Введение в курс Сергей Постников. Цели и структура курса На примере астрофизики: вызвать интерес к предметам физико-математического и инженерного профиля; - презентация

1 Введение в курс Сергей Постников

2 Цели и структура курса На примере астрофизики: вызвать интерес к предметам физико-математического и инженерного профиля; ознакомить учеников с преподаванием в ВУЗе через лекции и семинары и предметы изучаемые на первом курсе; показать как разные предметы взаимосвязаны рассказать о интересных предметах и явлениях находящихся вне школьной программы; создать сотрудничество и вклад в школьное образование со стороны представителей науки; самостоятельная и групповая работа и исследование. Задания и вопросы.

3 Метод проб и ошибок. Случайности. От гипотез к теории. Философия. Догадки. Интуиция. От разума, творчества и сознания к опыту и навыкам. Откровение. Обучение. Знание от Авторитетного Источника (родители, учитель, профессор, специалист, Бог), которому можно доверять. Истина. Объективность и субъективность. Роль мировоззрения. Методы познания

4 Количественное и качественное описание Качественное –Примерное и грубое описание явления или предмета улавливающее общие и основные параметры и закономерности. Быстрее и легче. Догадки. Количественное –Более точное описание явления или предмета выраженное в численных характеристиках и законах. Медленнее и сложнее. Трудоемкость. Предсказания. Примеры –прогноз погоды: качественное – облачно или ясно, количественное – температура 25 0 С. –форма: кач. - крышка стола прямоугольная, кол. - 1 м длины и 0.5 м ширины с точностью до мм.

5 Модель предмета и явления Модель описывает предмет или явление в упрощенном и приближенном виде, необходимом для математического анализа. Необходимо умение выделить важное и пренебречь неважным. В зависимости от целей и требуемой точности модель может уточнятся, усложнятся и переделываться. Больше важных деталей. Компьютерное моделирование Пример –компьютерные игры: графика и динамика. –Земля: от плоской до геоида. –свет: молния и восход Солнца.

6 Пример модели Земли Качественное –Плоская –Шар Количественное –Геоид Высоты гор преувеличены.

7 Язык формул Разговорный язык (пиктограммы, буквы, иероглифы). Язык жестов. Язык нот в музыке. Языки программирования. Все требуют знания основ и практики применения. Математика преследует точность описания и использует удобные символы. Часто очень абстрактна. Физика пытается уловить явление в запоминаемом обозначении и выразить законы им управляющие. Важен порядок, выбор символа, размерности (кг, м, сек)

8 Пример: 2-ой Закон Ньютона Математика F = m*a или F = a*m или A=c*d, одно и то же. Обозначает что левая переменная равна произведению правых. Физика F от английского force (сила), m – mass (масса), a – acceleration (ускорение). Причем сила в Н., масса в кг. и ускорение в м/c 2 F=m*a, значит что 1Н. = 1 кг. * 1 м/c 2 Формула говорит что сила пропорциональна ускорению и массе. Если массу увеличить вдвое, понадобится вдвое больше силы чтобы ее ускорить с тем же темпом. Также мы теперь можем выразить массу m = F/a и ускорение a=F/m, в зависимости что нам известно и что нужно найти. Важно не привязываться к численному значению переменных и думать о них как известной или неизвестной характеристике предмета. Число всегда можно подставить в конце. Задание: анализировать похожим образом Закон всемирного тяготения.

9 Что включает Астрофизика Астронокия Математика и геометрия Атомная и ядерная физика Специальная и общая теория относительности Квантовая механика Космология Статистическая физика и термодинамика Квантовая теория поля

10 Астро+нокия Законы звезд. Наблюдение и изучение звезд и всего что в небе. Всего что находится за пределами нашей планеты Земля. Телескопы: современные ушли далеко от первых. Столкновение галактик. Телескоп Хаббл, снимок с орбиты вокруг Земли. Ядро Солнца, как видимо в нейтрино. Детектор нейтрино позволил создать снимок слева.

11 Атомная и квантовая физика. Атомы в атмосфере звезды поглощают или испускают свет порциями (квантами) Лини эмиссии Лини поглощения Спектр горячего тела Свет пропущенный через призму разлагается в радужный спектр

12 Ядерная физика. Термоядерные взрывы на поверхности нейтронной звезды. Материя (как топливо) с соседней звезды падает, нагревается и уплотняется. Это вызывает быстрые ядерные реакции. Солнце – термоядерный реактор.

13 Специальная Теория Относительности Эйнштейна Парадокс близнецов Вернувшийся близнец будет моложе Движение со скоростью близкой к скорости света. Эффект замедления времени. Эквивалентность массы и энергии: E = m c 2

14 Общая Теория Относительности Эйнштейна Расширение вселенной. Цвет света от далеких галактик будет становится краснее. Зеленая лазерная указка увидится как красная. Гравитация это искривление пространства материей. Луч света пролетающий близко от Солнца отклонится в искривленном пространстве от прямолинейного пути. (о зтмн.) время «шарик»

15 Математика и геометрия Анализ данных с телескопов и других приборов. Формы объектов, расстояния до них, траектории движения. Моделирование звезд, галактик и т.д. Расчет и сравнение с наблюдениями. Параллакс Ретроградное движение Марса Сколько градусов ? Как далеко звезда от солнца если ее параллакс равен 1/30 видимого диаметра Луны?

16 Параллакс звезды «небесный экран» A B CCC Солнца за год Земля вращается вокруг C Звезда с параллаксом 1/30 диаметра луны находится на расстоянии 3438 диаметров орбиты Земли. Свет за 40 дней.

17 Квантовая физика Частицы могут вести себя как волны и наоборот. Дифракция электронов.

18 Теория Квантового Поля Гамма фотон (частица света) выбивает электрон из атома в пузырьковой камере с магнитом. Также рождается пара, электрон с позитроном, которые закручиваются в противоположные спирали в магнитном поле. Изучает природу, превращение и свойства частиц из которых состоят материя и поля. Фундаментальная Теория. позитрон электрон электрон из атома Кроме фотонов, в космосе существует много источников разного рода частиц. Также частицы участвуют в процессах важных для объяснения наблюдаемых явлений во вселенной.

19 Термодинамика и статистическая физика Материя падающая на звезду образует диск. Газ и пыль нагреваются до больших температур, даже образуют плазму. Свечение от диска наблюдают в широком диапазоне спектра. Туманности подсвечиваются яркими звездами. Ветер частиц и света от таких звезд нагревает и отгоняет пыль туманности.

20 Космология Развитие Вселенной Изучает происхождение и развитие вселенной. От элементарных частиц до галактик и больших структур во вселенной.

21 Заключение введения Вопросы? Какие еще дисциплины входят в астрофизику? Что изображено на титульном слайде? Самостоятельно анализировать язык формул, пример качественного и количественного описания, пример модели. СЕМИНАР Решить вместе параллакс и ретроградное движение Марса. Поискать в интернете или библиотеке необходимые данные (радиус орбит, орбитальную скорость...). Что является качественным и количественным в этих задачах? Что является важными и неважными деталями модели, построенной для ответа на поставленный вопрос? Разобрать еще одну формулу из курса физики, как язык формул.

22 Заключение введения Вопросы? Какие еще дисциплины входят в астрофизику? Что изображено на титульном слайде? Самостоятельно анализировать язык формул, пример качественного и количественного описания, пример модели. СЕМИНАР Решить вместе параллакс звезды и ретроградное движение Марса. Поискать в интернете или библиотеке необходимые данные (радиус орбит, орбитальную скорость...). Что является качественным и количественным в этих задачах? Что является важными и неважными деталями модели, построенной для ответа на поставленный вопрос? Разобрать еще одну формулу из курса физики, как язык формул.