Тема 15. Эволюция представлений о системе мира

ИИСС «Планетарий»
Урок 15. Эволюция представлений о системе мира: от геоцентрических систем мира древнегреческих философов до гелиоцентрической системы Коперника.
Тема. Эволюция представлений о системе мира: от геоцентрических систем мира древнегреческих философов до гелиоцентрической системы Коперника.
Цели урока. На примере создания системы мира показать учащимся:
1) путь научного познания: факты - гипотеза - факты - новая гипотеза -… -теория;
2) относительность истины;
3) возможность интерпретации одних и тех же явлений в различных системах отсчета;
Основные понятия. Геоцентрическая система мира, гелиоцентрическая система мира.
Демонстрационный материал. Иллюстрации. Модели.
Самостоятельная деятельность учащихся. Выполнение поисковых заданий, создание
презентаций, систематизация материала в форме таблицы.
Мировоззренческий аспект урока. Развивать навыки логического мышления учащихся и
научного подхода к изучению мира. Анализ накопления знаний по астрономии происходило со времен древних цивилизаций. Модели Вселенной.
Использование новых информационных технологий. Работа с моделями, работа с мастером презентаций.
План урока.
Формы исполь- Время,
Приемы и метоКраткое содержание урока
зования
мин
ды
планетария
Иллюстрации,
Выполнение по1. Подготовка доклада, презентации
модели
дома
исковых заданий
2. Вступительное слово учителя
3. Выступление учащихся
3
Иллюстрации,
модели
30
Модели
10
4. Сравнение геоцентрической и гелиоцентрической теорий. Рефлексия
5. Задание на дом
Беседа с учащимися
Выступления
учащихся
Беседа
2
Подготовка к уроку.
1. Выбор учащимися темы доклада.
2. Подготовка устного сообщения, презентации для иллюстрации доклада и газеты
формата А5.
Литература
1. Эрик Роджерс «Физика для любознательных», т. 2, М.: «Мир», 1970.
2. Сергеев М. Б., Сергеева Т. В. «Планета Земля. Развитие идей и представлений»
учебное пособие. М.: Интерпакс, 1994.
Темы сообщений
1. Вселенная по представлениям Фалеса.
2. Система мира Пифагора.
3. Система мира Филолая.
4. Система мира Евдоксия.
5. Система мира Аристотеля.
6. Система мира Аристарха.
1
ИИСС «Планетарий»
7. Система мира Гиппарха.
8. Система мира Птолемея.
9. Система мира Коперника.
Конспект урока.
Накопление знаний по астрономии происходило со времен древних цивилизаций от
простой регистрации тех или иных фактов до систематических наблюдений. Из этих фактов возникали легенды, поучавшие детей или успокаивавшие простой народ. В этих легендах Солнце считалось божеством, планете Венера поклонялись, рассказывалось об
«обители блаженства», находящейся над хрустальным сводом звезд. Но сами легенды
не были лишь суеверными мифами. Это были предвестники научной теории, их связь с
фактами была слабой, скорее фантастической, однако они создавали основу для «объяснения» этих фактов. Когда зародилась греческая цивилизация, ее мыслители основали в
науке новые методы: они стали искать общие схемы объяснения, которые взывали бы к человеческой любознательности. Они уже не довольствовались простыми мифами, удовлетворявшими любопытство толпы. Они ставили себе задачу «предвосхитить явление», т.
е. создать такую схему, которая могла бы объяснить факты. Это было гораздо важнее
простого собрания фактов или создания описания каждого нового факта отдельной теории. Это был интеллектуальный прогресс, начало создания научной теории.
Первые греческие ученые нарисовали простую картину устройства Вселенной, но
по мере накопления данных они усложняли схемы, чтобы объяснить детали тех или
иных явлений: сначала простые факты о Земле, затем более детальные схемы, объясняющие движение небосвода в целом, а также Солнца, Луны и планет в отдельности.
На каждой стадии ученые пытались на основе немногих простых допущений или
общих принципов создать возможно более логичное и полное «объяснение» или описание наблюдаемого явления. Такое объяснение должно было способствовать систематизации накопленных фактов и получению дальнейших предсказаний. Но, прежде всего
оно должно было укреплять веру в существование системы, объединяющей различные
явления, в разумное устройство природы. Хотя поиски схемы иногда диктовались практической необходимостью, например необходимостью создания календаря, удовлетворение, получаемое учеными от четкого объяснения разнообразных явлений, далеко выходило за эти рамки. Вынуждаемые необходимостью задавать вопрос почему, греческие философы искали и создавали научные теории. Хотя наши современные стремления проверять все с помощью эксперимента и богатство научного оборудования привели к огромным изменениям в наших представлениях, мы по-прежнему разделяем
восторг греков перед теорией, которая «предвосхищает явления». Посмотрим, как
создавались их теории.
Задание учащимся. Слушая выступления одноклассников, заполните следующие графы таблицы:
1) автор модели, примерные годы жизни;
2) факты, которые не укладывались в предшествующую модель строения
вселенной и объясняла (или пыталась объяснить) данная система мира;
3) схема и краткое описание модели мира.
2
ИИСС «Планетарий»
Автор
Факты
Модель
Фалес
Суточное движение звезд,
Земля - плоский диск, звезды прикреплены к вращающейся сфере, плоскость
600
г.до годовое и суточное движение эклиптики наклонена относительно траектории звезд (рис. 1 и рис.2)
н.э.
Солнца и Луны
3
ИИСС «Планетарий»
Пифагор
Перемещение планет, Солнца
Земля - шар окружена концентрическими прозрачными сферами, на каждой из
530 г. до и Луны на фоне звезд с раз- которых находится небесные тела: ближайшее к Земле - Луна, затем Меркурий,
н.э.
личными скоростями.
Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Внешняя сфера содержала звезды и совершала полный оборот за сутки, остальные вращались медленнее.
Общий принцип - «сферы» - это «совершенные» формы, а равномерные вращения - «совершенные» движения. (рис. 3, 4)
4
ИИСС «Планетарий»
5
ИИСС «Планетарий»
Филолай
Солнце, Луна, Венера, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн медленно движутся среди звезд с запада на
восток. Звезды же движутся с
востока на запад.
Центр Вселенной - не Земля, а центральный огонь — «сторожевая башня богов»; Земля
вращается вокруг этого огня, совершая за сутки полный оборот по малой орбите, причем
ее обитаемая часть всегда обращена в противоположную сторону от этого центрального
огня. Это движение Земли объясняло ежедневное движение звезд на небе: внешняя хрустальная сфера при этом могла покоиться. (Рис. 5)
6
ИИСС «Планетарий»
Евдоксий
370 г. до н.э.
Планета не движется неравномерно по петлеобразной траектории. Солнце и Луна, движутся по своим годовым и месячным траекториям с переменными скоростями.
Система состоит из 27 концентрических сфер, подобно шелухе луковицы. Каждой планете соответствовало несколько сфер, расположенных одна внутри другой и вращающихся вокруг различных осей: по три сферы для Солнца и Луны, по четыре для каждой планеты и одна внешняя сфера для всех звезд. Каждая сфера закреплена на оси, которая проходит через отверстие в следующей сфере, и расположена вне, причем оси вращения
имеют различные направления. Комбинированные движения с надлежащим образом выбранными направлениями вращения соответствуют наблюдениям. (Рис. 6, 7)
7
ИИСС «Планетарий»
Аристотель
340 г. до н.э.
Аристарх
240 г. до н.э.
Гиппарх
140 г. до н.э.
Система мира Евдоксия не
согласовывалась с более точными наблюдениями движения
планет
Сложность системы Аристотеля привела к попытке упрощения схемы
Увеличение числа сфер до 55.
Систематизировал знания и привел доказательства шарообразности Земли.
1) Земля вращается, и этим вращением объясняется суточное движение звезд;
2) Земля движется вокруг Солнца, совершая полный оборот по орбите в течение года;
другие планеты движутся подобным же образом — это объясняет видимые движения
Солнца и планет относительно звезд.
Неравномерное
движение
Планета движется равномерно по окружности (эпициклу), центр которой равномерно
Солнца и Луны, петлеобразное движется по другой окружности (деференту), центром которой уже является Земля (Рис.
движение планет
8, 9)
8
ИИСС «Планетарий»
Птолемей
120 г. до н.э.
Определил точные положеЗвездное небо - это сфера, вращающаяся вокруг неподвижной оси и совершающая
ния планет, Солнца и Луны по полный оборот за 24 часа.
отношению к неподвижным
Солнце движется вокруг Земли согласно эпициклической схеме Гиппарха; Луна двизвездам
жется по более сложной эпициклоиде.
Чтобы объяснить движение планет, Птолемей создал схему эпициклов, в которой Земля находится не в центре главного круга, а была бы несколько сдвинута относительно него, т. е. расположена эксцентрично. Но и этого оказалось недостаточно, и Птолемей построил схему, в которой не только расположил Землю эксцентрично, но и сдвинул центр
равномерного вращения в противоположную сторону. (Рис. 10)
9
ИИСС «Планетарий»
Коперник
Движения всех планет тем
или иным образом согласовывались с движением Солнца,
например, периоды обращения
Венеры и Меркурия по деферентам и периоды обращения
Марса, Юпитера и Сатурна по
эпициклам в точности равнялись одному году - периоду
обращения Солнца вокруг
Земли.
Это была сложная система главных и вспомогательных кругов с различными радиусами, скоростями, наклонами и эксцентриситетами различной величины и направлений. Эта
система, работающая подобно сложному передаточному механизму, позволяла из года в
год точно предсказывать положения планет и определять эти положения в прошлом. Подобно хорошей системе механизмов, она была основана на простых принципах: круги с
постоянными радиусами, вращение с постоянной скоростью.
Все планеты движутся по орбитам вокруг неподвижного Солнца, Земля обходит Солнце за год, вращаясь при этом вокруг оси и совершая полный оборот за 24 часа. «Неподвижные звезды» и Солнце покоятся в небе. Сложное движение планеты по эпициклоиде
складывается из собственного движения планеты по кругу и движения Земли вокруг
Солнца. Для устранения расхождений между рассчитанными и наблюдаемыми движениями планет на небе Коперник вынужден был вводить эпициклы.
10
ИИСС «Планетарий»
Наблюдаемые на земном небе движения планет одинаково хорошо могли быть
описаны в рамках каждой из моделей Вселенной: и Птолемея и Коперника. Рассмотрим
это подробнее на примере движения внутренних планет.
1 В гелиоцентрической модели (рис 11), соответствующей реальной картине, Венера
совершает оборот вокруг Солнца за 225 дней, а Земля за год. Так как Венера движется
вокруг Солнца быстрее Земли, взаимное положение этих трех тел все время меняется.
Существует несколько характерных конфигураций: соединения (нижнее и верхнее), когда все три тела находятся на одной линии, и элонгации (западная и восточная), когда
угол с Земли на Солнце и на Венеру максимален, и достигает 48°. Идентичные конфигурации (например, нижнее соединение), повторяются для Венеры каждые 584 суток.
Модель «Видимое движение планет»
Рис. 11. Гелиоцентрическая модель: период обращения Венеры вокруг Солнца - 225 дней;
Земли вокруг Солнца - 1 год.
Рис. 12 Геоцентрическая система мира Птолемея: период обращения Венеры по деференту - 1
год; по эпициклу - 584 дня; период обращения Солнца вокруг Земли - 1 год
11
ИИСС «Планетарий»
б) Движение Венеры в модели Птолемея (рис. 12) представим как результат движения
по эпициклу, совпадающему с орбитой Венеры вокруг Солнца, и движения по деференту,
совпадающему с орбитой Солнца вокруг Земли. Если оставить без изменения орбиту
Солнца, но пропорционально уменьшить и деферент, и эпицикл Венеры, то тем самым
мы перейдем к Птолемеевой модели. Земной наблюдатель этой подмены не заметит, так
как направление на Венеру и на Солнце будет таким же, как и в гелиоцентрической.
Таким образом, и модель Птолемея и модель Коперника, были полностью взаимозаменяемы в геометрическом отношении, поэтому попытки доказать преимущества одной из
них заведомо обречены на провал. Истину нужно было искать в неувязках моделей с реальной
картиной движения планет, причина которых на самом деле заключалась в том, что
планеты имеют не круговые, а эллиптические орбиты. Это удалось понять Иоганну
Кеплеру.
Первоначально Кеплер сосредоточил почти все свои усилия на изучении движения Марса. Он начинал свои исследования как убежденный коперниканец, но для согласования имевшихся высокоточных астрономических данных с этой моделью, в нее
приходилось вводить все новые и новые эпициклы. Модель Коперника, в конечном счете, стала почти такой же громоздкой, как и модель Птолемея, а расчетное движение Марса по небу все равно не совсем точно соответствовало наблюдаемому.
После долгих лет упорной работы Иоганн Кеплер нашел решение этой проблемы —
он отверг идею о движении небесных тел по окружностям и постулировал, что Марс и другие планеты (в том числе и Земля) обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам.
Это была настоящая научная революция: одним ударом отвергалась не только идея совершенных круговых орбит, но и модель Вселенной с неподвижной Землей в центре! Кеплеру удалось удивительно точно описать движения планет на небе и сформулировать три закона движения небесных тел, снискавших ему спустя десятилетия имя
«законодателя неба». Современную гелиоцентрическую систему обычно называют системой Коперника, хотя правильнее было бы назвать ее системой Кеплера.
Выводы Кеплера столь кардинально расходились с традиционным мировоззрением, что некоторое время просто игнорировались. Но примерно в те же годы происходит
еще одно событие в итальянском городе Пиза известный физик и механик Галилео
Галилей (1564-1642) воспользовался недавно изобретенной «зрительной трубой» для изучения звездного неба. Конечно, не он первый смотрел в телескопическую трубу на звезды, но он был первым, кто сумел увидеть фазы Венеры, характер смены которых никак
нельзя было объяснить в рамках античной геоцентрической модели.
В геоцентрической модели Клавдия Птолемея Венера всегда находится между
Землей и Солнцем, и поэтому обращена к Земле своей затененной стороной. В этой модели с Земли должен был бы наблюдаться только узкий серп Венеры. В модели Птолемея Венера ни в каком из своих положений не могла бы наблюдаться в виде полумесяца и более полных фаз.
12
ИИСС «Планетарий»
Рис. 13 Фазы Венеры.
В гелиоцентрической модели Венера может находиться как перед Солнцем, так
и позади него (Рис 13.), а значит, может наблюдаться с Земли в любой фазе, что и было обнаружено Галилеем.
Модель «Вращение Венеры»
Вопросы учащимся
1. 1Все утверждения за исключением одного характеризуют геоцентрическую систему
мира. Укажите исключение.
Задания 1-6 взяты из книги Г. И. Малахова, Е. К. Страут «Дидактический материал по астрономии». М.,
Просвещение, 1979
1
13
ИИСС «Планетарий»
А) Земля находится в центре мира или около него.
Б) Планеты движутся вокруг Земли.
В) Суточное движение Солнца происходит вокруг Земли.
Г) Луна движется вокруг Солнца.
Е) Суточное движение звезд происходит вокруг Земли.
2. По мнению древних астрономов, планеты отличаются от звезд тем, что
А) движутся по круговым орбитам;
Б) непохожи на Землю по своему составу;
В) движутся иногда в направлении противоположном движению звезд;
Г) движутся вокруг Солнца;
Д) находятся ближе к Земле, чем Солнце.
3. Какие из наблюдаемых явлений могут быть объяснены в рамках геоцентрической теории? 1) Ежедневный восход Солнца на востоке и заход на западе.
2) Вращение звездного неба вокруг полюса мира.
3) Происходящие иногда солнечные затмения.
А) 1 и 2.
Б) 2 и 3.
В) 1 и 3.
Г) все.
Д) ни одно.
4. Гелиоцентрическая система мира объясняет петлеобразное движение планет:
А) различием скоростей движения Земли и планеты по орбитам;
Б) суточным вращением Земли;
В) сочетанием движения Солнца по эклиптике и движения планет вокруг Солнца;
Г) изменением скорости движения планеты по орбите;
Д) взаимным притяжением планет.
5. Без какого из следующих утверждений не мыслима гелиоцентрическая теория?
А) Планеты обращаются вокруг Солнца.
Б) Солнце имеет шарообразную форму.
В) Земля имеет шарообразную форму.
Г) Планеты обращаются вокруг Земли.
Д) Земля вращается вокруг своей оси.
6. Укажите, какой из следующих фактов опровергает гипотезу о неподвижности Земли и
движении Солнца вокруг нее:
А) ежедневная кульминация Солнца.
Б) движение звезд, наблюдаемое в течение ночи.
В) движение Солнца на фоне звезд, происходящее в течение года.
Г) ежедневный восход и заход Солнца.
Д) ни один из этих фактов.
Ответы на вопросы
1
2
Г
В
3
Г
4
А
14
5
А
6
Д