Изучение астрофизических вопросов в школьном курсе физики

Таксонометрия выделяет следующие иерархические категории понятий, которые мы с некоторыми оговорками будем далее использовать для классификации астрономических понятий:

вид => род => семейство => группа => класс => тип.

В качестве основной структурной и классификационной единицы в системах объектов астрономических исследований мы выделяем некоторую совокупность отдельных

объектов, обладающих рядом общих существенных признаков по фундаментальным физическим характеристикам - группы космических тел.

Некоторое число групп космических тел, обладающих помимо единого общего признака (свойства), общностью структуры, строения и происхождения, объединяются в классы космических тел.

На основе единого, общего для ряда классов космических тел признака, определяющего все остальные физические свойства и характеристики, единый план строения, структуру, образование и эволюцию, а также характер космических процессов, лежащих в основе их существования, выделяются типы космических тел.

Некоторое элементарно-эмпирическое "донаучное" разделение космических объектов на отдельные классы по их основным физическим характеристикам происходит при изучении соответствующего астрономического материала еще в начальной школе.

Выбор основания для классификации космических объектов, изучаемых в школьном курсе астрономии (физики и астрономии), затрудняется отсутствием единой четкой классификации в "большой науке", возрастными особенностями мышления учащихся и недостатком у них соответствующих физико-математических знаний.

Пространственные характеристики (линейные размеры, объем и т.д.) космических тел неудобны для основ их классификации, поскольку несколько неопределенны (размыты) даже в пределах отдельных интуитивно выделяемых типов космических тел (так, размеры планет лежат в пределах от 104 до 106 м, а размеры звезд - от 104 до 108 м) и пригодны лишь в качестве второстепенного (дополнительного) признака каждого класса объектов.

Временные характеристики (продолжительность существования и т.д.) также могут быть лишь дополнительными признаками космических тел, и не могут быть основой их классификации, поскольку существенно различны даже внутри отдельных групп и классов объектов (так, время жизни звезд-сверхгигантов - 106 - 107 лет, а нормальных звезд и белых карликов до 109 - 1011 лет); в системах космических тел время существования отдельных объектов зависит от характера их взаимодействия (судьбы планетных систем неразрывно связаны с их центральными светилами-звездами; в тесных двойных звездных системах зависят от масс компонент и расстояния между ними и т.д.).

Классификация космических тел по одной из их главных физических характеристик - типам и мерам фундаментальных взаимодействий - представляется нам наиболее удобной.

В курсе физики современной российской школы изучаются все 4 вида фундаментальных физических взаимодействий, однако сильное (ядерное) рассматривается в самых общих чертах лишь в XI классе, где о слабом взаимодействии по сути только упоминается; электромагнитное и гравитационное изучаются на протяжении ряда лет, причем не только в средней, но и в основной 9-летней школе.

Наиболее подробно и традиционно глубоко рассматривается гравитационное взаимодействие - единственное понятие, которое формируется в сознании учащихся в VП - IX классах в относительно полном и обобщенном виде, и связанный с ним комплекс физических процессов и явлений, описываемых в рамках исторически первой физической теории Всемирного тяготения.

В качестве основания для единой классификации космических тел по общему существенному признаку мы выделяем массу - фундаментальную физическую величину, меру гравитационных, инертных свойств и энергии материальных объектов, определяющую практически все физические свойства и характеристики космических тел, их структуру, строение, образование и развитие, "время жизни", характер космических процессов, лежащих в основе их существования и природу значительной части порождаемых ими космических явлений.

На границе значений масс разных классов космических тел происходит значительное изменение физических свойств объектов; на границе значений масс разных типов космических тел изменения приобретают характер качественного скачка.

Рис. 1. Основные группы астрономических понятий

Последовательность классификации несколько нарушается включением в нее отдельных "короткоживущих переходных звеньев" - классов и групп космических тел, являющихся продуктами, начальными или конечными этапами развития основных типов космических тел (протозвезды, планетезимали, волокнистые и планетарные туманности и т.д.). Возможно, в особые классы космических тел следовало бы выделить нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры, но подробное рассмотрение физики этих объектов лежит за пределами возможностей школьного физико-математического образования, позволяющего осуществить лишь беглое знакомство с их природой.

Выделение отдельных групп космических тел внутри каждого класса может осуществляться на основе второстепенных, дополнительных к основному признаков - физических характеристик объектов:

- для туманностей - на основе понятий плотности и условий образования объекта;

- для планетных тел - по их размерам, форме, степени дифференцирования внутреннего строения и химическому составу;

- для звезд - по их светимости, температуре, спектру, плотности, размерам .

Понятия об энергетических характеристиках объектов, мерами которых выступают их светимость и температура (кинетическая и эффективная), могут, наравне с понятием массы, стать основанием для классификации космических тел в старшем звене средней общеобразовательной школы, особенно в физико-математических классах.

В качестве основания для единой классификации космических объектов - систем космических тел - мы предлагаем уровень сложности их организации, определяемый богатством видового состава, численностью и характером взаимодействия космических тел, формирующих структуру данного объекта; в числе второстепенных признаков выступают масса и размеры объектов.

Мы выделяем следующие классы и группы космических объектов - систем космических тел: звездные системы (планетные системы; двойные звезды; кратные звезды); звездные скопления (звездные ассоциации; рассеянные скопления; шаровые скопления); галактики (эллиптические, неправильные, линзовидные, спиральные и т.д.) и их скопления; Метагалактика; Мини-Вселенная; Вселенная.

Системы космических тел с низким уровнем организации выступают в качестве отдельных составных элементов систем космических тел с более высоким уровнем организации (так, планетные системы и двойные звезды входят в состав звездных скоплений, которые в свою очередь входят в состав галактик и т.д.). Предельной по степени общности и объему, обладающей структурностью на всех своих уровнях системой космических объектов выступает Метагалактика - доступная нашим наблюдениям часть Мини-Вселенной (Вселенной) - системы космических объектов (метагалактик) наивысшей масштабности и степени сложности организации материи.