В процессе работы над исследовательским проектом на тему "Диаграмма Герцшрунга – Рассела" ученицами 10 класса была достигнута поставленная цель, познакомиться с историей создания диаграммы Герцшрунга – Рассела, построить диаграмму температура-светимость и установить взаимосвязь между характеристиками звёзд.

Подробнее о работе:

В индивидуальной исследовательской работе по астрономии "Диаграмма Герцшрунга – Рассела" приводятся теоретические сведения из истории работы ученых над созданием диаграммы, знание которой позволяет лучше ориентироваться и классифицировать звезды по различным группам и устанавливать связь между физическими характеристиками звезд. Учащиеся школы провели беседу с учителем физики и изучили авторитетные источники по теме в Сети Интернет перед тем, как приступить к изготовлению наглядного пособия.

В готовом детском ученическом проекте на тему "Диаграмма Герцшрунга – Рассела" учащимися 10 класса школы описано строение диаграммы Герцшрунга – Рассела, проведена работа по установлению взаимосвязи между физическими характеристиками звёзд и изучению разных групп звёзд, принадлежность к которым обусловлена их физическими характеристиками. На основании собранного материала и обобщения полученных знаний ученицы создали диаграмму Герцшрунга – Рассела.

Оглавление

Введение
1. Немного из истории диаграммы Герцшрунга – Рассела.
2. Строение диаграммы Герцшрунга – Рассела.
3. Практическая часть.
4. Применение Диаграммы Рассела.
Заключение
Используемые источники
Приложение

В 10-м классе мы стали изучать новый предмет – астрономию. На одном из уроков, при изучении Диаграммы Герцшрунга – Рассела, наш учитель предложил задания из тренировочных вариантов ЕГЭ по физике. Мы поняли, что без детального знания данной диаграммы очень сложно выбирать правильные ответы. Поэтому мы решили изготовить наглядное пособие, которое нам поможет не только на уроках астрономии, но и при подготовке к сдаче экзамена в одиннадцатом классе.

Цель работы: познакомиться с историей создания диаграммы Герцшрунга – Рассела, построить диаграмму температура—светимость и установить взаимосвязь между характеристиками звёзд.

Задачи работы:

1. установить взаимосвязи между физическими характеристиками звёзд;
2. убедиться в наличии разных групп звёзд, принадлежность к которым обусловлена их физическими характеристиками;
3. развивать умение использовать теоретический материал, в том числе законы физики, для объяснения выявленных закономерностей;
4. научиться применять полученные знания при решении заданий КИМ ЕГЭ по физике.

Гипотеза: если активно изучать диаграмму Герцшрунга – Рассела, то мы сможем лучше ориентироваться и классифицировать звезды по различным группам и устанавливать связь между физическими характеристиками звезд.

Методы:

• изучение литературы и других источников информации сети «Интернет»;
• беседа с учителем физики и астрономии;
• обобщение полученных данных;
• изготовление наглядного пособия.

В 1910 году выдающиеся астрономы датчанин Герцшпрунг и американец Рассел эмпирически установили независимо друг от друга, что существует зависимость между светимостью звезд и их спектральным классом.

Генри Норрис Рассела (1877–1957) - американский астрофизик. Родился в Ойстер-Бэй (штат Нью-Йорк) в семье священника. Учился в Принстонском университете, где сменил своего учителя К. Юнга на должностях профессора астрономии и директора местной обсерватории, которые занимал вплоть до 1947 года.

Долгое время Рассел занимался исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью с целью разобраться в том, как эволюционируют светила. В 1913 году — независимо от Герцшпрунга — построил диаграмму, связывающую спектральные характеристики и светимость звезд (которая теперь и называется диаграммой Герцшпрунга — Рассела) по результатам изучения снимков, полученных им на фотопластинках в обсерватории Принстонского университета.

Увы, ученый вывел из полученной диаграммы ложное заключение о том, что звезды появляются на свет в виде красных гигантов и со временем вырождаются в белых карликов.

Эйнар Герцшпрунг(1873–1967) - датский астроном. Родился в местечке Фредериксборг близ Копенгагена. Учился в Копенгагенском политехническом институте, получил специальность инженера-химика. По окончании института (1898) в течение трех лет работал в Петербурге. Вернувшись на родину, начал изучать астрономию, одновременно проводил фотографические наблюдения в обсерватории Копенгагенского университета и небольшой обсерватории «Урания».

Его исследования произвели впечатление на директора Потсдамской обсерватории К. Шварцшильда, который пригласил Герцшпрунга сначала в Геттингёнский университет, а затем в Потсдамскую обсерваторию (1909). С 1919 года Герцшпрунг работал в Лейденской обсерватории, в 1935 году стал ее директором. Выйдя в отставку, возвратился в Данию и продолжил исследования в обсерватории в Брорфельде.

Образование фото химика позволило ученому разработать уникальную для тех лет технологию расчета светимости звезд по их фотоизображениям. Сопоставив полученные результаты с данными о спектрах исследуемых звезд, Герцшпрунг и пришел к своей классификации звезд, согласно которой они подразделяются на гигантов, карликов и основной ряд.

Генри Норрис Рассел — долгие годы интересовался проблемой описания жизненного цикла звезд и, судя по всему, пришел к основной идее диаграммы еще в 1909 году, однако работа с ее представлением была опубликована лишь в 1913 году. Датчанин Эйнар Герцшпрунг пришел к тем же выводам, что и Рассел, несколькими годами раньше своего американского коллеги, однако опубликованы они были (в 1905-м и 1907 годах) в узкоспециализированном «Журнале научной фотографии», издающемся к тому же на немецком языке, и публикация эта поначалу попросту осталась незамеченной астрономами.

Поэтому вплоть до середины 1930-х годов эту диаграмму принято было называть просто «диаграммой Рассела», пока не был обнаружен случившийся казус, после чего датчанину было воздано должное, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых. Если нанести положения большого количества звезд на диаграмму, у которой по оси абсцисс отложены спектральные классы звезд, а по оси ординат – светимости, оказывается, что звезды отнюдь не располагаются беспорядочно, а образуют определенные группы. Положение звезды на диаграмме зависит от ее массы, возраста и химического состава.

Построение диаграммы стало результатом одним из множества логических экспериментов, проводимых в то время. Норрису Расселу и Эйнару Герцшпрунгу одновременно пришла в голову идея, что будет, если выстроить звезды в одну систему координат, где их положение по вертикальной оси зависело бы от силы свечения, а по горизонтальной — от температуры? Если бы звезды распределились по системе равномерно, никакого открытия не было бы.

Но любое отклонение от порядка показало бы закономерность в устройстве светил, объясняющая многие загадки. Так и случилось. Если сила свечения по оси Y будет расти снизу вверх, а температура по оси X — справа налево, то звезды делятся на три четко выраженные группы — последовательности, как их именуют астрофизики:

Посередине, с верхнего левого в нижний правый угол, тянется Главная последовательность — ряд обычных, карликовых звезд, составляющих 90% от количества звезд во Вселенной. К ним относится и наше Солнце. Их температура прямо пропорциональна светимости — чем горячее звезда, тем ярче она горит.

В верхнем правом углу собрались светила, которые очень яркие, но с низкой температурой — на это указывает их красный цвет. В этой последовательности собрались звезды гиганты и сверхгиганты.

Ниже главной последовательности находятся звезды, нагревающиеся до голубого и белого цветов, а света излучают совсем немного. Это — белые карлики.

Диаграмма Герцшрунга – Рассела представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной — наблюдаемая температура их поверхностей. Оба этих количественных показателя поддаются экспериментальному измерению при условии, что известно расстояние от Земли до соответствующей звезды.

Чисто исторически сложилось так, что по горизонтальной оси х температуру поверхности звезд откладывают в обратном порядке: то есть, чем жарче звезда, тем левее она находится; это чистая условность, и я не вижу смысла в том, чтобы ее обсуждать и оспаривать. Смысл же всей диаграммы Герцшрунга – Рассела заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена соответствующей точкой) и по их расположению определить некие закономерности их распределения по соотношению спектра и светимости.

Выясняется, что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или, как принято их называть в астрофизике, «последовательности». Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу — самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.

Отдельно — правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не пропорциональной их температуре, которая относительно низка — это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно говоря, светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики — группа относительно мелких и холодных звезд. Еще раз отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из водорода.

На самом деле, три этих последовательности на диаграмме Герцшрунга – Рассела строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд. Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу — это доживающие свой век звезды с предела раздувшейся внешней оболочкой (через 6,5 млрд. лет такая участь постигнет и наше Солнце — его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но, поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

Наконец, обратимся к левому нижнему углу диаграммы Герцшрунга – Рассела: здесь мы видим так называемых белых карликов. Это очень горячие звезды — но очень мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос относительно немного энергии, они, по причине весьма незначительной (на фоне других звезд) площади их поверхностной оболочки, светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.

Вообще, по диаграмме Герцшпрунца—Рассела можно проследить весь жизненный путь звезды. Сначала звезда главной последовательности конденсируется из газопылевого облака и уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза, и, соответственно появляется где-то в основной последовательности диаграммы Герцшрунга – Рассела.

Пока звезда горит, она так и остается на своем месте в основной последовательности, практически не смещаясь. После того, как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.

Разделение на последовательности не было самоцелью создания диаграммы. Выявленная закономерность между энергией и излучением звезды, связанная с протеканием внутреннего термоядерного процесса, стала иллюстрацией самой наглядной динамики во Вселенной — эволюции звезд.

С момента образования, звезда в развитии не стоит на месте — и в диаграмме Герцшпрунца-Рассела это видно лучше всего. Рождение, старение и смерть светила отслеживается по диаграмме Герцшрунга – Рассела четкой линией, называемой «эволюционным треком».

Для изготовления наглядного пособия было определено следующее оборудование: стенд-пластиковая панель, цветной картон, двусторонний скотч, цветные маркеры, ватман. Сначала мы нанесли разметку, изготовили лекала для букв и цифр различного размера.

Вырезали буквы и цифры из цветного картона в соответствии с цветами на диаграмме, оформили цветными маркерами основную часть диаграммы. Данную работу нам помогали делать наши одноклассники. Вот, что у нас получилось…

Используя диаграмму, на уроках астрономии мы выполняли задания как обязательного содержания, так и творческие.

Упражнений из сборника задач и упражнений А.М.Татарникова, О.С. Угольникова, Е.Н.Фадеева «Астрономия 10-11»:

№6.20. Какая звезда больше и во сколько раз: звезда А (светимость 10 светимосте1 Солнца. Температура поверхности 8000 К) или звезда Б (светимость 100 светимостей Солнца, температура поверхности 3000 К).

№6.23. Одна звезда имеет спектральный класс А, другая – G, а их светимости одинаковы. У какой звезды больше радиус?

№6.31. Расставьте звезды в порядке увеличения радиуса: красный карлик, белый карлик, желтый карлик, голубая звезда главной последовательности, голубой сверхгигант, красный сверхгигант.

Заполните таблицу:

Название звезды	Масса (в массах Солнца)	Радиус (в радиусах Солнца)	Температура, К	Созвездие	Светимость	Звездная величина	Цвет
Денеб	21	210	8550	Лебедя	196000	-7,2	Г
Ригель	18	74	12130	Орион	+1,26	-7,84	С-Б
Антарес	12,4	883	3400	Скорпион	57500	-5,28	К

• Г-голубая
• С-Б-сине-белая
• К-красная

Так же в ходе выполнения нашей работы мы провели анкетирование среди учащихся нашей школы. Анкета состояла из следующих вопросов:

• Планеты Солнечной системы. – 87% опрошен назвали 8 планет Солнечной системы.
• Какие вы знаете малые тела Солнечной системы? – 23% опрошенных назвали 3-4 различных тела, 68% - 1-2 тела, остальные не смогли назвать ни одного малого тела Солнечной системы.
• Какие вы знаете созвездия? – Подавляющее большинство 92% называли созвездия, соответствующие зодиакальным.
• Какая температура на поверхности Солнца? – Большинство опрошенных 82% отвечали – большая, только учащиеся 11 класса смогли ответить на данный вопрос.

Поскольку результаты анкет показывают низкую осведомленность учащихся мы решили ознакомить учеников нашей школы с результатами работы в рамках проведения дня Космонавтики.

Выводы:

1. В ходе работы изучена история создания диаграммы Герцшпрунга-Рассела.
2. Изготовлено наглядное пособие для кабинета физики, которое можно использовать на уроках астрономии и внеклассных мероприятиях.
3. С полученными в ходе работы над проектом знаниями необходимо ознакомить учащихся младших классов.

Созерцание диаграммы привели астрономов предположить, что это могло бы продемонстрировать звездной эволюции, главное предположение, будучи, что звезды разрушились от красных гигантов до карликов, а затем двигались вниз по линии главной последовательности в течение их жизни

В результате реализации данного проекта кабинет физики нашей школы пополнился очень необходимым наглядным пособием, которое в дальнейшем поможет в проведении уроков астрономии, облегчит подготовку учащихся к сдаче экзамена в форме ЕГЭ по физике, а сами мы получили неоценимый опыт по изготовлению самодельных учебных пособий.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.

Приложение