Nowy program obozów dla młodszych

Nowy program obozów dla młodszych
Akcja Lato 2014
Opracowanie (w kolejności alfabetycznej):
Martyna Chruślińska
Dominik Gronkiewicz
Jakub Klencki
Mateusz Krakowczyk
Monika Matuszak
Daniel Pęcak
1
Spis treści
Spis treści
1. Wstęp i założenia
1.1. Manifest
2. Ramowy program obozu dla młodszych
3. Opisy zajęć
3.1. Zajęcia matematyczne, fizyczne, chemiczne, z podstaw astronomii
3.1.1 Matematyka (I, II)
3.1.2 Ruch po okręgu
3.1.3. Fizyka współczesna (I, II)
3.1.4 Podstawy mechaniki nieba
3.1.7 Pogson
3.1.6 Układy współrzędnych sferycznych
3.2. Zajęcia praktyczne (laboratoryjne, komputerowe)
3.2.1. Obróbka astrofoto ­ Iris
3.2.2. Obróbka astrofoto ­ Registax
3.2.3. Fotometria ­ Iris+Excel
3.2.4. Polowe Laboratorium Fizyczne
3.3. Dzień wstępny
3.3.1. Piękno kosmosu
3.3.2. Teleskopy
3.4. Planeta Ziemia
3.4.1 Planeta Ziemia ­ wykład główny
3.4.2. Księżyc
3.5. Słońce
2
3.5.1 Słońce ­ wykład główny (uzupełniony obserwacjami)
3.5.2 Cykl słoneczny, pogoda kosmiczna
3.6. Układ Słoneczny
3.6.1. Układ Słoneczny ­ wykład główny
3.7. Gwiazdy
3.8. Galaktyki i kosmologia
3.8.1. Nasza Galaktyka
3.8.2. Kosmologia
3.10. Kosmonautyka
3.10.1. Wyścig kosmiczny
3.11. Historia astronomii
3.11.1 Historia astronomii ­ wykład główny
4. Projekty obserwacyjne
4.1. Projekty różne
4.1.1. Pomiar wysokości gór księżycowych
4.1.2. Wyznaczanie pola widzenia teleskopu
4.1.3. Obserwacje meteorów wraz z wypełnianiem raportu
4.1.4. Obserwacyjne wyznaczanie kształtu analemmy
4.1.5. Pomiar prędkości światła metodą Ole Rømera
4.2. Astrofotografia
4.2.1. Astrofotografia
4.2.2. Astrofotografia Jowisza
4.3. Heliofizyka
4.3.1. Ewolucja grupy plam lub innej struktury słonecznej
4.3.2. Całoroczne pomiary liczby Wolfa
3
4.3.3. Monitoring aktywności słonecznej na podstawie danych SDO, LMSAL
4.3.4. Pomiar współczynnika rotacji różnicowej na podstawie obrazów SDO
4.4. Astrofizyka
4.4.1. Obserwacje lornetkowe jasnej zmiennej, krzywa jasności
4.4.2. Fotometria/obserwacje cefeidy, wyznaczenie odległości
4.4.3. Fotometria/obserwacje układu zaćmieniowego, wyznacznenie wielkości fizycznych
4.4.4. Fotometria gromad gwiazd + wykres kolor­kolor
4.4.5. Spektroskopia/ Pomiar i analiza linii widmowych
4.4.6. Spektroskopia/ Wyznaczenie parametrów fizycznych układu podwójnego
4.5. Ciemne niebo
4.5.1. Całoroczna ocena jasności tła nieba w miejscu zamieszkania
4.5.2. Ocena jasności tła nieba metodą fotograficzną
5. Podsumowanie
4
1. Wstęp i założenia
1.1. Manifest
Ramowy plan, który znamy z naszych pierwszych obozów (2006 i wcześniej) niewiele się zmienił od tego
czasu. Minęło ponad siedem lat brutalnego gwałtu na podstawie programowej w szkole podstawowej,
gimnazjum oraz liceum dokonywanego regularnie przez MENiS. Całe działy zostały eksterminowane raz
na zawsze z podręczników i nie został po nich nawet dym.
Dzieci, które przyjeżdżają na obóz nie są głupsze niż my byliśmy. To są w dalszym ciągu dzieci z wyżyn
intelektualnych kraju (tak jak my). Kwiat narodu polskiej inteligencji, który nie może wynieść ze szkoły tylu
informacji co kiedyś my. Zwłaszcza trudno jest konkurować uczestnikom pochodzącym z zaścianka z
młodzieżą z dużych miast.
Zaobserwowaliśmy, że nauczanie na obozach jest coraz mniej efektywne. Przesadzony formalizm
(http://dl.getdropbox.com/u/1088961/Arnold.pdf) oraz złe nawyki wyniesione ze szkół wyższych powodują,
że zamiast uczyć myśleć i opisywać świat ze zrozumieniem, martwimy się zbędnym formalizmem, który
ma pomagać, a nie przeszkadzać w zrozumieniu. Zapomnieliśmy dla kogo prowadzimy zajęcia i jaką
wiedzą w danej chwili dysponują nasi odbiorcy. Jednocześnie kilkukrotne próby ustalania minimum
programowego okazywały się niepewnymi sugestiami zmian.
W związku z tym chcielibyśmy przeciwstawić poprzednim zmianom programowym konkretne zabiegi
mające na celu zefektywizować nauczanie astronomii, fizyki oraz matematyki tak, aby dwa tygodnie
pierwszego obozu nie szły na marne. Zdajemy sobie sprawę, że nie jesteśmy w stanie zadowolić
wszystkich. Każdy program będzie generował osoby, które się nudzą oraz te, które w dalszym ciągu nic
nie rozumieją, jednak mamy nadzieję, że liczbę nieszczęśliwych z tego powodu osób zminimalizujemy.
Chcemy, aby plan na obóz był z góry ustalony, a osoby prowadzące zajęcia znały nawet przed obozem
rozkład zajęć i były na nie przygotowane już od pierwszego dnia.
Główną cechą programu będą hybrydowe zajęcia, na których nie będzie sztucznych podziałów
astronomia/fizyka/matematyka, na których będą nauczane potrzebne w danym momencie rzeczy.
Pamiętamy, że jako oseski byliśmy uczeni różniczkowania i całkowania na fizyce, a później podnieceni
możliwościami tych narzędzi sami pragnęliśmy spełniać się w odkrywaniu formalizmu. Zaczynanie od
niego powoduje zrażanie do niego i skutek przeciwny do zamierzonego.
5
2. Ramowy program obozu dla młodszych
Niniejsza tabela zawiera sugerowany rozkład materiału podczas pierwszych dni obozu dla nowego naboru.
Dokładne opisy zajęć znajdują się w punkcie 3.
Każdego dnia odbywają się następujące grupy zajęć:
1. Wykład główny ­ o tytule takim samym, jak nazwa dnia (np. Gwiazdy)
2. Wykłady/ćwiczenia/zajęcia tematyczne ­ wykłady astronomiczne powiązane tematycznie z
wykładem głównym, służące do wypełnienia pozostałej części dnia (np. Gromady gwiazd lub
Laboratorium Fotometrii).
3. Wykłady ogólne ­ inne wykłady pomocnicze (matematyczne, fizyczne) potrzebne do realizacji
materiału (logarytmy, trygonometria, mechanika nieba, Pogson)
Tworząc plan zajęć na dany dzień należy umieścić w nim obligatoryjnie wykład główny i jedne zajęcia
pomocniczne (najlepiej zalecane).
Układanie planu przed obozem zaleca się zorganizować podobnie, jak zapisy na opiekę nad referatami ­
tzn. wykładowcy dopisują swoje nazwiska przy wypisanych tematach z poniższej tabeli (wykłady
obligatoryjne ­ pogrubić). Jeżeli któreś wykłady obligatoryjne nie są zapełnione, układający plan przydziela
taki temat odgórnie, informując o tym wykładowcę (zaleca się szczególnie przydzielać młodej kadrze,
uwzględniając zainteresowania i umiejętności wykładowcy oraz liczbę zajęć, które prowadzi, dążąc
do równomiernego rozkładu). Jeśli brak jest właściwego wykładowcy w ocenie układającego plan należy
realizować inne podane zajęcia (nie dotyczy wykładu głównego).
Czcionką pogrubioną wypisane są zajęcia wysoce zalecane do przeprowadzenia do danego dnia
(obowiązkowe). Pozostałe zajęcia są realizowane, jeżeli braki kadrowe lub inne poważne okoliczności nie
pozwalają na realizację zajęć zalecanych.
Jeżeli zajęcia posiadają zalecaną określaną formę, jest ona określana przez literę w nawiasie: W ­ wykład,
Ć ­ ćwiczenia, K ­ komputery, O ­ obserwacje. Jest również określony punkt, w którym znajduje się opis
do danych zajęć w części “Opisy zajęć” Na przykład: Mechanika Nieba (Ć, 3.2.4).
Dzień
nr
Wykład główny
(temat dnia)
Zajęcia tematyczne
(pomocnicze)
Zajęcia uzupełniające
(ogólne)
1
(pn)
(dzień wstępny)
(3.3)
Piękno kosmosu (3.3.1)
Teleskopy (3.3.2)
­
2
(wt)
Ziemia i Księżyc
(3.4)
Księżyc (3.4.2)
Meteorologia
Matematyka I (3.1.1)
Ruch po okręgu (3.1.2)
3
(śr)
Słońce
(3.5)
Cykl słoneczny i pogoda
kosmiczna (3.5.2)
Heliosejsmologia (3.5.3)
Fizyka współczesna I (3.1.3)
Matematyka II (3.1.1)
6
Amatorskie obserwacje
Słońca (3.5.4)
4
(czw)
Układ Słoneczny
(3.6)
Planety karłowate i
kosmiczny gruz
Słynne komety
Obserwacje ciał US
Problem życia w US
Fizyka współczesna II
(3.1.3)
Mechanika Nieba­
podstawy
(3.1.4)
Gwiazdy
(3.7)
Gromady gwiazd
Gwiazdy zmienne
Spektroskopia i Fotometria
Planety pozasłoneczne
Gwiezdne żłobki i
cmentarzyska
Czarne dziury
Pogson
(3.1.5)
6
(sob)
Wyścig kosmiczny
(3.10)
Czemu latamy w kosmos?
Podbój układu słonecznego
Sondy międzyplanetarne
(sobotnie bimbanie)
7
(pn)
Nasza Galaktyka
(3.8)
5
(pt)
Kosmologia (3.8.2)
Grupa Lokalna
(można również przeprowadzić
dowolny wykład z rubryki
“Gwiazdy”)
Układy współrzędnych
sferycznych
(3.1.6)
8
(wt)
(dzień zajęć wybieralnych ­
mogą się również odbywać
dowolne zajęcia z
wcześniejszych dni)
Obróbka astrofoto (3.2.1)
Pracownia fotometrii
(3.2.3)
Równanie kwadratowe
Polowe Laboratorium Fizyki
(3.2.4)
9
(śr)
Planetarium Chorzów
Planetarium Chorzów
Planetarium Chorzów
10
(czw)
Historia Astronomii
(3.11)
Słynni Astronomowie
(3.11.3)
Instrumenty astronomiczne
(3.11.2)
[dzień po chrzcie, zajęcia
poranne dowolne)
11
(pt)
Olimpiada astronomiczna
(3.12)
Jak robić referaty?
(dowolne zajęcia)
7
3. Opisy zajęć
3.1. Zajęcia matematyczne, fizyczne, chemiczne, z podstaw astronomii
3.1.1 Matematyka (I, II)
Jest to kompaktowy kurs mający wprowadzić najważniejsze narzędzia matematyczne potrzebne na innych
wykładach. Dwie ćwiartki zajęciowe powinny odbyć się w małych grupach (kilkuosobowych), a tematy
powinny być przedstawiane w sposób prosty, bez dowodów i złożonych własności, powinno się za to
pojawić wiele przykładów obliczeniowych (również na kalkulatorach). Należy wprowadzić i przećwiczyć
następujące zagadnienia:
1.
2.
3.
4.
Wektory
Funkcja liniowa
Trygonometria
Logarytmy
3.1.2 Ruch po okręgu
Zajęcia w formie wykładu z elementami ćwiczeń, mają na celu przypomnienie praw ruchu po okręgu i
wprowadzenie elementów kinematyki i dynamiki bryły sztywnej, potrzebnych do zrozumienia treści
zawartych w późniejszych zajęciach z mechaniki nieba i fizyki. Opierając się na ubiegłorocznych (2013)
doświadczeniach, można uznać, że młodzież kończąca dziś gimnazjum wymaga takiego właśnie wstępu.
Powtórka ruchu prostoliniowego. Prędkość w ruchu po okręgu. Definicja prędkości kątowej. Siła
dośrodkowa a odśrodkowa (warto napomnieć iż druga jest pozorna). Porównanie wielkości fizycznych w
ruchu postępowym i obrotowym (prędkość liniowa ­> prędkość kątowa, itp.) zwracając szczególną uwagę
na wielkości niezbędne do elementarnego zrozumienia ruchu orbitalnego.
3.1.3. Fizyka współczesna (I, II)
Wykład obejmujący powtórkę elementów fizyki współczesnej omawianych w gimnazjum, i wprowadzenie
(opisowe) kilku nowych zjawisk, które często będą pojawiać się na wykładach (w szczególności tych o
Słońcu, gwiazdach i mgławicach), a więc:
➔
➔
➔
➔
➔
➔
➔
➔
prędkość, siła, pęd, energia, praca, moc,
budowa atomu, pierwiastki i układ okresowy, liczba atomowa, mol,
powłoki elektronowe atomu, elektrony walencyjne, jony,
stan wzbudzony atomu, poziom energetyczny elektronu,
foton, energia fotonu, długość fali,
widmo, linie emisyjne, linie absorbcyjne, promieniowanie CDC,
właściwości gazów: ciśnienie, temperatura, gęstość, równanie stanu
chemia jądrowa ­ przemiany jądrowe (prześledzenie kilku cykli, E=mc2 ­ różnica mas produktów i
substratów), cykl p­p I
8
3.1.4 Podstawy mechaniki nieba
Zajęcia w formie wykładu z elementami ćwiczeń. Siła grawitacji, energia potencjalna w polu centralnym
(bez wyprowadzenia), natężenie pola. Siła grawitacji siłą odśrodkową. Prędkości kosmiczne. I prędkość
kosmiczna jako prędkość ruchu po orbicie kołowej o wysokości r. Prawa Keplera:
➔
➔
➔
➔
Orbity są krzywymi stożkowymi. Perycentrum i apocentrum.
Prędkość polowa (moment pędu) jest stały. Wzór na pole elipsy.
Postać Keplera (a^3/T^2=const) i uogólnienie.
Zadania dotyczące ruchu ciał układu planetarnego.
3.1.7 Pogson
Wykład klasyczny z elementami ćwiczeń mający na celu umożliwić orientację w jasnościach obiektów
astronomicznych.
Logarytm jako funkcja odwrotna do wykładniczej. Własności logarytmów (dodawanie, odejmowanie,
zamiana podstaw). Ćwiczenia. Jasność w rozumieniu Hipparchosa ­ magnitudo. Definicja opisowa.
Jasność obserwowalna i jasność absolutna. Wzór na zamianę. Wprowadzenie natężenia promieniowania.
Prawo Pogsona. Przykładowe jasności obiektów. Problem określania jasności ciał rozciągłych (konieczne
do użycia atlasów nieba).
3.1.6 Układy współrzędnych sferycznych
Wykład z użyciem tablicy, mający na celu wprowadzenie problemu orientacji na sferze i ukazanie
możliwości oferowanych przez układy współrzędnych.
Zalecana dydaktyka problemu to odnoszenie wszystkich układów do układu geograficznego
(równoleżników i południków) w tym podawanie trzech determinujących własności: odpowiednik ziemskiej
szerokości, odpowiednik ziemskiej długości, odpowiednik punktu zerowego (Greenwich).
➔
➔
➔
➔
Pojęcia: horyzont, zenit, nadir, biegun, południk lokalny, ekliptyka, równik
Układ azymutalny (azymut, wysokość, punkty kardynalne południa i północy)
Układ równikowy godzinny (kąt godzinny, deklinacja, południk lokalny)
Układ równikowy równonocny (rektascensja, deklinacja, punkt barana)
Zdecydowanie odradzane jest podawanie dokładnych definicji, które są niezrozumiałe dla absolwentów
gimnazjum i nie mają żadnych celów na tym poziomie nauczania.
3.2. Zajęcia praktyczne (laboratoryjne, komputerowe)
Ten paragraf opisuje zajęcia praktyczne, w szczególności: zajęcia w sali komputerowej, obróbkę obrazów,
redukcję danych astronomicznych.
9
3.2.1. Obróbka astrofoto ­ Iris
Kurs obejmujący podstawy astrofotografii za pomocą lustrzanki cyfrowej.
1.
2.
3.
4.
5.
Fotografia nocna: długie czasy naświetlania, prowadzenie za ruchem nieba
Matryce: budowa i zasada działania, defekty: prąd ciemny, szum odczytu
Klatki kalibracyjne: dark, bias, flat, technika stackowania
Program Iris: obsługa linii poleceń, konfiguracja ścieżki roboczej, wczytywanie i zapis plików
Obróbka zdjęcia: konwersja na .PIC, utworzenie master biasa, master darka, master flata,
automatyczny preprocessing, rejestracja (align), stackowanie (metodą kappa­sigma),
post­processing
3.2.2. Obróbka astrofoto ­ Registax
Zajęcia z zakresu obróbki astrofotografii obiektów jasnych (Słońce, Księżyc, planety). Fotografia takich
obiektów jest zazwyczaj znacznie odmienna od obiektów DS ­ duża jasność oraz pożądana wysoka
rozdzielczość wymuszają stackowanie wielu setek krótkich ekspozycji (w postaci filmu AVI). Najlepszym
narzędziem używanym przez wielu fotografów jest darmowy program Registax.
1. Zapoznanie z założeniami i techniką fotografii planetarnej; pojęcie seeingu.
2. Obsługa programu Registax na przykładzie obiektu punktowego (planeta) oraz rozciągłego
(Księżyc, Słońce): wybór punktu/punktów, align, utworzenie klatki referencyjnej, optymalizacja,
stack.
3. Zabawa rezultatem końcowym ­ wyostrzaniem, poziomami, krzywą gamma, wyrównaniem
kanałów.
3.2.3. Fotometria ­ Iris+Excel
Zajęcia polegają na fotometrycznym pomiarze jasności V gwiazdy zmiennej. Uczestnicy otrzymują
wstępnie zredukowany obraz (po odjęciu klatek kalibracyjnych, zestackowany). W czasie zajęć każdy
uczestnik:
➔ Zapoznaje się z wyglądem map AAVSO dla danej zmiennej, wybiera gwiazdy porównania
znajdujące się w polu widzenia matrycy
➔ Odseparowanie kanału G z otrzymanego obrazka .PIC.
➔ Poznaje narzędzie “Aperture photometry” Irisa i odczytuje jasności instrumentalne gwiazdy
zmiennej, kontrolnej i gwiazd porównania
➔ Zapoznaje się z arkuszem kalibracyjnym “Citizen Sky”
➔ Odczytuje jasności V i wskaźniki koloru B­V z katalogu
➔ Korzystając z arkusza, oblicza skalibrowaną jasność V gwiazdy zmiennej
3.2.4. Polowe Laboratorium Fizyczne
Prowadzone od kilku lat i cieszące się dużym zainteresowaniem zajęcia stanowią wprowadzenie do
wykonywania doświadczeń fizycznych ­ tematu zupełnie pomijanego w szkołach. Na zajęciach uczestnicy
zapoznają się z teorią, przeprowadzają proste eksperymenty z zakresu mechaniki (uproszczone
10
doświadczenia z Olimpiady Fizycznej) mierząc proste wielkości (długość, czas), a następnie opracowują
sprawozdanie z doświadczenia. Plan zajęć jest następujący:
1. Praktyczne wprowadzenie do rachunku błędów ­ czym jest błąd (rysunek rozkładu Gaussa,
odchylenie standardowe i reguła 70%, zapis błędu i zasady zaokrąglania cyfr), rodzaje błędów
(przypadkowy, systematyczny, gruby), błąd wielkości prostej (dokładność podziałki przyrządu,
odchylenie standardowe średniej, współczynniki Studenta­Fischera dla alfa=0.7), błąd wielkości
złożonej (rózniczka logarytmiczna ­ bez zupełnej, błąd sumy i różnicy)
2. Przydział doświadczeń ­ arkuszy oraz układów doświadczalnych (do pobrania ze strony
Almukantaratu)
3. Pomiary wykonywane przez uczestników ­ uzupełnianie arkuszy na bieżąco
4. Rachunek błędów zmierzonych wielkości
3.3. Dzień wstępny
3.3.1. Piękno kosmosu
Wykład ogólny w formie prezentacji multimedialnych, prezentujący wiele obiektów nieba nocnego na
kolorowych fotografiach. Szybki przelot przez kosmos, bez wchodzenia w szczegóły naukowe. Wykłady
takie przeprowadzono na spotkaniach w roku 2013 i spotkały się z dużym zainteresowaniem uczestników.
3.3.2. Teleskopy
Zajęcia mają na celu przedstawienie podstawowych zasad pracy z instrumentami dostępnymi na obozie.
Rozłożony powinien być co najmniej 1 teleskop z każdego typu (montaż Dobsona, montaż paralaktyczny,
teleskop Newtona, refraktor, teleskop słoneczny). Jeśli jest to możliwe (jest wystarczająco dużo
prowadzących) zalecane jest by pokazać wszystkie dostępne teleskopy.
Prowadzący przedstawia budowę teleskopu, zasadę działania i sprzęt dodatkowy. Prezentuje zasady pracy
z optyką: zakaz dotykania szkieł i luster, zakaz zmiany stanu pokręteł o nieznanym przeznaczeniu oraz
poucza grupę o nakazie zgłaszania wszelkich zastanych i spowodowanych uszkodzeń sprzętu dostępnego.
Zaleca się przedstawienie obrotowej mapy nieba oraz atlasu.
Duży nacisk zostaje postawiony na bezpieczeństwo obserwacji słonecznych: niezbędne zabiegi służące
zachowaniu bezpieczeństwa, fakty i mity na temat obserwacji słonecznych, a także najczęstsze wpadki
(obserwacje “przez dyskietkę”, metoda projekcyjna, zapominanie o szukaczu).
Prowadzący prezentuje Ligę Obserwacyjną i tłumaczy jej zasady. Następnie następuje rotacja grup, po
której ponownie tłumaczona jest budowa innego typu instrumentu. Pozostały czas przeznacza się na
ćwiczenia dowolne ze sprzętem dla uczestników (np. kolimacja szukacza).
11
3.4. Planeta Ziemia
3.4.1 Planeta Ziemia ­ wykład główny
Wykład w formie prezentacji multimedialnej ukazuje podstawowe dane astronomiczne o naszej planecie,
ruchy Ziemi: roczny, dobowy i precesyjny, z zaprezentowaniem następstw. Tłumaczy zjawiska
atmosferyczne. Prowadzący przedstawia jednostki czasu oparte na ruchu Ziemi: Rok gwiazdowy,
zwrotnikowy; doba słoneczna, gwiazdowa, zwrotnikowa.
3.4.2. Księżyc
Wykład w formie prezentacji multimedialnej. Przedstawienie historii powstania Księżyca (teoria zderzenia
(aktualnie obowiązująca), przechwytu, Księżyc jako produkt szybkiej rotacji). Wielkie bombardowanie i
wulkanizm księżycowy. Powstanie mórz. Formy krajobrazu księżycowego: morza, bagna, wyżyny, kratery
uderzeniowe, szczeliny. Wpływ Księżyca na Ziemię: (pływy, obrót synchroniczny). Obserwacje Księżyca
(mechanizm faz, libracja, zmiana rozmiarów kątowych). Zaćmienia Słońca i Księżyca: wyszczególnienie
typów wraz z jakościowym opisem warunków zajścia zjawiska. Jednostki czasu oparte na ruchu Księżyca:
miesiąc synodyczny, syderyczny, smoczy, anomalistyczny. Przyszłość Księżyca. Inne obiekty
quasiksiężycowe: Księżyce Kordylewskiego, obiekty koorbitalne, obiekty tymczasowo przechwycone.
3.5. Słońce
3.5.1 Słońce ­ wykład główny (uzupełniony obserwacjami)
Przedstawienie budowy Słońca, ze zwróceniem uwagi na zmianę sposobu transportu energii w różnych
warstwach, krótka charakterystyka jądra, warstwy promienistej i konwektywnej, warstw atmosfery
Słońca (fotosfera, chromosfera, korona), zauważenie inwersji temperatur i zwrócenie uwagi na brak ścisłej
granicy między poszczególnymi warstwami. Przejście do charakterystyki struktur słonecznych widocznych
w atmosferze, począwszy od fotosfery i poruszając się coraz wyżej (zwrócenie uwagi na zmianę sposobu
prowadzenia obserwacji przy “przemieszczaniu się” coraz wyżej; od wizualnych, przez kolejne zakresy
charakterystyczne dla danej warstwy i temperatury). Powiązanie struktur występujących w dolnych
partiach atmosfery ze strukturami umieszczonymi wyżej ­ nakładanie się struktur w obrębie obszarów
aktywnych.
Omówione “struktury”: plamy słoneczne, granulacja, pociemnienie brzegowe, pochodnie fotosferyczne,
protuberancje, rozbłyski, supergranulacja, spikule, siatka wapniowa, “pojaśnienie brzegowe”, *koronalne
dziury, *pas streamerów
3.5.2 Cykl słoneczny, pogoda kosmiczna
1. Przedstawienie głównego powodu naszego zainteresowania aktywnością słoneczną i przyczyny
powstania, stosunkowo niedawno, pojęcia “pogody kosmicznej”: przede wszystkim rozwój elektroniki i
początek ery “eksploracji kosmosu”, pociągające za sobą wysyłanie satelitów na orbity Ziemi i innych ciał
US, a także misje kosmiczne z udziałem astronautów ­ wszystko narażone na negatywne skutki po
spotkaniu z energetycznymi cząstkami i promieniowaniem związanym ze wzmożoną aktywnością
12
słoneczną. Próba zdefiniowania pogody kosmicznej przez analogię do pogody ziemskiej, czynniki
wchodzące w jej skład (przede wszystkim aktywność słoneczna, promieniowanie pochodzenia
kosmicznego, “kosmiczny gruz”, aktywność rojów meteorów).
2. Aktywność słoneczna jako wszelkie gwałtowne zjawiska zachodzące w atmosferze Słońca. Pytanie ­
czy w ogóle jesteśmy w stanie ją przewidywać? Nie jesteśmy zupełnie bez szans, istnieje bowiem pewna
cykliczność w zmianach aktywności gwiazdy. Omówienie cyklu słonecznego od strony obserwacyjnej ­
poprzez podanie widocznych oznak (wskaźników) wzrostu i spadku aktywności Słońca (odkrycie cyklu
przez Schwabego na podstawie obserwacji plam słonecznych, wykres motylkowy Carringtona). Liczba
plamowa. /Skupiłabym się na pierwszym obozie na omówieniu cyklu takiego, jakim go obserwujemy, bez
wchodzenia w teorię dynama ­ to na późniejszych obozach/. Zauważenie, że wszelkie przejawy słonecznej
aktywności podlegają cyklowi około 11­letniemu. Kilka słów o zaburzeniach cyki, które poddają w
wątpliwość nasze umiejętności przewidywania pogody kosmicznej ­ Grand Minima na przykładzie
Minimum Maundera, Grand Maxima, np. okres po 1940, zauważenie wyraźnego i nieprzewidzianego
globalnego spadku aktywności Słońca w czasie spóźnionego obecnego cyklu.
3. Najważniejsze czynniki wpływające na warunki w przestrzeni kosmicznej, tj. kształtujące pogodę
kosmiczną. Omówienie wiatru słonecznego, podział na składniki szybki i wolny.
Rozbłyski na Słońcu, wiatr słoneczny i ochronna rola magnetosfery ziemskiej (brak takowej na Marsie),
zorze polarne (omówienie mechanizmu świecenia i koloru), indukowanie prądu w liniach energetycznych.
Bezpieczeństwo astronautów w kontekście zwiększonego promieniowania i energetycznych cząstek.
3.6. Układ Słoneczny
3.6.1. Układ Słoneczny ­ wykład główny
Wykład w formie prezentacji multimedialnej. Omówienie powstania układu słonecznego z obłoku
pyłowo­gazowego. Proces formowania się planetozymali. Położenie układu w Galaktyce. Przedstawienie
podziału obiektów układu na typy. Omówienie poszczególnych planet (dla każdej podanie podstawowych
danych fizycznych i astronomicznych (rozmiary liniowe, okres rotacji, okres obiegu, wielka półoś orbity,
warunki termiczne, warunki obserwacyjne z Ziemi):
a) Merkury: rotacja synchroniczna, problem nieproporcjonalnego jądra, ruch precesyjny peryhelium.
b) Wenus: warunki atmosferyczne, efekt cieplarniany, rotacja wsteczna i następstwa, fazy,
c) Mars: aresologia (formy krajobrazu, warunki atmosferyczne, problem wody, regolit marsjański, hipotezy
o życiu na Marsie, czapy polarne wraz z ich dynamiką. Fobos i Deimos: teorie powstania, zaćmienia w
układzie i widoczność satelitów z planety.
d) Jowisz: atmosfera i jej dynamika (wielka czerwona plama, wielki biały owal, pasy), magnetosfera,
spłaszczenie biegunowe, wpływ na mniejsze ciała układu, budowa wewnętrzna, pierścienie. Księżyce
galileuszowe, hipotezy o życiu na księżycach lodowych, rezonanse w układzie, pływy i wulkanizm na Io.
13
e) Saturn: atmosfera, budowa pierścieni planety, budowa wewnętrzna, pory roku. Księżyce Saturna: Tytan
i jego atmosfera, Rhea, Japetus, Enceladus, Mimas, Dione, Hyperion, Tetys, księżyce pasterskie.
f) Uran: Odkrycie Urana: Wilhelm Herchel, pierścienie, rotacja wsteczna, nachylenie osi względem
płaszczyzny orbity wraz z teoriami zaistnienia, pory roku, roczne warunki oświetleniowe (anormalne
położenie zwrotników i kół podbiegunowych), magnetosfera, budowa wewnętrzna lodowego olbrzyma.
Główne księżyce: Titania, Oberon, Umbriel, Ariel, Miranda.
g) Neptun: Przeoczenie Neptuna przez Galileusza, Odkrycie Neptuna jako wynik przewidywań
astrometrycznych: La Varrier, Gale, Adams. Dynamika atmosfery, istnienie pierścieni szczątkowych, pory
roku, porównanie wielkościowe i masowe z Uranem. Budowa wewnętrzna, wpływ na rubieże układu.
Księżyce: Tryton (wraz z hipotezą o przechwycie ­ ruch wsteczny), Proteusz, Nereida.
Zaleca się wzbogacenie wytycznych o aktualne informacje o powyższych obiektach.
3.7. Gwiazdy
Ewolucja gwiazd: pył wodorowy, zapadanie się, reakcje termojądrowe, brązowe i czerwone karły,
olbrzymy, nadolbrzymy (czerwone, błękitne), gwiazdy neutronowe, pulsary, magnetary (magnes
neodymowy jako rekwizyt i odniesienie do pola magnetycznego magnetara), czarne dziury, białe karły
(diamentowe jądra). Porównać wielkości na grafice, wskazując największe znane gwiazdy, ale też
porównać czarną dziurę czy białego karła z Ziemią lub Księżycem. Zależność wieku gwiazdy od jej masy i
temperatury. Prawo Plancka ­ świecenie ciał analogią do świecenia gwiazd ­ temperatury od koloru
(zdjęcia substancji rozgrzanych do różnych temperatur; określanie temperatury w hucie metodą
porównywanie kolorów). Ścieżki ewolucji w zależności od masy.
Pokazanie wyżej wymienionych fragmentów na diagramie Hertzsprunga­Russela. Prześledzić kilka
ciągów ewolucyjnych na tymże diagramie. Omówienie spalanych w jądrach gwiazd pierwiastków oraz
różnych cykli.
Układy podwójne i wielokrotne. Syriusz. Gwiazdy zmienne. Mechanizmy zmian, przedstawienie wykresów
blasków.
3.8. Galaktyki i kosmologia
3.8.1. Nasza Galaktyka
Historia dojścia do tego czym jest galaktyka i że się w niej znajdujemy. Typy galaktyk, odniesienie się do
budowy naszej. Przykład Andromedy jako podobnej galaktyki. Struktura: ramiona, poprzeczka, jądro
(masywna czarna dziura), pył międzygwiazdowy.
Zdjęcia Drogi Mlecznej, porównanie fragmentów na niebie z odpowiednimi strukturami galaktyki.
Umieszczenie wewnątrz niej obiektów np. katalogu Messiera.
14
3.8.2. Kosmologia
Wykład z prezentacją multimedialną, dużą liczbą zdjęć i diagramów, a nielicznymi wzorami.
Objaśnienie czym jest kosmologia i jaki jest zakres zainteresowań tej dziedziny wiedzy. Potencjalna
wstawka o różnych kosmologicznych wierzeniach i pomysłach na powstanie świata. Zwrócenie uwagi na
zasadnicze różnice w badaniach obiektów położonych w odległościach kosmologicznych względem
wcześniej omówionych działów astronomii. Związek: im dalej położony obiekt, tym starsze obserwowane
światło ­ galaktyki (gromady galaktyk) i supernowe podstawowymi obiektami, które możemy obserwować
w odległościach kosmologicznych. Przypomnienie czym jest spektroskopia i przejście przy tym do odkrycia
poczerwienienia i ucieczki galaktyk przez Hubble’a. Diagram Hubble’a i prawo Hubble’a, z ewentualnym
wyśmianiem dopasowania prostej dla pierwszego historycznie diagramu. Wnioskowanie o tym, że kiedyś
wszystko było w jednym punkcie ­ pomysł Wielkiego Wybuchu postulowany przez Lemaitre’a (warto
zwrócić uwagę, że fakt bycia księdzem nie ułatwiał mu przekonywania innych do swojej idei). Kłótnie ze
zwolennikami modelu Wszechświata stacjonarnego (Fred Hoyle + stworzenie przez niego terminu Big
Bang). Wyjaśnienie proporcji hel­wodór zaproponowane przez Alpher’a i Gamow’a (słynna praca
Alpha­Beta­Gama, żartobliwe dodanie Bethe do autorów). Przewidzenie istnienia promieniowania
reliktowego i przypadkowe odkrycie go przez Penziasa i Wilsona (fun fact: początkowo sądzili, że wykryte
szumy są związane z gołębiami latającymi nad radioteleskopami i pozostałymi po nich pamiątkami) ­
ostateczny triumf teorii Wielkiego Wybuchu nad teoriami Wszechświata stacjonarnego. Satelity COBE,
WMAP, Planck.
3.10. Kosmonautyka
3.10.1. Wyścig kosmiczny
Zamiast tego wykładu można przygotować dowolny duży wykład na temat historii kosmonautyki,
lub jedną z propozycji jako wykłady pomocnicze, pamiętając, że 2 ćwiartki muszą być zajęte przez
wykłady kosmonautyczne.
Wykład w formie przentacji multimedialnej opowiada historię najintensywniejszego okresu w podboju
kosmosu tj. 1945­1975, od końca II wojny światowej do lotu Sojuz­Apollo. Przedstawia się wojenną
historię badań kosmonautycznych i przygotowania do pierwszych wystrzeleń w latach 50’. Pierwsze
satelity po obu stronach żelaznej kurtyny. Pierwsze loty załogowe: Wostok i Mercury, programy
rozwojowe Woschod oraz Gemini. Szeroko omówiony program Apollo, oraz informacje na temat
rosyjskich prób oraz pierwszych lotów Sojuz. Wykład kończy się na wspólnej misji w 1975 r.
3.11. Historia astronomii
3.11.1 Historia astronomii ­ wykład główny
Kamienne kręgi, archeoastronomia, Babilon, Egipt, Grecja, Arabia, Chiny­ osiągnięcia. Era obserwacji
nieteleskopowych. System helio­, geo­, helio­ centryczny (Kopernik). Luneta i Teleskop jako punkt
zwrotny w historii. Wielcy obserwatorzy. Pierwsze obserwacje fotograficzne. Mikrofalowe
15
promieniowanie tła, początki obserwacji w innych pasmach. Promieniowanie kosmiczne. Odkrycia planet
pozasłonecznych. Współczesność.
3.11.2. Zamierzchłe przyrządy astronomiczne
Omówienie używanych przyrządów astronomicznych. Znaczenie i użycie: gnomon, astrolabium, triquetrum,
planetarium, tellurium, torquetum, laska jakuba, oktant, sektant, kwadrant. Jeśli to możliwe: pokazanie
ilustracji i/lub modeli.
3.11.3. Słynni astronomowie
Kopernik, Heweliusz, Kepler, Brahe, Galileusz, Arystarch, Ptolemeusz, Newton, Leavit, Wolszczan,
Chandrasekhar, Einstein, Hubble. Anegdotki, ciekawostki, osiągnięcia ­ wkład w astronomię, niezbyt dużo
dat, lepiej powiedzieć w jakich realiach żył (były wtedy komputery, maszyny parowe, druk etc.).
Dobrym urozmaiceniem jest wykorzystanie opracowań A. K. Wróblewskiego “Uczeni w anegdocie”.
4. Projekty obserwacyjne
W tej części opisane są projekty obserwacyjne, które mogą być zrealizowane w trakcie trwania obozu
(tzn. zebranie i obróbka danych). Część projektów może być zaadaptowana w ramach programu “Projekty
naukowe Almukantarat”.
Ponieważ zazwyczaj w czasie obozu jest ograniczona liczba nocy obserwacyjnych (zbyt mała w stosunku
do ilości chętnych), niniejsze projekty są realizowane grupowo: data acquision odbywa się razem z
prowadzącym, zaś późniejsza obróbka odbywa się na specjalnie zorganizowanych zajęciach (np. w czasie
wolnym) z prowadzącym.
W tej części opisane są również projekty obserwacyjne, które mogą być realizowane w ramach akcji
“Projekty naukowe Almukantarat”. W szczególności, przyjęcie niektórych teleskopów w ramach akcji
“Przygarnij teleskop” wiąże się z obowiązkiem realizacji wybranego projektu.
Niektóre projekty mogą być skrócone do formy zajęć w pracowni komputerowej ­ dane są dostarczane
uczestnikom.
4.1. Projekty różne
4.1.1. Pomiar wysokości gór księżycowych
Dokładna instrukcja znajduje się w:
Branicki Andrzej „Obserwacje i pomiary astronomiczne”, wydawnictwo UW
16
4.1.2. Wyznaczanie pola widzenia teleskopu
Prosty projekt pomiaru rzeczywistego pola widzenia teleskopu (TFOV) wykorzystując ruch obrotowy
Ziemi. Przebieg eksperymentu:
1. Wybór kilku gwiazd o znanych deklinacjach i wyznaczenie ich prędkości kątowych (chwilowych)
ruchu pozornego po niebie.
2. Pomiar ze stoperem czasu pomiędzy pojawieniem się gwiazdy w polu widzenia i jego
opuszczeniem (gwiazda powinna podróżować przez średnicę), kilkukrotnie dla każdej gwiazdy.
3. Analiza danych i wyznaczenie niepewności pomiarowych; porównanie z wielkością obliczoną na
podstawie danych technicznych podanych przez producenta.
4.1.3. Obserwacje meteorów wraz z wypełnianiem raportu
(materiały PKiM http://www.pkim.org/?q=pl/node/421)
4.1.4. Obserwacyjne wyznaczanie kształtu analemmy
4.1.5. Pomiar prędkości światła metodą Ole Rømera
Projekt mający na celu powtórzenie osiągnięcia duńskiego XVII­wiecznego uczonego, który na podstawie
obserwacji zaćmień Io wyznaczył prędkość światła. Uczestnik obserwuje Jowisza w dwóch seriach: około
3­4 miesiące przed lub po opozycji i podczas opozycji. Jeśli obserwacje mają miejsce przed opozycją
rejestruje się moment wejścia Io w cień Jowisza, jeżeli po, obserwuje się wyjście księżyca z cienia.
Uczestnik wyznacza czas zajścia zjawiska, z dostatecznie dużą dokładnością i znając odległości od Jowisza
podczas dwóch dowolnych zaćmień wyznacza c.
Potrzeby sprzęt: luneta lub mały teleskop, zegarek.
Zalecane: lustrzanka cyfrowa lub astrokamera.
4.2. Astrofotografia
4.2.1. Astrofotografia
Jest to projekt ogólny, obejmujący całoroczną naukę astrofotografii przez osobę, która otrzymała (lub
posiada własny) sprzęt astrofotograficzny. Projekt obejmuje m.in.:
➔
➔
➔
➔
podstawy teoretyczne astrofotografii
wskazówki dotyczące obsługi sprzętu
obróbkę danych w programie Iris (na materiałach własnych i dostarczonych)
obróbkę obrazu w programie Photoshop lub kalibrację danych fotometrycznych
Jest to projekt obowiązkowy dla osób, które otrzymały klubowy sprzęt astrofotograficzny. W pozostałych
przypadkach, wymagania sprzętowe są następujące:
17
★ lustrzanka cyfrowa z obiektywem
★ montaż paralaktyczny z prowadzeniem
★ elementy umożliwiające połączenie lustrzanki z montażem
4.2.2. Astrofotografia Jowisza
Projekt omawiający zagadnienia fotografii obiektów jasnych (naszego Układu Słonecznego): Słońca oraz
jasnych planet. Projekt obejmuje m.in.:
➔ wprowadzenie teoretyczne; w przypadku Słońca ­ pouczenie o bezpieczeństwie
➔ zapoznanie z techniką prowadzenia obserwacji kamerą
➔ obróbkę obrazu za pomocą programu Registax
W zależności od obserwowanego obiektu (Słońce, Jowisz, Wenus), co jest podyktowane posiadanym
sprzętem i sezonem obserwacyjnym, cele naukowe projektu mogą być następujące:
➔ Słońce: ewolucja grupy plam (animacja poklatkowa), odniesienie do teorii i wnioski
➔ Jowisz: animacja rotacji, wyznaczenie parametrów fizycznych (orbit księżyców)
➔ Wenus: zestawienie faz, oszacowanie zmian odległości
Warunki sprzętowe, wymagane do realizacji projektu są następujące:
★ teleskop o długiej ogniskowej
★ montaż paralaktyczny (najlepiej z prowadzeniem)
★ kamera internetowa lub planetarna
4.3. Heliofizyka
4.3.1. Ewolucja grupy plam lub innej struktury słonecznej
4.3.2. Całoroczne pomiary liczby Wolfa
4.3.3. Monitoring aktywności słonecznej na podstawie danych SDO, LMSAL
Projekt polega na monitoringu aktywności słonecznej w wybranym miesiącu na podstawie różnych źródeł
(obrazy SDO, wykresy strumieni GOES). Rezultatem projektu jest krótki referat przedstawiający
najaktywniejsze obszary oraz najsilniejsze zjawiska w obrębie tego miesiąca. Najważniejsze założenia
projektu:
➔ Wiedza: cykl aktywności słonecznej, zjawiska słoneczne
➔ Sposoby pomiaru aktywności, spektroheliogramy
➔ Źródła danych słonecznych w internecie; program JHelioViewer
18
4.3.4. Pomiar współczynnika rotacji różnicowej na podstawie obrazów SDO
Projekt polega na pomiarze współczynnika rotacji różnicowej Słońca, wykorzystując archiwalne dane SDO
w świetle widzialnym (450nm). Obrazy SDO są dobre, ponieważ jest dostęp do danych archiwalnych, a
obrazy są zawsze obrócone zgodnie z osią obrotu Słońca.
Rotacja różnicowa jest określona równaniem w(fi) = A ­ Bsin^2(fi) /Carrington/ lub w(fi) = A ­ Bsin^2(fi)
­ Csin^4(fi) /Maunder/. Wykonując pewną liczbę pomiarów, można obliczyć współczynniki A,B,C z
dopasowania, odpowiednio, prostej lub wielomianu kwadratowego.
Założenia i cele projektu:
➔
➔
➔
➔
Wiedza na temat Słońca, historia badań słonecznych
Wykorzystanie internetowych źródeł danych słonecznych
Regresja liniowa i kwadratowa z użyciem MS Excel
Podstawy rachunku błędów
4.4. Astrofizyka
4.4.1. Obserwacje lornetkowe jasnej zmiennej, krzywa jasności
Projekt polega na obserwacjach jasnej gwiazdy zmiennej o dużych wahaniach jasności i długim okresie
(cefeidy, mirydy, niektórych zaćmieniowych) za pomocą lornetki lub teleskopu. Ocena jasności odbywa się
wizualnie, za pomocą tradycyjnych metod (Argelandera, NBA, Pickeringa). Cele projektu są następujące:
➔ nabycie wiedzy o różnych charakterach zmienności gwiazd, samodzielny wybór celu obserwacji i
wygenerowanie mapek z serwisu AAVSO,
➔ utworzenie krzywej jasności, wyznaczenie okresu pulsacji,
➔ utworzenie prezentacji podsumowującej wyniki, przesłanie wyników do AAVSO.
4.4.2. Fotometria/obserwacje cefeidy, wyznaczenie odległości
Projekt polega na obserwacji fotometrycznej cefeidy, a następnie wyznaczeniu okresu zmian jasności.
Cefeidy są gwiazdami dla których zachodzi ścisła zależność między okresem zmian jasności a jasnością
absolutną, dlatego wykorzystując wiedzę z obozu uczestnik będzie mógł wyznaczyć odległość do cefeidy i
poznać jedną z metod wyznaczania odległości w astronomii. Cele projektu:
➔
➔
➔
➔
nabycie wiedzy o cefeidach, ich rodzajach i własnościach
zdobycie wiedzy o astrofotografii i podstawach fotometrii
zrozumienie w jaki sposób można wyznaczać odległości w astronomii
wykorzystanie pojęć: jasność widoma i absolutna w praktyce
4.4.3. Fotometria/obserwacje układu zaćmieniowego, wyznacznenie wielkości fizycznych
4.4.4. Fotometria gromad gwiazd + wykres kolor­kolor
19
Projekt polega na obserwacjach fotometrycznych bliskiej gromady gwiazd i ocenieniu, które gwiazdy
należą do gromady, a które są dalej od Ziemi niż gromada. Cele projektu:
➔
➔
➔
➔
nabycie wiedzy o podstawach astrofotografii i fotometrii
zdobycie wiedzy o gromadach i ich rodzajach
utworzenie wykresu kolor­kolor i ocena, które gwiazdy należą do gromady
wykorzystanie wiedzy teoretycznej nabytej podczas obozu w praktyce
W razie braku warunków do przeprowadzenia obserwacji, można użyć gotowych zestawów danych, które
pozwolą przekazać większość potrzebnej wiedzy.
4.4.5. Spektroskopia/ Pomiar i analiza linii widmowych
Projekt polega na wykonaniu (?) /lub analizie gotowych/ obserwacji spektroskopowych gwiazdy i
określeniu (nie dokładnie, ale z grubsza) składu atmosfery gwiazdowej. Projekt obejmuje:
➔ wstęp teoretyczny o tym, czym jest spektroskopia i o jej znaczeniu w astronomii
➔ wstęp teoretyczny o liniach widmowych
Cele projektu:
➔ obróbka danych obserwacyjnych
➔ odczytywanie danych z wykresu
➔ praca z katalogami danych
4.4.6. Spektroskopia/ Wyznaczenie parametrów fizycznych układu podwójnego
4.5. Ciemne niebo
4.5.1. Całoroczna ocena jasności tła nieba w miejscu zamieszkania
4.5.2. Ocena jasności tła nieba metodą fotograficzną
(na podstawie instrukcji IA UWr ­ I połowa 2014)
20
5. Podsumowanie
Celem wprowadzenia nowej podstawy jest uporządkowanie i ujednolicenie zajęć na obozach dla
młodszych w celu optymalizacji nauczania i dostosowania zajęć do zmian w polskiej szkole, która od
jakiegoś czasu nie przekazuje już praktycznie żadnych treści astronomicznych. Ponieważ głównym celem
obozu jest popularyzacja astronomii chcemy by nowy projekt prowadził do zarażenia większej liczby
uczestnikiem “bakcykem astronomii”, jak również do przekazaniu im pewnych konkretnych wiadomości
których nie zdobędą w szkole.
21