять полученную информацию; моментальность – способность регистрировать кратковременные явления, происходящие в данный момент; панорамность – способность запечатлевать на фотопластинке одновременно несколько объектов и их взаимное расположение; интегральность – способность накапливать свет от слабых источников; детальность получаемого изображения.

Сведения о температуре, химическом составе, магнитных полях  небесных тел, а также об их движении получают из спектральных наблюдений.

Кроме света, небесные тела излучают электромагнитные волны большей  длины волны, чем свет (инфракрасное излучение, радиоволны), или меньшей (УФ, рентгеновское излучение и  гамма лучи).

 

План-конспект урока по физике (11 класс).

 

Тема: Спектральный анализ.

Цель: Сформировать представление о спектральном анализе.

Тип: Объяснение нового материала.

Элементы усвоения: Спектр.

Приборы и принадлежности: таблицы, рисунки.

Методы: фронтальный опрос, рассказ, беседа.

 

Требования  к знаниям и умениям учащихся:

а) знать: 1) Предыдущий материал.

 

б) уметь:  1) Отвечать на поставленные вопросы.