МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП подготовки

магистров

д.т.н., проф. Каплунов И.А.

_ Учебно-методический комплекс по дисциплине

СОВРЕМЕННЫЕ ВОПРОСЫ КОСМОЛОГИИ

для студентов 2 курса магистратуры направления 011800.68 «Радиофизика», Специализированная программа подготовки магистров Магнетизм в радиофизике и радиоэлектронике, Физика и технология радиоэлектронных приборов и устройств, Нелинейные материалы в радиофизике и радиоэлектронике, Физика современных радиоэлектронных технологий Обсуждено на заседании Составитель:

кафедры общей физики к.ф.-м.н., доцент «» 2012 г., А.Д. Шуклов протокол № _ Зав. кафедрой д.х.н., профессор _Ю.Д. Орлов Тверь

2. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

2.2 Предмет Космология изучает свойства всей доступной для наблюдения вселенной как целого. Она изучает закономерности развития Вселенной путем построения различных космологических моделей, основанных на общей тории относительности Эйнштейна.

2.3. Цели и задачи курса Общий курс "Современные вопросы космологии" ставит своей целью познакомить студентов с основами теоретической и практической космологии с тем, чтобы выпускник физико-технического факультета имел достаточно полное представление о результатах и современных тенденциях развития этой науки и ее связи с другими физическими теориями и прежде всего с ядерной физикой, физикой элементарных частиц, спектроскопией, физикой плазмы. Это касается в первую очередь: эволюции звезд и галактик, теории происхождения солнечной системы, теории Большого взрыва и Эволюции Вселенной.

Исходя из поставленной цели вытекает следующая задача курса "Современные вопросы космологии": Ознакомиться с современными теориями эволюции вселенной.

2.4. Место дисциплины в структуре подготовки специалиста В учебном плане: направление 011800.68 - «Радиофизика» (2 курс, 3-ий семестр,14 уч. недель, 2 часа лекций).

2.5. Знания, умения, и навыки, приобретаемые в результате изучения дисциплины Успешной реализацией поставленной цели и вытекающих из нее задач способствует развитие у студентов целого комплекса общеучебных и специальных знаний, умений и навыков. А именно, студенты должны:

1. Приводить примеры опытов, обосновывающих научные представления и законы, или примеры опытов, позволяющих проверить законы и их следствия.

2. Объяснять физические явления.

3. Применять законы физики для анализа процессов на качественном уровне.

4. Применять законы физики для анализа процессов на количественном уровне.

5. Указывать границы (область, условий) применимости научных моделей, законов и теорий.

6. решать количественные и качественные задачи, используя сведения, полученные из графиков, таблиц, схем.

2.6. Цель дисциплины – формирование и развитие у обучающихся компетенций:

способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности знания и умения, в том числе в новых областях, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение (ОК-3);

способность выстраивать и реализовывать перспективные линии интеллектуального, культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования (ОК-5);

способностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности (ОК-6);

способностью адаптироваться к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-7);

способностью к свободному владению профессиональнопрофилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);

способностью описывать новые методики инженерно-технологической деятельности (ПК-7).

2.7. Формы контроля Контрольные работы.

Контрольные тестовые задания.

Итоговый контроль – зачет.

3. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА КУРСА

1. Основные понятия общей теории относительности (ОТО). Метрический тензор.

2. Космологические модели и общие закономерности эволюции Вселенной.

3. Масштабный фактор. Уравнения, описывающие его изменение.

4. Критическая плотность. Её оценка на основании классических представлений. Параметр ускорения.

5. Типы космологических моделей. Космологическая постоянная. Пульсирующая модель. Модель Леметра. Модель Эйнштейна – де Ситтера. Модель Эддингтона – Леметра. Модель де Ситтера.

6. Проблемы выбора адекватной модели из данных наблюдений. Проблемы расстояния в космологии. Космический радиоинтерферометр. Возможность триангуляции Вселенной.

7. Проблемы критической плотности и космологической постоянной. Скрытая масса.

8. Модель горячей Вселенной. Реликтовое излучение. Расширение от сингулярности. Синтез химических элементов на ранних стадиях эволюции Вселенной.

9. Фрагментация вещества во Вселенной. Критерий гравитационной неустойчивости. Проблема протогалактик. Спиральная структура галактик.

4. РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

1. Основные понятия общей теории относительности (ОТО). Метрический тензор.

2. Космологические модели и общие закономерности эволюции Вселенной.

сывающие его изменение.

4. Критическая плотность. Её оценка на основании классических представлений. Параметр ускорения.

мологическая постоянная. Пульсирующая модель. Модель Леметра. Модель Эйнштейна – де Ситтера. Модель Эддингтона – Леметра. Модель де Ситтера.

6. Проблемы выбора адекватной модели из данных наблюдений. Проблемы расстояния в космологии. Космический радиоинтерферометр. Возможность триангуляции Вселенной.

7. Проблемы критической плотности и космологической постоянной. Скрытая масса.

сти. Синтез химических элементов на ранних стадиях эволюции Вселенной.

9. Фрагментация вещества во Вселенной.

Критерий гравитационной неустойчивости.

Проблема протогалактик. Спиральная структура галактик.

Всего:

5. Планы и методические указания по подготовке к практическим (семинарским) занятиям, выполнению лабораторных работ.

Практические и лабораторные занятия учебным планом не предусмотрены.

6. Список литературы 6.1. Основные источники 1. Общая астрофизика : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальностям: 010701 - Физика, 010702 - Астрономия / Засов, Анатолий Владимирович ; А. В. Засов, К. А. Постнов ; МГУ, Физ. фак., Гос. астрон. ин-т им. П. К. Штернберга. - Фрязино (Моск. обл.) : Век2, 6.2. Дополнительные источники 1. Дагаев М.М. Задачник практикум по курсу общей астрономии. М., 2. Бялко А.В. Наша планета Земля. М., Наука, 3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., Наука, 4. Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М., Просвещение, 5. Засов А.В., Кононович Э.В. Астрономия. М., Просвещение, 6. Воронцов-Вельяминов Б.А. Сб.задач и упражнений по курсу общей астрономии. М., Наука,

7.МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Виды предлагаемой самостоятельной работы 1. Решение задач.

2. Подготовка рефератов.

3. Самостоятельное изучение отдельных тем по курсу.

Рекомендации по работе с учебной и научной литературой.

1. Базовый учебник и базовое учебное пособие целесообразно предоставлять студентам в двух формах:

2. а) в обычном (печатном) виде в библиотеке университета, 3. б) в электронном виде в электронной библиотеке университета.

4. В отношении остальной обязательной и дополнительной рекомендованной учебной и научной литературы силами библиотеки университета целесообразно выполнить следующую работу:

5. а) внести данную литературу в электронный каталог литературы, необходимой для организации учебного процесса;

6. б) в учетной карточке каждого источника указать, в какой форме он доступен студенту (а при необходимости – и преподавателю):

7. - в печатном виде на абонементе библиотеки университета;

8. - в печатном виде в читальном зале библиотеки университета;

9. - источник можно заказать по системе МБА (из какой библиотеки, в какие сроки, на каких условиях);

10. - в электронном виде в электронной библиотеке университета;

11. - в виде электронного ресурса на сайте Интернет (адрес сайта, условия доступа к его ресурсам).

. Практические рекомендации для подготовки :

рефератов 1. Изучить основную рекомендованную литературу по данной проблеме.

2. Выделить основные моменты, ключевые положения, рассматриваемые в рамках данной проблемы.

3. Изучить дополнительную рекомендуемую литературу по данной проблеме.

4. Дополнить знания по основным моментам, ключевым положениям, рассматриваемым в рамках данной проблемы.

к зачету.

Для подготовки к зачету, который проводится в конце семестра, целесообразно использовать список контрольных вопросов для подготовки к зачету, представленный разделе «Вопросы для подготовки к зачету по дисциплине»

настоящего УМК. Для изучения данных вопросов целесообразно использовать материалы лекций, семинаров, практических занятий, а также рекомендованную учебную и научную литературу, представленную в соответствующих пунктах раздела 5 «Список литературы (обязательной и дополнительной)» настоящего УМК:

Базовый учебник и базовое учебное пособие.

Обязательная литература.

Дополнительная литература.

Глоссарий:

Астрофизика - (от др.-греч. — «звезда, светило» и — «природа») - наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких, например, как звёзды.

Звезда — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов.

Двойная звезда, или двойная система — две гравитационно-связанные звезды, обращающиеся по замкнутым орбитам вокруг общего центра масс. C помощью двойных звёзд существует возможность узнать массы звёзд и построить различные зависимости.

Звёздное скопление — группа звёзд, имеющих общее происхождение, положение в пространстве и направление движения. Члены таких групп связаны между собой взаимным тяготением. Большинство из известных скоплений находится в нашей Галактике.

Звездная эволюция - звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газовой глобулы возрастает. Когда температура в ядре достигает нескольких миллионов Кельвинов, начинаются реакции нуклеосинтеза, и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а внутренние, наоборот, сжимаются. И до поры до времени яркость звезды тоже понижается. Температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса её изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; возрастающая при этом температура стимулирует термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы.

Большой взрыв (англ. Big Bang) — космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва.

Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения.

Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение от англ. cosmic microwave background radiation)[1] — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать температуру реликтового излучения, остались неизменны.

Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Банк контрольных вопросов и заданий по учебной дисциплине 1. Определить светосилу, разрешающую силу, проницающую силу, наибольшее и разрешающее увеличение рефрактора, имеющего диаметр объектива 66,2 см и фокусное расстояние 10,3 м. (D=66,2 см = 662 мм; F=10,3).

2. Определить оптическую длину, увеличение и поле зрения телескопа с фокусным расстоянием в 10,3 м при использовании окуляра с фокусным расстоянием 2 см.

3. Угловой диаметр Венеры вблизи ее наибольшей элонгации равен 25''.

Какое нужно применить увеличение, чтобы при наблюдении в телескоп планета Венера была видна размером с Луну, угловой диаметр которой равен 32'?

4. Чему равен линейный диаметр фотографического изображения Венеры, полученного в фокусе телескопа с фокусным расстоянием 10,8 м, если угловой диаметр планеты равен 25''?

5. Звезда Денеб ( Лебедя) имеет склонение +4455'. Сколько времени она может быть видна в поле зрения неподвижного телескопа при увеличении в 200 раз?

6. Параболическое зеркало диаметра 1 м используется как антенна для волн с =3 см. Оценить наименьшее расстояние, на котором следует поместить приемник для снятия диаграммы направленности.

7. Ядерные реакции, происходящие на Солнце, можно изучать, измеряя поток нейтрино от Солнца с помощью хлор-аргоновой реакции Среднее (по спектру солнечных нейтрино) сечение реакции =1,4·10-42 см2.

Считая, что Солнце испускает N=3·1033 нейтрино в секунду, определить сколько должно быть четыреххлористого углерода CCl4 (естественной смеси изотопов), чтобы в нем за год образовалось n=100 атомов 18 Ar 37. В естественной смеси изотопов хлора содержится =25% (по массе) ядер 17 Cl 37. Радиус земной орбиты R=1,5·108 км.

8. Определить гелиоцентрическую долготу Земли и планет 21 марта, если в этот день Меркурий находился в верхнем соединении, Венера в наибольшей западной элонгации (=47) и Марс – в противостоянии.

9. По синодическому периоду обращения планеты Нептун, равному суткам, определить большую полуось орбиты этой планеты.

10. Определить день наступления очередного противостояния Цереры, если предыдущее ее противостояние произошло 8 марта 1963г. Большая полуось орбиты Цереры равна 2,77 а.е.

11. 16 мая 1962 г. Гелиоцентрическая долгота Земли была равна 234, а Юпитера 328. Определить гелиоцентрическую долготу обеих планет 12 ноября того же года. Период обращения Земли равен 365,2 суток, а Юпитера – 11,88 года.

12. 16 мая 1962г. Гелиоцентрическая долгота Земли была равна 234, а Юпитера 328. Определить день наступления противостояния Юпитера, если среднее суточное движение Земли по орбите n0=0,99, а Юпитера – n=0,08.

13. Верхнее соединение Меркурия произошло 30 марта 1963г. Найти день наступления ближайшей наибольшей западной элонгации планеты (=23), если среднее суточное движение Меркурия n=4,09, а Земли n=0,99.

14. Вычислить круговую и параболическую скорость на среднем расстоянии малой планеты Гесперии от Солнца, равном 2,98 а.е.

15. Определить круговую и параболическую скорость на расстояниях 450·106км и 900·106 км от Солнца.

16. Комета Галлея прошла в 1910г. Свой перигелий на гелиоцентрическом расстоянии 0,59 а.е. со скоростью 54,1 км/сек, а комета 1930 V11 прошла свой перигелий на расстоянии 0,41 а.е. от Солнца, со скоростью 71, км/сек. По каким орбитам двигались эти кометы?

17. Для двух малых планет, Фотографики и Икара, найти среднюю скорость, скорость в перигелии и в афелии, а также круговую и параболическую скорость на тех же расстояниях от Солнца. Сравнить полученные результаты между собой и сделать вывод о связи скорости обеих планет с эксцентриситетом их орбит. Большая полуось и эксцентриситет орбиты Фотографики равны 2,22 а.е. и 0,040, а те же величины для Икара – 1,08 а.е. и 0,827.

18. С какой скоростью и на какой высоте должен быть запущен искусственный спутник Марса, чтобы он обращался вокруг планеты по круговой орбите с периодом в двое земных средних суток? Масса Марса равна 0, массы Земли, а радиус – в 1,89 раза меньше земного.

19. Определить большую полуось и эксцентриситет орбиты, высоту апогея, скорость в перигее и скорость в апогее советского корабля-спутника «Восток», пилотировавшегося Ю.А. Гагариным (12 апреля 1961 г.), если высота перигея корабля равнялся 181 км, а период его обращения вокруг Земли составил 1ч29м,1. Расчетный радиус Земли R0=6370 км.

20. Согласно одной из моделей, центральная часть Земли (так называемое ядро) состоит из железа. Внешняя часть ядра расплавлена, а внутренняя часть радиуса R1200 км твердая. Ядро остывает со скоростью U=10-7К/год;

различием температуры в пределах ядра можно пренебречь. Несколько изменится радиус твердой части ядра за время t=109 лет? Считать, что удельная теплота плавления железа при условиях, соответствующих поверхности ядра, q125 Дж/г, температура на ней T3700 К, а изменение плотности железа