I

II

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

SKUPNO DIPLOMSKO DELO

na oddelku za fiziko in oddelku za tehniko

VARNO OPAZOVANJE SONCA S HELIOSKOPOM

Mentor: red. prof. dr. Boris ABERŠEK Avtor: Roman OCVIRK

Mentor: doc. dr. Robert REPNIK

Maribor, 2015

III

ZAHVALA

Mentorjema, doc. dr. Robertu Repniku in red. prof. dr. Borisu Aberšku, se iskreno

zahvaljujem za vso pomoč in strokovne napotke pri nastanku tega skupnega diplomskega

dela.

IV

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

IZJAVA

Podpisani Roman Ocvirk, roj. 19. 4. 1965, študent Fakultete za naravoslovje in

matematiko Univerze v Mariboru, študijskega programa fizika in proizvodno – tehnična

vzgoja, izjavljam, da je skupno diplomsko delo z naslovom

VARNO OPAZOVANJE SONCA S HELIOSKOPOM

pri mentorju na oddelku za tehniko, red. prof. dr. Borisu Aberšku, in mentorju na oddelku

za fiziko, doc. dr. Robertu Repniku, avtorsko delo. V skupnem diplomskem delu so

uporabljeni viri in literatura korektno navedeni; teksti in druge oblike zapisov niso

uporabljeni brez navedbe avtorjev.

Roman OCVIRK

Maribor, 23. 4. 2015

V

Povzetek

Opazovanje Sonca je v zgodovini omogočilo revolucionarna odkritja o poznavanju

zgradbe našega Osončja ter privedlo do pomembnih spoznanj o celotnem vesolju.

Opazovanje Sonca predstavlja nadvse aktualno dejavnost v poučevanju astronomskih

vsebin pri fiziki in izbirnih astronomskih predmetih. Navedeno dejanje je eno redkih, ki

jih izvajamo podnevi - v času običajnega pouka. Pri opazovanju Sonca moramo biti

izredno previdni, da ne pride do poškodb vida. Temo, predstavljeno v diplomskem delu,

so sicer obravnavali že številni avtorji. Dejstvu navkljub smo se sami odločili sestaviti

lastno opazovalno napravo (helioskop), s katero smo opazovanje Sonca postavili na

popolnoma varno raven.

V prvem segmentu diplomskega dela smo osvetlili zgodovino opazovanja Sonca in

pojave na le-tem. V osrednjem razdelku pričujočega diplomskega dela smo opisali

zgradbo helioskopa, kot tudi postopek izdelave in didaktični vidik vključevanja

helioskopa pri pouku astronomije. Na samem koncu smo predstavili praktično uporabo

helioskopa v Osnovni šoli Blaža Kocena Ponikva in rezultate spremljanja aktivnosti

Sonca v mesecu maju ter juniju 2014. Nad rezultati smo bili prijetno presenečeni, saj niso

pretirano odstopali od rezultatov uradnih ustanov in rezultatov, dobljenih s satelita

SOHO.

V skupnem diplomskem delu smo želeli širše predstaviti zastavljeno idejo o izdelavi

helioskopa, kot tudi predstaviti izdelan helioskop, prav tako smo izpostavili izkušnje,

pridobljene z njegovo uporabo. Vse z namenom spodbuditve k varnemu opazovanju

Sonca.

1

Kazalo

Povzetek ........................................................................................................................... V

Kazalo ............................................................................................................................... 1

Kazalo slik ........................................................................................................................ 3

Kazalo tabel ...................................................................................................................... 4

1 Uvod .............................................................................................................................. 5

2 Teoretični del ................................................................................................................ 7

2.1 Sonce ....................................................................................................................... 7

2.1.1 Zgradba sonca ................................................................................................... 7

2.1.2 Lastnosti sonca ................................................................................................. 9

2.2 Opazovanje pojavov na soncu ............................................................................... 12

2.2.1 Aktivnost sonca .............................................................................................. 13

2.2.2 Fotosfera ......................................................................................................... 14

2.2.2.1 Granule ..................................................................................................... 14

2.2.2.2 Sončeve pege ........................................................................................... 15

2.2.2.3 Bakle ........................................................................................................ 18

2.2.2.4 Robna zatemnitev .................................................................................... 18

2.2.3. Wolfovo število ............................................................................................. 22

2.2.4 Rotacija sonca ................................................................................................ 25

2.3 Helioskop .............................................................................................................. 27

2.3.1 Optika helioskopa ........................................................................................... 28

2.3.1.1 Objektiv helioskopa ................................................................................. 28

2.3.1.2 Razpršilno ogledalo ................................................................................. 29

2.3.1.3 Velikost slike na zaslonu ......................................................................... 31

3 Didaktični vidiki vključevanja helioskopa pri pouku astronomije .............................. 32

3.1 Astronomija v osnovni in srednji šoli ................................................................... 32

3.2 Izbirni predmeti v osnovnih šolah ......................................................................... 32

3.3 Varnost pri opazovanju sonca ............................................................................... 33

3.3.1 Načini opazovanja sonca ................................................................................ 33

3.3.1.1 Zaščitni filtri ............................................................................................ 33

3.3.1.2 Solarni teleskop ........................................................................................ 35

3.3.1.3 Projekcija s pomočjo teleskopa ali binokularja ...................................... 36

3.3.1.4 Helioskop ................................................................................................. 37

3.3.2 Navodila za varno opazovanje sonca ............................................................. 37

3.3.3 Cilji in kompetence pri pouku astronomije .................................................... 37

3.3.3.1 Splošni cilji .............................................................................................. 38

3.3.3.1 Kompetence (kombinacija znanja, spretnosti in odnosov) ...................... 38

4 Praktični del ................................................................................................................. 40

4.1 Načrtovanje in razvoj izdelka ................................................................................ 40

4.2 Izdelava prototipa .................................................................................................. 49

4.3 Konstruiranje ......................................................................................................... 53

4.4 Analiza praktičnega dela ....................................................................................... 64

5 Opazovanje sonca na OŠ Blaža Kocena Ponikva ....................................................... 65

2

5.1 Naravoslovni dan: Sonce....................................................................................... 65

5.1.1 Učna priprava 1: SONČEV CIKEL ............................................................... 65

5.1.2 Učna priprava 2: WOLFOVO ŠTEVILO ....................................................... 75

5.2 Določevanje vrtilnega časa sonca ......................................................................... 84

5.2.1 Satelit SOHO .................................................................................................. 84

5.2.2 Za učence osnovne šole .................................................................................. 94

5.3 Analize, rezultati ................................................................................................... 94

5.3.1 Analiza naravoslovnega dneva ....................................................................... 94

5.3.2 Delo pri izbirnem predmetu astronomija ........................................................ 95

5.3.2.1 Rezultati: Wolfovo število ....................................................................... 97

5.3.2.2 Rezultati: Rotacija Sonca ....................................................................... 100

6 Zaključek .................................................................................................................. 104

7 Viri ............................................................................................................................ 106

7.2 Tabele, slike ........................................................................................................ 108

Priloge ........................................................................................................................... 112

3

Kazalo slik

Slika 1: Sonce v sorazmerni primerjavi z velikostjo planetov, ki krožijo okoli njega. .... 7

Slika 2: Zgradba Sonca. .................................................................................................... 8

Slika 3: Potek fuzije v jedru Sonca (cikel proton – proton). ............................................. 9

Slika 4: Galileo Galilei in njegove prve skice sončevih peg iz leta 1612. ...................... 12

Slika 5: Christoph Scheiner in njegov helioskop. ........................................................... 13

Slika 6: Sončev cikel traja približno 11 let. .................................................................... 13

Slika 7: Sončeve pege, granule, bakle, robna zatemnitev. .............................................. 14

Slika 8: Granule. ............................................................................................................. 15

Slika 9: Primerjava velikosti povprečne Sončeve pege z velikostjo Zemlje. ................. 15

Slika 10: Alfa efekt – zaradi vzgona se magnetna cev dvigne nad fotosfero. ................ 16

Slika 11: Omega efekt – magnetne silnice se navijajo. .................................................. 16

Slika 12: Magnetne silnice povzročijo nastanek peg. ..................................................... 16

Slika 13: Polariteta Sonca se menja vsakih 11 let. ......................................................... 17

Slika 14: Metuljasti diagram. .......................................................................................... 17

Slika 15: Kontinuirano opazovanje Sončeve površine. .................................................. 17

Slika 16: Bakle okoli Sončeve pege. .............................................................................. 18

Slika 17: Robna zatemnitev. ........................................................................................... 18

Slika 18: Vpliv temperature na svetlobno jakost. ........................................................... 19

Slika 19: Pot fotonov skozi fotosfero. ............................................................................ 19

Slika 20: Prehod na sferne koordinate. ........................................................................... 20

Slika 21: Grafični prikaz robne zatemnitve. ................................................................... 21

Slika 22: S povečevanjem kota pada svetlobna jakost. .................................................. 21

Slika 23: Empirične vrednosti koeficienta k1 za različne premere refraktorjev. ............ 22

Slika 24: Oblika peg po züriški klasifikaciji. .................................................................. 24

Slika 25: Siderski obhodni časi Sonca. ........................................................................... 25

Slika 26: Določevanje koordinat sončevih peg. .............................................................. 26

Slika 27: Koordinatna mreža. ......................................................................................... 27

Slika 28: Camera obscura. .............................................................................................. 27

Slika 29: Za objektiv helioskopa uporabimo zbiralno lečo. ........................................... 28

Slika 30: Skica optike helioskopa. .................................................................................. 29

Slika 31: Geometrija odboja žarka na ogledalu. ............................................................. 29

Slika 32: Orientacija slike na zaslonu helioskopa. ......................................................... 30

Slika 33: Eliptična in centrična slika Sonca. ................................................................... 30

Slika 34: Predloga delovnih listov. ................................................................................. 31

Slika 35: Zaščitna očala. ................................................................................................. 34

Slika 36: Opazovanje Sončeve fotosfere s teleskopom. ................................................. 34

Slika 37: Uporaba steklenega filtra. ................................................................................ 34

Slika 38: Herschelova prizma. ........................................................................................ 35

Slika 39: Opazovanje kromosfere s solarnim teleskopom. ............................................. 35

Slika 40: Ožji filter pokaže več podrobnosti (0,07 nm; 0,06 nm; 0,05 nm; 0,03 nm). ... 35

Slika 41:Opazovanje delnega Sončevega mrka. ............................................................. 36

Slika 42: Opazovanje prehoda Venere čez Sončevo ploskev. ........................................ 37

file:///C:/Users/Pouk-x/Downloads/SKUPNO%20DIPLOMSKO%20DELO%20OCVIRK%20%201%20februar%20%202015_lekt.docx%23_Toc411508421

4

Slika 43: Določevanje goriščne razdalje leče. ................................................................ 47

Slika 44: Končni videz Helioskopa. ............................................................................... 64

Slika 45: Sončev sistem. ................................................................................................. 68

Slika 46: Satelit Soho kroži okoli Lagrangeove točke L1. .............................................. 84

Slika 47: Koordinatna mreža – prosojnica. ..................................................................... 94

Slika 48: Učenci pri izbirnem predmetu astronomije na OŠ Blaža Kocena Ponikva. .... 96

Slika 49: Risanje Sončevih peg. ..................................................................................... 96

Slika 50: Fotosfera - maj 2014. ....................................................................................... 97

Slika 51: Fotosfera - junij 2014. ..................................................................................... 98

Slika 52: Wolfovo število za mesec maj 2014. ............................................................... 99

Slika 53: Wolfovo število za mesec junij 2014. ............................................................. 99

Slika 54: Slika Sonca v Helioskopu. ............................................................................. 100

Slika 55: Določevanje koordinat Sončevim pegam. ..................................................... 100

Slika 56: Pomanjkljivosti postopka ESA. ..................................................................... 101

Slika 57: Potovanje peg preko Sončeve ploskve v mesecu maju 2014. ....................... 101

Slika 58: Rotacija Sonca – odčitavanje koordinat (maj 2014). ..................................... 102

Slika 59: Učenci prve triade samostojno opazujejo Sonce. .......................................... 104

Slika 60: Aktivnost Sonca v zadnjih stoletjih. .............................................................. 114

Slika 61: Navodila za varno opazovanje Sonca. ........................................................... 115

Kazalo tabel

Tabela 1: Podatki o Soncu .............................................................................................. 12

Tabela 2: Vrednosti korekcijskega faktorja k2 in k3. ..................................................... 23

Tabela 3: Opis skupin peg. ............................................................................................. 24

Tabela 4: Wolfovo število za mesec maj 2014. .............................................................. 98

Tabela 5: Wolfovo število za mesec junij 2014. ............................................................. 99

Tabela 6: Izračuni obhodnih časov peg v določenih časovnih intervalih. .................... 103

Tabela 7: Končni rezultati. ............................................................................................ 103

file:///C:/Users/Pouk-x/Downloads/SKUPNO%20DIPLOMSKO%20DELO%20OCVIRK%20%201%20februar%20%202015_lekt.docx%23_Toc411508457file:///C:/Users/Pouk-x/Downloads/SKUPNO%20DIPLOMSKO%20DELO%20OCVIRK%20%201%20februar%20%202015_lekt.docx%23_Toc411508458file:///C:/Users/Pouk-x/Downloads/SKUPNO%20DIPLOMSKO%20DELO%20OCVIRK%20%201%20februar%20%202015_lekt.docx%23_Toc411508459file:///C:/Users/Pouk-x/Downloads/SKUPNO%20DIPLOMSKO%20DELO%20OCVIRK%20%201%20februar%20%202015_lekt.docx%23_Toc411508461

5

1 Uvod

Opazovanje Sonca je v zgodovini prineslo revolucionarna odkritja o poznavanju in

zakonitostih našega osončja ter celotnega vesolja. Mnogo avtorjev je omenjeno vsebino

že podrobno obravnavalo, v strokovni literaturi pa ni mogoče zaslediti velikega števila

navodil za izdelavo opazovalne priprave [1]. S skupnim diplomskim delom želimo

predstaviti, kako lahko učenci brezskrbno in brez nevarnosti, ki pretijo poškodbam oči,

spoznavajo Sonce in pojave na njem. V diplomskem delu prav tako predstavimo potek,

po katerem si lahko posamezniki opazovalno napravo tudi sami izdelajo.

Otroci se že v vrtcu srečujejo z začetki astronomije, svoje znanje pa poglabljajo na

razredni in predmetni stopnji osnovne šole. Vsakodnevno se srečujejo z naravoslovnimi

pojavi, naša naloga pa je zadovoljiti, negovati in poglabljati njihovo potrebo po

raziskovanju. Že na osnovnošolski ravni mora biti posredovanje naravoslovnih vsebin

zasnovano problemsko. Temeljiti mora na eksperimentalni osnovi, tj. na samostojnem

eksperimentalnem delu učencev [2]. Učenci morajo začutiti, da lahko koristno, ob naši

pomoči, sami proučujejo naše okolje. Kako sploh definiramo okolje? V najširšem smislu

ga zajamemo z besedo vesolje. Za mogočno vesolje naše Sonce nima večjega pomena,

odločilno pa vpliva na življenje na Zemlji, kot ga poznamo.

V skupnem diplomskem delu smo se osredotočili na Sonce kot vir svetlobe. Že od rojstva

svetlobo sprejemamo kot ugodje. V predšolski dobi se otroci sprašujejo, zakaj svetloba

izginja, se spreminja. Kmalu že vedo, od kod prihaja dnevna svetloba in pojasnijo, da noč

nastane zato, ker smo se zavrteli vstran od Sonca. V zadnjem času se zavedamo, da Sonce

odločilno vpliva na življenje na Zemlji. Prav zaradi navedenega dejstva je večina učencev

primerno motivirana za raziskovanje pojavov na Soncu, saj želijo o njem usvojiti nova

znanja.

Leta 2009 je minilo 400 let od dogodka, ko je Galileo Galilei, kot prvi človek, v Padovi

v vesolje usmeril svoj teleskop. Obletnica je obeležila leto astronomije, v katerem so šole

dobile sredstva za nakup astronomske opreme [3]. Šole so z omenjeno državno potezo

pridobile nekaj nujne osnovne opazovalne opreme, učenci pa pogoje za praktično

raziskovanje vesolja. Z vsako opazovalno napravo je mogoče opazovati tudi Sonce. Skozi

potek diplomskega dela bomo natančno opisali, kako lahko z različno opremo opazujemo

Sonce in na kaj moramo biti pri tem pozorni. Predvsem iz razloga, da pri opazovanju ne

bo prišlo do poškodb.

Cilj diplomskega dela stremi k povezavi teorije s prakse in s tem povečati interes tudi za

ostala naravoslovna področja, predvsem za šolska predmeta fizika ter tehnika in

tehnologija v višjih razredih osnovne šole. Predpostavili smo, da je pri učencih v ospredju

vedno ustvarjalni interes, zato v šoli motivacijsko poglobljene odnose zajemamo

predvsem z interesnimi dejavnostmi. V okviru tehničnih interesnih dejavnosti opišemo,

kako učence spodbuditi za izdelavo lastne, varne opazovalne priprave – helioskopa. Pri

omenjenem dejstvu smo poudarili idejo, inovativnost in praktičnost izdelka. Glavno

vodilo pri izdelavi izdelka je predstavljala varnost pri opazovanju, saj lahko že manjša

6

nepazljivost pri opazovanju trajno poškoduje vid. V praktični del smo vključili vso

dokumentacijo, kot tudi priprave in potek dela na OŠ Blaža Kocena Ponikva. Prav tako

smo med besedilo vključili fotografije, ki so nastale med samim delom.

Z namenom, da bi ohranili začetno navdušenje in učence dodatno animirali, smo zanje

pripravili učno uro opazovanja Sonca. Pri uri učenci sami, s pomočjo helioskopa in drugih

opazovalnih pripomočkov, opazujejo Sonce, rezultate opazovanja pa vpisujejo v naprej

pripravljene delovne liste. Kot možen primer izvedbe učne ure smo zanjo izdelali tudi

učno pripravo.

7

2 Teoretični del

2.1 Sonce

Našo najbližjo zvezdo smo poimenovali Sonce. Gre za eno izmed več 100 milijard zvezd

v naši galaksiji, imenovani Rimska cesta. Sonce predstavlja središčno telo našega

sončevega sistema. Okoli njega kroži skupaj z Zemljo osem planetov s svojimi sateliti

(slika 1), veliko planetoidov in drugih manjših vesoljskih teles. Sonce se vrti okoli svoje

osi, vendar se, ker je plinska krogla, in ni togo telo, vsi deli Sonca ne vrtijo enako hitro.

Točka na ekvatorju Sonca potrebuje za en obrat 25,4 zemeljskih dni, točke bolj južno ali

severno pa precej več. O starosti Sonca lahko sklepamo po starosti Zemlje. Le-to je

mogoče oceniti na osnovi radioaktivnih izotopov nekaterih kamnin. Če ugotovimo, da je

izotop le razpadni produkt drugega izotopa, lahko iz razmerja koncentracij obeh določimo

čas nastanka drugega. Najstarejše kamnine na Zemlji so tako stare okrog 4,6 milijarde let.

Ker Sonce ni mlajše od Zemlje, je staro vsaj toliko kot Zemlja. Ta podatek potrdimo z

analizo meteoritov ter kamnov z Lune. Številka 4,6 milijarde let danes predstavlja

privzeto starost Zemlje, Sonca in vsega Osončja. Znanstveniki so našli celo milijardo let

stare fosilne alge, za katere vemo, da ne bi mogle obstajati, če bi bila temperatura Sonca

bistveno drugačna od današnje. Sonce torej sveti z enako močjo vsaj že milijardo let [3].

Slika 1: Sonce v sorazmerni primerjavi z velikostjo planetov, ki

krožijo okoli njega.

2.1.1 Zgradba sonca

Sonce je v glavnem sestavljeno iz vodika. V središču Sonca nastaja v jedrskih reakcijah

iz vodika helij, pri čemer se sprošča energija, ki potuje skozi sevalno in konveksno plast

v fotosfero (vidno površje), kjer zapušča Sonce v obliki toplote in svetlobe. Nad fotosfero

je notranja atmosfera, ki jo imenujemo kromosfera (barvna sfera) in razredčena zunanja

atmosfera, korona, ki sega milijone kilometrov daleč v prostor (slika 2).

8

Slika 2: Zgradba Sonca.

Sonce je sestavljeno iz vroče plazme, predvsem protonov in elektronov, ter pridobiva

energijo z zlivanjem (fuzijo) vodika v helij. Življenjska pot Sonca se bo zaključila čez

približno 5 milijard let. Takrat bo porabilo zaloge vodika. Začeli se bodo zlivati težji

elementi, Sonce se bo napihnilo (pogoltnilo bo Zemljo) in odvrglo zunanje plasti, iz

katerih bo nastala planetarna meglica. Nekaj časa bo Sonce svetilo kot bela pritlikavka,

nato pa se bo ohladilo in se preoblikovalo v hladno temno pritlikavko [4].

Svetlo področje, ki ga lahko opazujemo (fotosfera), ima temperaturo 5500 °C. V

kromosferi, ki je debela do 3000 km, naraste temperatura na 20 000 °C. Pri teh

temperaturah vodik seva svetlobo rdeče barve. V koroni, ki je zunanji del Sončeve

atmosfere, temperatura zopet naraste na 1 000 000 °C [5].

V jedru, kjer se pri zlivanju jeder sprošča energija, lahko temperatura znaša okrog

15·106 K in tlak 3·1014 Pa. Tako visoka temperatura in tlak omogočata zlivanje vodika

v helij, kar imenujemo cikel proton – proton. Navedeni cikel poteka v treh fazah (slika

3):

- prva faza: 1H + 1H → 2H + e+ + υ

Dve jedri vodika 1H se zlijeta v devterij 2H. Pri tem nastane pozitron e+ in nevtrino υ. V

tej fazi se sprosti energija E = 0,42 MeV [4].

- druga faza: 2H + 1H → 3He + γ

Pozitron, ki nastane v prvi fazi, kmalu trči v elektron. Pri trku nastaneta dva fotona γ.

Sprosti se energija E = 1,02 MeV. Nastali devterij nato trči z jedrom vodika. Pri tej

reakciji nastaneta jedro helija 3He in foton γ. Sprosti se energija E = 5,49 MeV [4].

- tretja faza: 3H + 3H → 4He + 1H + 1H

Dve jedri helija 3He nato v času, ki traja povprečno 105 let, trčita. Pri tem nastane delec

alfa (4He) in dve jedri vodika, sprosti se energija E = 12,86 MeV [4].

9

Slika 3: Potek fuzije v jedru Sonca (cikel proton – proton).

Skupna energija, ki se sprosti pri enem ciklu proton – proton, znaša E = 26,7 MeV [4].

2.1.2 Lastnosti sonca

Masa Sonca (ms)

Newtonov gravitacijski zakon trdi, da je gravitacijska sila telesa z maso M na telo z

maso m, ki se nahaja na razdalji r, enaka:

𝐹 = 𝑚 𝑎 =𝐺 𝑚 𝑀

𝑟2 (1)

Gravitacijski pospešek:

𝑎 = ∆𝑣

∆𝑡=

𝑣2

𝑟 (2)

Gravitacijska konstanta: 𝐺 = 6,67 ∙ 10−11m3

kg s2

Hitrost na krožnem tiru dobimo z vstavitvijo enačbe (2) enačbo (1):

𝑣 = (𝐺 𝑀

𝑟)

1

2 (3)

Hitrost na krožnem tiru lahko izrazimo tudi z obhodnim časom:

𝑣 = 2𝜋 𝑟

𝑡o (4)

10

Če vstavimo enačbo (4) v enačbo (3), dobimo tretji Keplerjev zakon:

𝑟3

𝑡o2 =

𝐺 𝑀

4𝜋2 (5)

Zgornje enačbe veljajo, če je masa telesa M mnogo večja od mase krožečega telesa.

Uporabimo jo lahko torej za kroženje Zemlje okoli Sonca. V tem primeru bo r polmer

Zemljinega tira (r = 1,5 · 1011 m), obhodni čas pa eno leto. S pomočjo tretjega

Keplerjevega zakona lahko izračunamo maso Sonca:

Ms = 4𝜋2 𝑟3

𝐺 𝑡o2 = 2·10

30 kg (6)

Povprečna gostota Sonca (ρ)

Za izračun potrebujemo polmer Sonca, ki znaša zaokroženo Rs = 7 · 108 m.

𝜌 =𝑀s𝑉

= 𝑀s

(4𝜋𝑅s

3

3)

= 1400 kg

m3 (7)

Izsev Sonca (L)

Izsev Sonca nam pove, kolikšna je celotna moč Sonca oziroma koliko energije Sonce

izseva na časovno enoto. Gostota svetlobnega toka s Sonca (solarna konstanta) na

zunanjem robu Zemljinega ozračja je enaka: 𝑗 ≈ 1,4 kW

m2. Sonce seva na vse smeri enako,

torej sprejema vsak kvadratni meter površine, ki je na Zemljini razdalji od Sonca, tok

1,4 kW. Ti kvadratni metri ležijo na površini krogle s polmerom r [6].

Skupni tok je tako enak:

𝐿 = 𝑗 (4𝜋 𝑟2) = 1400 W

m2 4𝜋 (1,5 ∙ 1011m)2 = 4 ∙ 1026 W (8)

Ker je prostor okoli Sonca prozoren za svetlobo, je to tudi tok oziroma moč, ki zapušča

Sončevo površino [6].

Gostota svetlobnega toka na Sončevi površini (js)

𝑗s =𝐿

4𝜋 𝑅s2 =

4∙1026W

4𝜋 (7∙108m)2 = 65

MW

m2 (9)

Temperatura na površju Sonca - temperatura fotosfere (T)

Gostota svetlobnega toka je po Stefanovem zakonu sorazmerna s četrto potenco

temperature. Sorazmernostna konstanta je Stefanova konstanta: 𝜎 = 5,67 ∙ 10−8W

m2K4

Prvi na svetu, ki je pravilno izračunal temperaturo Sončeve površine, je bil dr. Jožef

Stefan. Stefanov zakon:

𝑗∗ = 𝜎 𝑇4 (10)

11

Temperatura na površju Sonca:

𝑇 = (𝑗s𝜎

)

14

= 5800 K (11)

Težni pospešek na Soncu (gs)

Izračunamo ga lahko z Newtonovim gravitacijskim zakonom (1):

𝑔s =𝐺 𝑀s

𝑅s2 = 270

m

s2 (12)

Ocena tlaka v središču Sonca (ps)

Tlak se proti središču Sonca veča. Približno oceno dobimo s pomočjo enačbe:

∆𝑝 = −𝜌 𝑔 ∆𝐻. Negativni predznak je zato, ker se tlak manjša z večanjem višine [6].

𝑝s =𝑀

4𝜋𝑅s3

3

∙𝐺 𝑀s

𝑅s2 ∙ 𝑅s ≈ 3 ∙ 10

14 Pa (13)

Rezultat nam pove, da je tlak v središču Sonca nepredstavljivo visok. Tako velik središčni

tlak lahko v plinu zagotavlja le izjemno visoka temperatura [6].

Ocena temperature v središču Sonca (Ts)

Sonce sestavlja v glavnem vodik, ki je pri visokih temperaturah ioniziran. Imamo torej

elektrone in protone. Ker je povprečna masa elektrona zanemarljiva v primerjavi z maso

protona (2000-krat manjša), je povprečna masa delca v ioniziranem plinu enaka polovici

mase protona: �̅� =𝑚p

2= 0,9 ∙ 10−27kg [6].

Temperaturo lahko ocenimo s plinsko enačbo:

𝑝s = 𝑛𝑘𝑇s = (𝜌

�̅�) 𝑘𝑇s (14)

Ocena središčne temperature Sonca:

𝑇s = 𝑝s �̅̅̅�

𝜌 𝑘=

3 ∙ 1014Pa ∙ 0,9 ∙ 10−27kg

1400 𝑘𝑔

𝑚3 ∙ 1,38 ∙ 10−23

JK

≈ 14 ∙ 106 K (15)

Bolj natančen rezultat za središčno temperaturo je nekoliko večji, 15 ∙ 106 K [6].

12

Tabela 1: Podatki o Soncu

Oddaljenost od Zemlje 149 597 893 km (1 astronomska enota)

Oddaljenost od središča Galaksije ≈ 25 000 svetlobnih let

Hitrost okoli središča Galaksije 220 km/s

Obhodni čas okoli središča Galaksije ≈ 225 000 000 let

Navidezni premer srednji 32´01˝

Gostota (voda = 1) 1,409

Masa (Zemlja = 1) 332 946

Masa ≈ 2 ∙ 1030 kg Prostornina (Zemlja = 1) 1 303 600

Površinska težnost (Zemlja = 1) 27,9

Ubežna hitrost 617,5 km/s

Srednja navidezna magnituda -26,8

Absolutna magnituda +4,83

Spektralni tip G2

Temperatura na površju ≈ 5500°C

Temperatura jedra ≈ 15 000 000°C

Siderski vrtilni čas (ekvatorja) 25,4 dneva

Premer (na ekvatorju) ≈ 1 392 000 km

2.2 Opazovanje pojavov na soncu

Začetki sistematičnega opazovanja pojavov na Soncu segajo v leto 1609, ko je slavni

italijanski fizik in astronom Galileo Galilei izdelal svoj prvi daljnogled s 3-kratno

povečavo. Usmeril ga je na Sončevo površino in prvi na njej opazil Sončeve pege (slika

4). Z večdnevnimi opazovanji je ugotovil, da se tudi Sonce vrti okoli svoje osi. Galileju

se je na starost vid poslabšal. Ena izmed domnev o njegovi končni slepoti kot vzrok

navaja njegovo direktno opazovanje Sončevih peg skozi teleskop [7].

Slika 4: Galileo Galilei in njegove prve skice sončevih peg iz leta 1612.

Christoph Scheiner, nemški matematik in astronom, je kot Galilejev sodobnik prav tako

opazoval pojave na Soncu (slika 5). V ta namen je na principu projekcije izdelal

opazovalno pripravo - helioskop. Helioskop je ekvatorialno namestil na stojalo. Velja, da

je bil Christoph Scheiner eden izmed prvih, ki je za opazovalne priprave uporabil

ekvatorialno montažo. Leta 1630 je svoja opazovanja in odkritja opisal v knjigi Rosa

Ursina. Z Galileom se je prerekal, kdo je prvi odkril vrtilni čas Sonca, nagib osi ter

sončeve pege [7].

13

Slika 5: Christoph Scheiner in njegov helioskop.

Na opazovanje Sonca se moramo temeljito pripraviti. Dolgotrajno opazovanje Sonca s

prostimi očmi lahko vid trajno poškoduje. Če bi v Sonce pogledali skozi optično

opazovalno pripravo brez uporabe ustreznih filtrov, bi to pomenilo, da bi se vsa svetloba,

s tem pa tudi vsa toplota, zbrala na očesu opazovalca. Posledica takšnega opazovanja bi

bila trajna, popolna slepota.

2.2.1 Aktivnost sonca

Aktivnost Sonca je skupnost najrazličnejših tvorb in pojavov na Sončevem površju (npr.

pege, bakle, protuberance), ki so povezani drug z drugim (slika 6). Območja na Soncu,

kjer se te tvorbe opazujejo, imenujemo aktivna območja. Za vso Sončevo dejavnost v

celoti je značilna 11-letna periodičnost. V času maksimalne Sončeve dejavnosti je na

Soncu veliko aktivnih območij, v letih minimumov pa malo [8].

Slika 6: Sončev cikel traja približno 11 let.

Aktivnost Sonca bomo presojali po številu identificiranih peg. Kot merilo za oceno

aktivnosti Sonca se je uveljavilo Wolfovo število – W. Kot je razvidno iz slike 5, aktivnost

Sonca narašča. Posledice izbruhov na Soncu čutimo na Zemlji. Tok električno nabitih

14

delcev (sončev veter), v glavnem protonov in elektronov, zadene Zemljo s hitrostjo nekaj

100 km/s. Hitrost in jakost Sončevega vetra se močno poveča ob povečani Sončevi

aktivnosti. Na obeh polih Zemlje lahko opazujemo polarne sije. Povečana aktivnost lahko

povzroči poškodbe elektronskih naprav, izpade telekomunikacij in električne energije.

Tem nevarnostim so še posebej izpostavljeni umetni sateliti, ki krožijo okoli Zemlje.

Kadar je Sončeva aktivnost manjša, nastopijo ohladitve. Precej spletnih strani nas

obvešča o aktivnostih Sonca in o nevarnostih, ki prihajajo s te zvezde. Ena takih je

http://www.spaceweather.com. Na slednji se lahko celo naročite, da vas obvestijo, kdaj

se pričakuje udar, ki za Zemljo predstavljal potencialno nevarnost [9].

2.2.2 Fotosfera

Fotosfera je zgornji, v vidni svetlobi opazen sloj Sončeve oble (slika 7). Zajema plast, ki

loči notranjost Sonca od njegovih zunanjih plasti. Fotosfera sega okoli 300 do 400 km

globoko. Atomi negativnega vodika v tej plasti vpijajo celotno sevanje, ki prihaja iz

Sončeve notranjosti. Pri opazovanju fotosfere zato vidimo oster rob Sonca. Pod njo se

nahaja območje konvekcije, debelo okoli 200 000 km, kjer se energija prenaša navzgor s

tokovi velikih količin plina. V Sončevi sredici se sprošča velik del energije, ki jo fotosfera

izžareva v obliki svetlobe [5].

Slika 7: Sončeve pege, granule, bakle, robna zatemnitev.

Pri opazovanju pojavov na Soncu se osredotočamo na opazovanje fotosfere. Na sliki 7 so

tako vidni vsi pojavi, ki jih opišemo v nadaljevanju; vse pojave je mogoče s helioskopom

tudi opazovati. Fotosfero najenostavneje opazujemo s projekcijo, filtri in helioskopom,

katerega izdelava in uporaba je predstavljena v nadaljevanju diplomskega dela.

2.2.2.1 Granule

Granule imenujemo tudi konvekcijske celice (slika 8). Pogovorno govorimo o

pomarančni površini Sonca. Tak videz na površino Sonca, ki je posejana z granulami,

ponuja pogled skozi teleskop. Za opazovanje granul potrebujemo teleskop z dobro optiko

in vstopno odprtino premera vsaj 100 mm [10].

http://www.spaceweather.com/

15

Slika 8: Granule.

Granule so vrhovi plinastih stebrov, ki se zaradi konvekcije dvigajo iz Sončeve

notranjosti. Njihova povprečna velikost meri od 500 do 1200 km. V povprečju so granule

narazen okoli 1800 km. Življenjska doba granul je kratka in traja približno 5 do 10 minut.

Izjemoma lahko opazimo tudi super granule, katerih velikost lahko dosega do 30 000 km

in imajo življenjsko dobo do 24 ur [10].

Granula počasi spreminja svojo obliko in lahko popolnoma izgine. Vroč vodikov plin se

dviga v svetli sredini granule in pade ohlajen nazaj na Sonce, na temnem robu granule.

Gostota energijskega toka, ki ga seva črno telo, je sorazmerna četrti potenci njegove

termodinamične temperature (Stefan – Boltzmannov zakon):

𝑗∗ = 𝜎 𝑇4 (16)

2.2.2.2 Sončeve pege

Sončeva fotosfera je sestavljena iz več tisoč granul, vmes pa najdemo nekaj temnih jam,

imenovanih Sončeve pege (slika 9).

Slika 9: Primerjava velikosti povprečne Sončeve pege z velikostjo Zemlje.

Sonce in njegovo magnetno polje se na ekvatorju ne vrtita enako hitro kot na polih. To

pomeni, da se magnetno polje prične navijati (omega efekt) in tako nastanejo motnje

(slika 11). Navedeno teorijo je leta 1961 predlagal H. Babcock. Pod površjem se tako

oblikujejo magnetne cevi, v katerih ima snov pri enakem tlaku manjšo gostoto. Zaradi

vzgona se cev uviha in dvigne nad površino fotosfere - alfa efekt (slika 10).

16

Slika 10: Alfa efekt – zaradi vzgona se magnetna cev dvigne nad fotosfero.

Slika 11: Omega efekt – magnetne silnice se navijajo.

Sončeve pege so temne lise na površini, ki nastanejo kot posledica magnetne dejavnosti

Sonca (slika 12). Sončeve pege so najbolj opazen in splošno znan pojav v fotosferi.

Centralni del pege predstavlja temnejše jedro (senca - umbra), ki jo obkroža nekoliko

svetlejši del (polsenca – penumbra). Temperatura umbre je okoli 4500 °C, penumbre pa

5000 °C. Temperatura peg je torej nižja od okoliške temperature fotosfere (temperatura

fotosfere znaša 5500 °C), zato so v primerjavi z njo temne [5].

Fotosfera odda v času dt približno 2x več energije, kot jo odda področje s pego:

𝑑𝑄

𝑑𝑡∝ 𝑇4 (17)

Slika 12: Magnetne silnice povzročijo nastanek peg.

Pojavljanje peg je precej nepredvidljivo. Vrhunci, ko hkrati vidimo več skupin peg, se

pojavljajo približno na vsakih 11 let. Po vrhuncu se aktivnost Sonca umirja. Za nekaj

tednov pege povsem izginejo, nato se aktivnost spet začne stopnjevati proti naslednjemu

17

vrhuncu (slika 13). Zanimivo je, da je 11-letni Sončev cikel povezan z zapletenim

Sončevim magnetnim poljem. Polariteta Sonca se prav tako menja v ciklu 11 let.

Slika 13: Polariteta Sonca se menja vsakih 11 let.

Pege se ciklično pojavljajo na različnih heliografskih širinah, kar je lepo razvidno v

metuljastem diagramu (slika 14).

Slika 14: Metuljasti diagram.

Zgoraj naveden metuljasti diagram nastane kot rezultat kontinuiranega sistematičnega

opazovanja Sončeve površine (slika 15). S slike je lepo razvidno, da se pege pojavljajo v

pasovih, širine 5° - 45° severno in južno od ekvatorja. Izven tega področja so pege redke.

Ob maksimumu Sončeve aktivnosti jih največ najdemo ob ekvatorju.

Slika 15: Kontinuirano opazovanje Sončeve površine.

18

2.2.2.3 Bakle

Številne pege so povezane z baklami (lat. fakula). Bakle nastajajo v področjih z

magnetnimi motnjami (slika 16). Lahko jih vidimo na območjih, kjer se ravno pojavljajo

pege in ostanejo še nekaj časa, ko pege že izginejo. So zelo svetla in močna sevanja, ki

trajajo od nekaj minut do štiri ure. Njihova temperatura je za okoli 1000 °C višja od

okoliške temperature. Opišemo jih lahko kot svetle (okoli 10 % svetlejše od okolice),

oblakom podobne tvorbe v višjih plasteh. Vidne so torej tudi v kromosferi. Bakle so

svetlejše od fotosfere, zato jih najlažje opazimo proti robu Sončeve oble, kjer je površina

temnejša [10].

Slika 16: Bakle okoli Sončeve pege.

2.2.2.4 Robna zatemnitev

Pri robni zatemnitvi gre za optični fenomen (slika 17). Sončevo ploskev vidimo ob robu

zatemnjeno.

Slika 17: Robna zatemnitev.

Rob Sončeve ploskve vidimo zatemnjen zaradi dveh razlogov:

1. Temperatura narašča proti središču Sonca (slika 18).

Ob opazovanju sredine ploskve gledamo v področja z višjo temperaturo, medtem ko ob

robu gledamo področja z nižjo temperaturo [10].

19

Slika 18: Vpliv temperature na svetlobno jakost.

Če pogledamo proti sredini, vidimo fotone (točka A) v optični globini nekaj sto

kilometrov. Območje okoli točke B je hladnejše od območja okoli točke A. Iz

Stefanovega zakona (enačba 10) sledi, da je na tem mestu zaradi nižje temperature manjša

tudi gostota svetlobnega toka. Temperatura na robu ploskve znaša okoli 5000 K, na

sredini, kjer vidimo ploskev najsvetlejše, pa temperatura fotosfere znaša 6390 K.

Opomba: za optično globino (τ) privzamemo, da je podobna v obeh točkah. Slika 18 ni narisana v merilu.

2. Optična gostota fotosfere se navzven zmanjšuje (slika 19).

Fotoni potujejo skozi fotosfero in se na njenih delcih sipajo. Pot fotonov skozi fotosfero

je na sredini ploskve krajša kot ob robu Sonca A

20

Indeks ν nas opozori, da je svetlobna jakost odvisna od frekvence svetlobe (oz. valovne

dolžine). V nadaljevanju ga pri izpeljavi ne bomo navajali, ga bomo pa ovrednotili v

sklepnem delu poglavja.

I…svetlobna jakost (intenziteta)

τ…optična globina (do kje vidimo)

k…koeficient absorpcije fotonov

j…koeficient emisije fotonov

𝑆 = 𝑗

𝑘 (19)

Diferencialno enačbo lažje rešimo, če preidemo na sferne koordinate.

𝑑𝜏 = 𝑘 𝑑𝑥 (20)

𝑑𝑥 = 𝑑𝑟 cos θ (21)

𝑑𝜏

cos θ= 𝑘𝑑𝑟 (22)

Enačba prenosa sevanja (RTE), zapisana v sfernih koordinatah, se glasi:

cos θ𝑑𝐼ν

𝑑𝜏ν= 𝐼ν − 𝑆ν (23)

Splošna rešitev diferencialne enačbe je:

𝐼 = 𝐼𝑒−𝜏 + ∫ 𝑆𝜏

0𝑒−𝜏𝑑𝜏 (24)

Če privzamemo, da je S linearna funkcija (Schwarzschild 1906 [12]), znaša analitična

rešitev:

𝐼 = 𝐼0𝑒−𝜃 + 𝑆 ∫ 𝑒−𝜃𝑑θ

𝜃

0 (25)

𝑆 = 𝑎θ + 𝑏 (26)

Z uporabo Eulerjeve enačbe in integracije per partes izpeljemo enačbo prenosa sevanja.

V enačbi vidimo, da je svetlobna jakost odvisna od kota θ [11].

𝐼(𝜃) = 𝐼0(1 − 𝑐(1 − cos 𝜃)) (27)

I0…svetlobna jakost v središču Sončeve ploskve (θ = 0)

c…koeficient robne zatemnitve

𝑐 < 1 (odvisen je od λ)

Slika 20: Prehod na sferne koordinate.

21

Enačba (27) je prikazana v grafični obliki na sliki 21 [13]:

Slika 21: Grafični prikaz robne zatemnitve.

Iz enačbe (27) dobimo za šest koeficientov robne zatemnitve različne krivulje. Od

najnižje krivulje navzgor, c = 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2 in 0.0. Krivulja za c = 1, je krog.

Polmer ploskve znaša 1, pri r = 0 je središče diska in r = ± 1 je rob. Koeficient robne

zatemnitve je v področju vijolične in UV svetlobe veliko večji kot v področjih bližje

valovnim dolžine rdeče barve (glej vrednosti koeficienta robne zatemnitve za Sonce) [12].

Vrednosti koeficienta robne zatemnitve za Sonce so [12]:

λ = 550 nm → c = 0,60

λ = 600 nm → c = 0,56

λ = 550 nm → c = 0,95

Slika 22: S povečevanjem kota pada svetlobna jakost.

S slike 22 in enačbe 27 je razvidno, da pri valovni dolžini 550 nm (oko je najbolj

občutljivo na to valovno dolžino) svetlobna jakost na robu Sončeve ploskve pade za

natančno 60 %.

22

2.2.3. Wolfovo število

Vsi pojavi, ki spremljajo povečano aktivnost Sonca, so pogostejši in izrazitejši tedaj, ko

je na Sončevem površju vidnih več peg. Kot merilo za oceno aktivnosti Sonca se je

uveljavilo Wolfovo število – W (po astronomu Wolf Rudolfu, ki je prvi natančneje opisal

aktivnost Sonca). Včasih se je imenovalo züriško relativno število in ga zato zapisujejo

tudi s simbolom Z - kot züriško - ali R - kot relativno Rudolfovo število. Tega določimo

tako, da preštejemo vse skupine peg – S (kot skupina šteje tudi osamljena pega) in to

število pomnožimo z 10, nato pa preštejemo še vse vidne pege, to število P pa prištejemo

prej dobljenemu. Tako dobimo relativno Wolfovo število. Glede na opazovalca, njegovo

opazovalno opremo in vremenske pogoje med opazovanjem, izraz pomnožimo še z

ustreznim korekcijskim faktorjem k.

Zgoraj navedeno z enačbo zapišemo takole:

𝑊 = 𝑘 (10 𝑆 + 𝑃) (28)

Korekcijski faktor k lahko določimo šele po daljšem opazovalnem obdobju in pri prvih

opazovanjih za faktor vzamemo kar vrednost 1. Korekcijski faktor k točno določimo s

pomočjo enačbe:

𝑘 = 𝑘1 + 𝑘2 + 𝑘3 (29)

k1 ... premer objektiva (ločljivost teleskopa). Vrednost faktorja je večja, čim manjši je

premer objektiva. Iz zgodovinskih razlogov ima refraktor s premerom objektiva 8 cm

vrednost faktorja 1. S takšnim objektivom je švicarski astronom in matematik Rudolf

Wolf v prejšnjem stoletju meril Sončevo aktivnost. Za ostale vrednosti tega faktorja so

vrednosti korekcijskega faktorja k1 dobljene povsem empirično in jih lahko odčitamo iz

grafa (slika 23). Za reflektorje graf ne velja. Za najpogostejša reflektorja velja: 114 mm

reflektor ima enak faktor k1 kot 7 cm refraktor in 20 cm reflektor ima enak k1 kot 13 cm

refraktor [14].

Slika 23: Empirične vrednosti koeficienta k1 za različne premere refraktorjev.

23

k2 ... turbulenca v ozračju (angl. seeing). Najenostavneje ga določimo z opazovanjem roba

Sončeve ploskve. Za določitev tega faktorja potrebujemo opazovalne izkušnje (tab. 2).

Ocenjevalni pogoji 6 povedo, da je rob Sonca močno nazobčan (žagast ali kot bi bil v

plamenih), ocenjevalni pogoji 1 nakazujejo, da vidimo rob Sonca kot lep, popolni krog

[14].

k3 ... vidljivost oz. prosojnost ozračja (angl. transparency). Za določitev tega faktorja si

določimo referenčni zemeljski objekt (npr. cerkev na sosednjem hribu) (tab. 3). Pri

odlični vidljivosti bodo podrobnosti oddaljenega objekta dobro vidne, pri zelo slabi

vidljivosti bo objekt izginil v megli [14].

Tabela 2: Vrednosti korekcijskega faktorja k2 in k3.

Ocena opazov. pogojev k2 Ocena vidljivosti k3

1 0.01 jasno 0.00

2 0.03 rahla meglica 0.01

3 0.05 meglica 0.02

4 0.07 gostejša meglica 0.03

5 0.09 megla 0.04

6 0.11 - -

Najpogostejša napaka pri določitvi Wolfovega števila je posledica nepravilne določitve

skupine peg (S), ki zaradi faktorja 10 drastično pokvari vrednost Wolfovega števila.

Astronomi poznajo zelo natančne klasifikacije skupin peg. Pege se večinoma pojavljajo

v parih in tvorijo bipolarne skupine. Okoli dveh večjih peg z različnima magnetnima

poloma se navadno pojavi še več manjših peg. Najprej se pojavi majhna pega – pora, ki

nima polsence. Več por se združi v pego. Skupine peg se ne razvijajo vedno povsem

enako, zato je njihov razvoj zanimivo spremljati. Obliko, ki jo ima skupina peg, lahko

opišemo (tab. 3) in skiciramo (slika 24) v skladu s züriško klasifikacijo, ki je zasnovana

v skladu z značilnim potekom razvoja skupin peg [15].

24

Slika 24: Oblika peg po züriški klasifikaciji.

Tabela 3: Opis skupin peg.

A Pora ali enopolarna skupina por.

B Bipolarna skupina por.

C Bipolarna skupina, v kateri ima ena pega polsenco.

D Bipolarna skupina, v kateri imata glavni pegi polsenco.

E Večja bipolarna skupina, v polsenci glavnih peg je več senc.

F Zelo velika bipolarna skupina z večjim številom polsenc, dolžina skupine

meri nad 15 heliografskih stopinj.

G Velika bipolarna skupina (nad 15 heliografskih stopinj) brez manjših peg

med glavnima pegama.

H Enopolarna skupina, v kateri ima lahko glavna pega zapleteno zgradbo.

J Enopolarna pega s polsenco.

Pogostejši načini razvoja peg so: A, ABA, ABCBA, ABCDCHIA, skozi vse tipe gredo

le največje skupine peg. Druge klasifikacije skupin peg so za amaterske astronome manj

primerne.

V obdobju nizke aktivnosti je W med 0 in 40, v obdobju povečane aktivnosti pa nad 100

(izjemoma tudi do 200). Vrednosti W so objavljene za vsak mesec v večini astronomskih

revij, na internetni strani observatorija iz Catanie (http://www.oact.inaf.it/sun/),

kraljevega bruseljskega observatorija (http://sidc.oma.be/) oz. na kakšni podobni strani.

Amaterji lahko tako primerjamo svoje risbe in izračune Wolfovih števil. Z rednim

opazovanjem Sonca in določanjem W se lahko vsak astronom amater vključi v

mednarodno zbiranje podatkov [15].

http://www.oact.inaf.it/sun/http://sidc.oma.be/

25

2.2.4 Rotacija sonca

Slediti Sončevim pegam je poučno. Prvi, ki je opisoval rotacijo Sonca, je bil Galileo

Galilei. Spremljal je gibanje Sončevih peg in ugotovil, da se Sonce zavrti okoli svoje osi

v 27 dneh. Danes vemo, da je Sonce plinasto in se zato vrti na različnih heliografskih

širinah, z različnimi hitrostmi (slika 25). Na ekvatorju znaša siderski obhodni čas (glede

na zvezde) 25,4 dni, na polih pa skoraj 35 dni. Obhodni čas glede na Zemljo imenujemo

sinodski obhodni čas in je glede na siderski obhodni čas daljši [5].

Slika 25: Siderski obhodni časi Sonca.

Diferencialno vrtenje Sonca nam opisuje naslednja matematična enačba [16]:

ω = 𝐴 + 𝐵 sin2(φ) + 𝐶 sin4(φ) (30)

Za heliografsko širino (𝜑) na ekvatorju vstavimo vrednost 0° in na polih 90°. Vrednosti

koeficientov so: A = 14.713, B = -2.396 in C = -1.787. Rezultat dobimo v enoti

stopinja/dan.

Obhodni čas Sonca dobimo po enačbi:

𝑡o(siderski) = 360°

ω (31)

Ko izračunamo siderski obhodni čas, lahko izračunamo tudi sinodski obhodni čas. Za čas

obhoda zemlje (tz) okoli Sonca vstavimo 365.25 dni.

𝑡o(sinodski) = 𝑡o(siderski) 𝑡z

𝑡z−𝑡o(siderski) (32)

26

Najenostavneje je izračunati obhodni čas Sonca na ekvatorju, kjer je hitrost rotacije

največja. Spremljati moramo pege, ki ležijo na ekvatorju Sonca. Iz opazovalnih podatkov

lahko izračunamo čas, ki ga je potrebovala pega, da je opravila premik četrtine obsega

Sonca. Ta čas je četrtina obhodnega časa. Obseg Sonca na ekvatorju lahko izračunamo iz

podatka o polmeru Sonca. Iz ekvatorskega obsega Sonca in obhodnega časa Sonca lahko

tako izračunamo hitrost rotacije Sonca na ekvatorju.

Na drugih heliografskih širinah je potrebno pri izračunih upoštevati, da se spreminja

polmer kroženja pege, prav tako tudi kot, pod katerim pego vidimo (slika 26).

Slika 26: Določevanje koordinat sončevih peg.

Koordinate pege določa heliografska širina (φ) in heliografska dolžina (λ). Naši izračuni

bodo poenostavljeni ter prilagojeni osnovnošolcem in dijakom srednje šole. Ker bomo

opazovali Sonce z Zemlje in si pomagali s podatki, ki nam jih posreduje satelit SOHO

(satelit Soho sinhrono kroži okoli Sonca skupaj z Zemljo), bomo imeli slike pravilno

orientirane, enačbe pa zaradi tega poenostavljene.

Heliografska širina pege:

φ = sin−1 (𝑦

𝑟s) (33)

Heliografska dolžina pege:

λ = sin−1 (𝑥

𝑟s) (34)

Polmer kroženja pege okoli Sončeve vrtilne osi:

𝑟p = 𝑟s cos φ (35)

Koordinati x in y odčitamo s fotografije Sonca. Pomagamo si s pomočjo računalniškega

programa ali s pomočjo prosojnice, ki jo položimo na fotografijo Sonca (slika 27). Za

središče koordinatnega sistema vzamemo center Sonca. Obhodni čas izračunamo s

27

pomočjo sklepnega izračuna. Ker poznamo čas, ki je potekel med dvema posnetkoma,

prav tako je znan kot zasuka opazovane pege, lahko izračunamo obhodni čas pege. Ta čas

je enak obhodnemu času Sonca za heliografsko širino opazovane pege.

Slika 27: Koordinatna mreža.

Poudariti velja, da bodo naši rezultati izračunov zgolj ocena hitrosti gibanja Sonca in da

so izračuni prilagojeni znanju osnovnošolcev oz. srednješolcev. Konkretni podatki,

izračuni in rezultati rotacije Sonca so opisani v petem poglavju diplomskega dela.

2.3 Helioskop

Helioskop je posebna izvedba projektorja, namenjena izključno skupinskemu opazovanju

pojavov na Soncu. Skupno diplomsko delo je posvečeno helioskopu, saj lahko s pomočjo

te optične priprave najvarneje opazujemo Sonce. Eden prvih, ki je uporabljal in sam

izdelal helioskop za opazovanje Sonca, je bil Christoph Scheiner (glej poglavje 2.2).

Helioskop je izdelal leta 1613 po principu camere obscure (slika 28), ki jo je prav tako

izdelal sam.

Slika 28: Camera obscura.

Helioskop, ki ga bomo sestavili in uporabili pri pouku, bo zgrajen iz optične osi (sestavlja

jo nosilna cev, vstopna zbiralna leča in sekundarno razpršilno ogledalo), zaslona in ohišja.

28

Izdelavo helioskopa in uporabo v praksi bomo podrobneje opisali v četrtem poglavju

pričujočega diplomskega dela.

2.3.1 Optika helioskopa

Glavna optična elementa helioskopa sta vstopna konveksna leča in konveksno zrcalo.

Leča zbere Sončeve žarke na zrcalu in jih po odbojnem zakonu odbije proti zaslonu. Na

zaslonu dobimo tako povečano sliko Sonca. Podobno kot pri projekciji s teleskopom,

velja tudi za helioskop, da moramo najti pravilno razmerje med velikostjo in svetlostjo

slike. Zaradi preglednosti želimo videti čim večjo sliko Sonca. Večjo sliko Sonca dobimo

z oddaljevanjem zaslona od konveksnega zrcala, kar pa seveda vpliva na svetlost slike.

Glede na izkušnje projekcije s teleskopom in zaradi praktičnosti bomo pri izvedbi

helioskopa pazili, da velikost slike Sonca ne bo presegala velikosti formata papirja A4.

2.3.1.1 Objektiv helioskopa

Velikost vstopne odprtine teleskopa (objektiva) v astronomiji definira zbiralno moč

teleskopa. Večji objektiv pomeni več zbrane svetlobe in s tem pogled v večje globine

vesolja. Pri opazovanju Sonca ne gre pretiravati z velikostjo objektiva, saj nam za

opazovanje Sonca zadostujejo že manjši objektivi. Pri Soncu imamo torej več težav s

preveliko vstopno odprtino, ki jo navadno zmanjšamo z zaslonko ter s tem preprečimo

pregretje in uničenje optičnih elementov.

V našem primeru bomo izbirali med zbiralnimi lečami, premera največ 60 mm, in

goriščno razdaljo med 500 in 1000 mm. Takšne leče se najdejo v šolski zbirki

demonstracijskih leč, ali pa se naročijo pri izdelovalcih leč.

Sonce vidimo z Zemlje pod zornim kotom φ = 0.5°. Ker je razdalja med Soncem in

objektivom izredno velika, nastane slika Sonca v goriščni ravnini (slika 29).

Slika 29: Za objektiv helioskopa uporabimo zbiralno lečo.

Velikost slike izračunamo po enačbi:

𝑆1 = 𝑓 tan φ (36)

Slika Sonca je prava (realna), saj jo lahko ujamemo na zaslon, kjer je pomanjšana in

obrnjena. V našem primeru nastane slika na razpršilnem ogledalu.

29

2.3.1.2 Razpršilno ogledalo

S pomočjo enačbe (26) lahko izračunamo velikost slike, ki nastane na razpršilnem

ogledalu. Na razpršilnem ogledalu se žarki po odbojnem zakonu odbijejo proti zaslonu,

kjer lahko sliko vizualno opazujemo (slika 30). S pomočjo geometrijskih enačb lahko

izračunamo velikost slike na zaslonu.

Slika 30: Skica optike helioskopa.

Razpršilno ogledalo s kratko goriščno razdaljo so nam za potrebe diplomskega dela po

naročilu izdelali v tovarni optičnih naprav. Naročili smo krogelno konkavno (razpršilno)

ogledalo, z goriščno razdaljo f = - 1 cm. Radij ogledala znaša 2 cm.

Slika 31: Geometrija odboja žarka na ogledalu.

Izračunajmo velikost slike na zaslonu. Če poznamo razdaljo zaslona od ogledala (x),

polmer zrcala (r), goriščno razdajo leče (f) in zorni kot Sonca (φ), lahko izračunamo

velikost slike na zaslonu (S).

Velikost slike na zaslonu:

𝑆 = 𝑆1 + 2 𝑌 (37)

𝑌 = 𝑥 tan(α + β) (38)

30

α = sin−1(𝑆1

2 𝑟) (39)

β = α +φ

2 (40)

Na zaslonu dobimo obrnjeno sliko Sonca. Orientacijo slike na zaslonu helioskopa nam

prikazuje slika.

Slika 32: Orientacija slike na zaslonu helioskopa.

Na sredini zaslona je odprtina, skozi katero potuje žarek, zato bomo v praksi ogledalo

pomaknili malce izven geometrijske optične osi, le-to pa toliko, da bomo na zaslonu

dobili celotno sliko Sonca. To lahko nato uporabimo pri določanju vrednosti Wolfovega

števila. Zaradi eliptične slike Sonca se pojavi problem pri določevanju koordinat peg, ki

jih potrebujemo za izračun rotacije Sonca. Problem rešimo tako, da žarek središčno

centriramo in dobimo popolnoma okroglo sliko Sonca.

Slika 33: Eliptična in centrična slika Sonca.

Za prikazano centriranje moramo seveda pripraviti risalne liste, ki imajo na sredini

odprtino, skozi katero potuje žarek neovirano do ogledala (slika 34).

31

Slika 34: Predloga delovnih listov.

2.3.1.3 Velikost slike na zaslonu

Z upoštevanjem enačb (37) do (40) izračunamo velikost slike na zaslonu. Izračunano

vrednost premera slike Sonca uporabimo pri risanju kroga na delovnem listu (slika 34).

Podatki za naš helioskop:

𝑓L = 680 mm (goriščna razdalja leče), φ = 0.5° (zorni kot Sonca)

𝑓O = −10 mm (goriščna razdalja ogledala), 𝑟 = 20 mm (polmer ogledala)

𝑥 = 270 mm (oddaljenost zaslona od ogledala)

Izračun:

𝑆1 = 𝑓L tan φ = 680 𝑚𝑚 ∙ tan 0.5° = 5.9 𝑚𝑚 ≈ 6 𝑚𝑚

α = sin−1(𝑆1

2 ∙ 𝑟) = sin−1(

5.9 mm

2 ∙ 20 mm) = 8.5°

β = α +φ

2= 8.5° +

0.5°

2= 8.75°

𝑌 = 𝑥 tan(α + β) = 270 mm ∙ tan(8.5° + 8.75°) = 84 mm

𝑆 = 𝑆1 + 2 𝑌 = 5.9 mm + 2 ∙ 84 mm = 174 mm

Rezultat: Na zaslonu bomo dobili sliko Sonca v velikosti 174 mm.

32

3 Didaktični vidiki vključevanja helioskopa pri pouku astronomije

3.1 Astronomija v osnovni in srednji šoli

V preteklih letih je astronomija v osnovnih šolah končno dobila vidnejšo vlogo. Učenci

se lahko sedaj v zaključnih razredih odločijo za izbirni predmet astronomije. Za razliko

od krožkov, je sedaj astronomija predmet, ki je uvrščen na šolski urnik kot redni pouk.

Učenci so ocenjeni kot pri drugih predmetih in ocena predstavlja enakovredno vrednost

[17].

Povsem drugačen položaj ima astronomija v srednjih šolah. Le redke srednje šole v

Sloveniji ponujajo dijakom možnost izobraževanja iz znanja astronomije. Pouk se izvaja

po končanem rednem pouku kot interesna dejavnost, v obliki krožkov. Korak naprej so

naredili v srednji šoli na Vegovi ERSŠG in Gimnaziji Ljubljana. V sodelovanju s

Fakulteto za matematiko in fiziko iz Ljubljane ter Gimnazijo J. Plečnika so izdelali učni

načrt za srednješolski izbirni predmet astronomije. Učni načrt je bil sprejet v preteklem

letu (2012) in je na preizkusu na Vegovi gimnaziji, kjer teče pilotski projekt Izbirni

predmet astronomija, in sicer v 3. letniku gimnazije. Astronomija se bo torej po skoraj

štirih desetletjih zopet vrnila v gimnazije.

Veliko zaslugo za popularizacijo astronomije med mladimi lahko pripišemo tudi

organizatorjem tekmovanja iz znanja astronomije. Pod okriljem DMFA so letos izvedli

že šesto tekmovanje, tako na osnovnošolski, kot tudi na srednješolski ravni. Tekmovanja

so izvrsten pokazatelj zanimanja mladih za astronomijo, saj se tekmovanja vsako leto

udeleži večje število učencev, dijakov in šol. Znanje mladih o astronomiji vsako leto

narašča. V letu 2013 se je Slovenija prvič udeležila olimpijade iz astrofizike in

astronomije. Tekmovalci so se vrnili domov z dvema srebrnima medaljama, kar je

izvrsten rezultat v svetovnem merilu.

3.2 Izbirni predmeti v osnovnih šolah

V 17. členu Zakona o osnovni šoli (ZOsn-UPB3) je zapisano, da mora šola v tretji triadi

poleg obveznih predmetov izvajati tudi pouk izbirnih predmetov. Izbirni predmeti so

razdeljeni v dva sklopa, družboslovno-humanističnega in naravoslovno-tehničnega. Šola

mora učencem ponuditi pouk najmanj treh izbirnih predmetov iz posameznega sklopa. Iz

nabora izbirnih predmetov, ki jih ponudi šola, si učenci izberejo dva ali tri izbirne

predmete (najmanj dva). Učenci se odločajo o izbiri izbirnih predmetih ob koncu šestega

razreda. Učenec se lahko po enem letu odloči za drug izbirni predmet.

Izbirni predmet astronomija se izvaja v treh neodvisnih sklopih po eno leto:

Astronomija: Sonce, Luna in Zemlja (35 ur),

Astronomija: Daljnogledi in planeti (35 ur),

Astronomija: Zvezde in vesolje (35 ur).

33

Zanimivo je, da se s Soncem in njegovim opazovanjem srečamo prav pri vseh treh

sklopih. V prvem in tretjem sklopu se učimo o Soncu, ki je nam najbližja zvezda, v

drugem sklopu pa se med drugim seznanjamo z napravami za opazovanje Sonca [18].

3.3 Varnost pri opazovanju sonca

Sonce je daleč najsvetlejše nebesno telo, zato vanj ne smemo gledati neposredno, saj si

lahko trajno poškodujemo vid. Sončevo sevanje obsega vidno, ultravijolično (UV) in

infrardečo (IR) svetlobo. UV in IR-svetlobo z našimi očmi ne zaznavamo. Znano je, da

pripomore izpostavljanje večjim količinam UV-sevanja k pospešenemu staranju zunanjih

plasti kože, očesa ter razvoja očesne mrene. Takojšnjo škodo naredimo, če neposredno

opazujemo Sonce brez ustrezne zaščite. Majhna slika Sonca, ki jo naredi očesna leča na

mrežnici, ima veliko površinsko svetlost, in sicer lahko za vedno zažge mrežnico in na

njej pusti majhne slepe točke [18].

Preveliko izpostavljanje očesa svetlobi je toliko bolj nevarno zato, ker nastanejo

poškodbe mrežnice, ne da bi posameznik to opazil. Na mrežnici namreč nimamo

receptorjev, ki bi nas opozorili na nevarnost početja. Spremembe pri vidu zaznamo šele

več ur za tem, ko je škoda že narejena [18].

Direktno opazovanje Sonca z optičnimi opazovalnimi pripravami brez zaščite nam lahko

hipno trajno poškoduje vid. Nujno je torej, da se na varno opazovanje Sonca temeljito

pripravimo in se o morebitnih nevarnostih poučimo ter spoznamo načine za zaščito oči.

Morebitne napake so nepopravljive, zato moramo biti pri organizaciji javnih opazovanj

Sonca strokovni, previdni in odgovorni.

3.3.1 Načini opazovanja sonca

Za opazovanje pojavov na Soncu uporabljamo:

1. Zaščitne filtre

2. Solarni teleskop

3. Projekcijo s pomočjo teleskopa ali binokularja

4. Helioskop

3.3.1.1 Zaščitni filtri

Sončevo fotosfero lahko varno opazujemo brez optičnih pripomočkov direktno skozi

očala (slika 35) ali stekla za varilce (varilski ščitniki). Takšna stekla naj imajo številko 12

ali več. Sajasto steklo, RTG-slike, fotografski filmi ipd. ne bodo zaščitili naših oči.

Varno opazovanje Sonca nam omogočajo posebne zaščitne naparjene folije. Takšne folije

oslabijo vidno in IR-svetlobo vsaj za 100.000-krat. Dobra stran omenjenih folij je, da jih

lahko kupimo v različnih formatih in jo režemo v poljubne oblike. Iz takšne folije lahko

izdelamo (ali kupimo) posebna kartonska očala. Pri nakupu takšnih očal moramo paziti,

da so atestirana z oznako CE.

34

Slika 35: Zaščitna očala.

Običajno Sonce opazujemo s teleskopom ali z binokularjem. Pri takem opazovanju

moramo nujno uporabljati zaščitne filtre. Filtri so lahko stekleni ali iz naparjene folije.

Uporaba steklenih filtrov, ki se namestijo v bližini gorišča, je nevarna. To so filtri, ki jih

privijemo na okular, kjer se steklo zaradi zbiranja svetlobe močno segreje in rado poči.

Filter je najbolje namestiti pred objektiv (slika 36). S tem preprečimo segrevanje

teleskopa ter tako zmanjšamo napake, ki vodijo do popačenja slike. Pri teleskopih s

sekundarnim zrcalom je takšna postavitev nujna, saj bi sekundarno zrcalo zaradi

segrevanja lahko počilo. Filter s folijo lahko sami izdelamo iz kupljene folije ali pa jo

kupimo v kompletu z objemko standardnih dimenzij. Takšni filtri so zelo razširjeni in

cenovno ugodni. Filter moramo namestiti tako, da ga veter ne bo mogel odpihniti.

Slika 36: Opazovanje Sončeve fotosfere s teleskopom.

Najboljša (tudi najdražja) rešitev za opazovanje Sončeve fotosfere je steklen filter za

objektiv (slika 37). Planparalelna plošča mora biti vsaj tako natančno zbrušena, kot je

zrcalo teleskopa, sicer je kvaliteta slike slabša. Tak filter je smiseln pri premeru optike

nad 150 mm, in sicer za astronome, ki Sonce redno opazujejo [10].

Slika 37: Uporaba steklenega filtra.

35

Za fotografiranje se uporablja filtriranje s prizmo (slika 38). Pentaprizma prepušča 10 %

svetlobe, Herschlova le 0,5 %. Za vizualno uporabo potrebujemo obvezno še nevtralni

filter.

Slika 38: Herschelova prizma.

3.3.1.2 Solarni teleskop

Opazovanje kromosfere zahteva bistveno drugačne filtre kot opazovanje fotosfere. Če

hočemo opazovati pojave v kromosferi, moramo uporabiti filter, ki prepušča samo

valovno dolžino H-alfa svetlobe. Ta svetloba nastane v vodikovem atomu, ko elektron

izseva foton z valovno dolžino 656,28 nm pri prehodu iz drugega v prvo vzbujeno stanje.

Solarni teleskopi (slika 39) imajo ozkopasovni filter širine pod 0,1 nm in, v nasprotju z

ostalimi H-alfa filtri, ne prepuščajo svetlobe s fotosfere, zato slika Sonca ni zamegljena.

Teleskop je temperaturno neodvisen.

Slika 39: Opazovanje kromosfere s solarnim teleskopom.

Solarni teleskopi imajo možnost spreminjanja širine pasu filtra. Z različno širino pasu

filtra opazujemo različne kromosferne pojave. S širokim pasom H-alfa filtra vidimo

Sonce kot v vidni svetlobi. Nekoliko ožji filter od 0,1 nm do 0,2 nm razkrije protuberance

na robu Sonca. Filter, širok od 0,06 do 0,1 nm, je najbolj iskan, saj z njim vidimo

kromosferne pojave na površju in robu Sonca. Še ožji filter 0,03 nm do 0,06 nm pa s

povečanjem kontrasta pričara dogajanje na ploskvi (slika 40).

Slika 40: Ožji filter pokaže več podrobnosti (0,07 nm; 0,06 nm; 0,05 nm; 0,03 nm).

36

3.3.1.3 Projekcija s pomočjo teleskopa ali binokularja

Glavna prednost omenjenega opazovanja se kaže v dejstvu, da lahko Sonce sočasno,

varno opazuje večje število opazovalcev. Sonce projiciramo na bel zaslon, ki ga

postavimo za okular teleskopa ali binokularja (slika 41).

Slika 41:Opazovanje delnega Sončevega mrka.

Obstaja nevarnost, da ob takšnem načinu opazovanja termično poškodujemo optično

napravo. Posebej okularji so termično najbolj obremenjeni. Problem rešimo z

namestitvijo zaščitne maske. Ker pri takšnem opazovanju pred objektivom nimamo

nameščenega zaščitnega filtra, moramo vstopno odprtino objektiva (pri večjih teleskopih)

zmanjšati na premer, razpona največ 6 cm. Masko si lahko tudi sami izdelamo iz tršega

kartona, ki ga trdno pritrdimo pred objektiv, da ga premikanje teleskopa oz. večji sunek

vetra ne more odpihniti.

Za zaslon lahko uporabimo bel papir, ki ga nalepimo na karton ali na dno kartonske škatle,

katere stranica sega vse do okularja opazovalne naprave. Sliko Sonca najlepše opazujemo

v poltemi. Zaslon moramo torej zasenčiti, da je slika Sonca na zaslonu lepše vidna.

Problem lahko rešimo tudi s prekrivanjem območja, od okularja do zaslona, in sicer s

črno tkanino. Zaslon postavimo na svoje stojalo, ki ni vezano z opazovalno pripravo, tako

da lahko z njo lažje rokujemo (slika 42).

Izkušnje so pokazale, da se najprimernejša velikost slike pri projekciji giblje med 15 in

20 cm. Premer slike na zaslonu izračunamo po enačbi:

𝐷 =𝑑∙𝑀

107 (31)

V enačbi je s simbolom d označena razdalja med središčem okularja in zaslonom, M pa

označuje povečavo optične naprave.

37

Slika 42: Opazovanje prehoda Venere čez Sončevo ploskev.

Pri projekciji s teleskopom pazimo, da iskalo pokrijemo s pokrovčkom. Tudi pri projekciji

z binokularjem pokrijemo eno optično cev. Takšno opazovanje je primerno za opazovanje

Sončeve fotosfere, Sončevega mrka in prehoda vesoljskih teles čez Sončevo ploskev.

3.3.1.4 Helioskop

Helioskop, kot projektor za skupinsko opazovanje Sonca, smo podrobneje že opisali v

poglavju 2.3. V poglavjih, ki sledijo v nadaljevanju, pa bomo še podrobneje navedli

podatke o izdelavi helioskopa in njegovi uporabi v praksi.

3.3.2 Navodila za varno opazovanje sonca

Sonce je nemogoče neposredno gledati že s prostimi očmi, kaj šele preko optičnih naprav.

Pri opazovanju Sonca se strogo držimo pravil varnega opazovanja. Učence in dijake pred

vsakim opazovanjem opozorimo na naslednja pravila varnega opazovanja Sonca:

1. Pogled na Sonce skozi optično pripravo, ki pred objektivom nima nameščenega

zaščitnega filtra, nas bo zagotovo za vedno oslepil.

2. Sonca nikoli ne gledamo direktno s prostimi očmi. Slika Sonca, ki jo naredi očesna

leča, lahko za vedno zažge mrežnico in na njej pusti majhne, slepe točke.

3. Sonca nikoli ne opazujmo z zadimljenim steklom ali preko sončnih očal. Čeprav tako

omejimo svetlobni tok, še vedno nimamo zagotovila, da skoznje ne vpade veliko UV oz.

IR-svetlobe. Takšno opazovanje je še posebej nevarno, ker je zenica očesa popolnoma

odprta.

4. Nikoli ne uporabljamo filtrov, ki jih držimo med okularjem in očesom.

5. Pri fotografiranju moramo pred objektiv vedno postaviti filter [19].

3.3.3 Cilji in kompetence pri pouku astronomije

Pri pouku astronomije učenci in dijaki poglobijo zavedanje, da živijo na majhnem

planetu, v sončnem sistemu naše galaksije, ki je samo majhna točka svetlobe v večni

38

praznini neskončnega vesolja. S temi spoznanji se pri njih spodbuja strpnost do okolice

in ekološka osveščenost. Seznanjajo se tudi z raznimi teorijami in odkritji o vesolju v

nenehni povezavi s fiziko. Spoznajo tudi, da odkritja v astronomiji vplivajo na družbena

dogajanja in imajo pomembno vlogo pri razvoju tehnologij [20].

3.3.3.1 Splošni cilji

Guštin, Gomboc, Kham in Snoj (2012) so izdelali učni načrt za izbirni predmet

astronomije, v okviru izvajanja poskusa v gimnazijah. V učnem načrtu so jasno zapisali

splošne cilje, ki jih navajamo v nadaljevanju.

» Učenci in dijaki:

- se seznanijo z glavnimi astronomskimi teorijami o vesolju in naravi vesoljskih teles skozi

zgodovino in spoznajo sodobna astronomska odkritja. Moderno astronomijo spoznavajo

v nenehni povezavi s fiziko in znajo pridobljena fizikalna in matematična znanja kritično

uporabiti tudi za objekte v vesolju,

- si pridobijo znanja o razumevanju sveta in lastno vlogo v njem. Obenem lažje postavijo

ločnico med znanjem in praznoverjem, saj mnogi zaradi neznanja povezujejo astronomijo

z astrologijo in drugimi kvazi-znanostmi,

- dobijo dodatno motivacijo za raziskovanje, saj tudi sami izvedejo osnovne meritve in

opazovanja, katerih ne bi zmogli brez ustreznih astronomskih predznanj,

- okrepijo zavest, da je Zemlja le drobcen del vesolja ter da moramo poskrbeti, da bo

človeštvo na njej obstajalo čim dlje. V tej zvezi posebej poudarijo pomen skrbi za čisto

okolje, ki je skupna vrednota človeštva,

- v ospredje postavljajo višje miselne procese s poudarkom na razumevanju in

vrednotenju sodobnih dosežkov znanosti in tehnologije,

- širijo si obzorja znanj, razumevanja in vrednot, ki so v sodobni tehnološki družbi nujno

potrebne vsakemu izobraženemu posamezniku« [20].

Naše izobraževanje je omejeno na bližnje okolje ter na naš planet - Zemljo. Cilji izbirnega

predmeta astronomije so veliko širši in zajemajo poznavanje celotnega vesolja in našo

vlogo v njem.

3.3.3.1 Kompetence (kombinacija znanja, spretnosti in odnosov)

Guštin, Gomboc, Kham in Snoj (2012) so v učni načrt izbirnega predmeta astronomije

zapisali tudi kompetence, ki jih razvijajo učenci in dijaki pri tem izbirnem predmetu:

» Učenci in dijaki pri pouku astronomije razvijajo predvsem naslednje kompetence:

- Temeljne kompetence v naravoslovju in tehnologiji: Raziskovanje in razumevanje

naravnih procesov in pojavov kot temeljno znanje s področja astronomije ima pomembno

vlogo pri celovitosti razumevanja sveta. Pomembno je tudi s stališča razvoja in

aplikativnosti vseh tehničnih strok in je nujno za uspešno razumevanje mnogih pojavov

iz vsakdanjega življenja. Poleg tega pri pouku astronomije razvijamo pomembne prvine

39

ključnih kompetenc: kritično mišljenje, zmožnost reševanja problemov, ustvarjalno

zmožnost ter zmožnost dajanja pobud in sprejemanja odločitev.

- Matematično kompetenco: Razvijamo jo z uporabo matematičnega zapisa fizikalnih

relacij in matematičnih orodij pri preučevanju naravnih pojavov, povezanih z vesoljem.

- Kompetence digitalne pismenosti: Dijaki jo pridobijo z ravnanjem z napravami, ki

temeljijo na digitalni tehnologiji, ter z uporabo računalniških programov in interneta. Pri

eksperimentalnih vajah dijaki pridobijo znanje in veščine tudi z uporabo računalnika kot

krmilne naprave. Znanje, ki ga pridobijo pri pouku astronomije, je neposredno

prenosljivo na uporabo sodobnih tehnoloških pripomočkov in merilnih naprav, katerih

delovanje je povezano z digitalno tehnologijo oziroma računalnikom (osebni računalnik,

sistemi krmiljenja Go-To, GPS tehnologija, digitalna kamera, digitalni fotoaparat). Pouk

astronomije vsebuje uporabo IKT, predvsem s simulacijami pojavov z interaktivnimi

računalniškimi animacijami (npr. elektronske zvezdne karte), uporabo posebnih

programov za obdelavo astronomskih slik, uporabo osebnih planetarijev tipa SkyScout.

- Učenje učenja: Kaže se v samostojnem učenju, razvijanju delovnih navad, iskanju virov

v tujih jezikih, samostojni rabi informacijsko-komunikacijske tehnologije, načrtovanju

lastnih aktivnosti, odgovornosti za lastno znanje in sposobnosti kritičnega

samoocenjevanja znanja.

- Kompetenca varovanja zdravja, ki je vključena v socialno kompetenco, je poudarjena

z/s:

▫ razumevanjem navodil za ravnanje in upoštevanju opozoril za varovanje zdravja, npr.

pri predvidevanju nevarnosti pri astronomskih opazovanjih Sonca, zaščiti pred UV-

sevanji in močno IR-svetlobo, varni uporabi laserskih naprav.

▫ pridobitvijo veščin varnega eksperimentiranja, uporabo zaščitnih sredstev (npr. filtrov)

in varno uporabo sodobnih tehničnih pripomočkov, predvsem teleskopov pri

eksperimentalnih vajah oziroma opazovanjih« [20].

40

4 Praktični del

V začetku šolskega leta 2012/2013 smo pri izbirnem predmetu Sonce, Luna, Zemlja

razmišljali, kakšen izdelek bi naredili. Skupaj smo tako izoblikovali idejo, da bomo

izdelali pripravo, s katero bomo lahko na šoli varno opazovali Sonce, s tem pa popestrili

ure pri naravoslovnih predmetih. Didaktični postopek projektnega dela nam je služil kot

vodilo pri celotnem projektu izdelave helioskopa [21].

Dogovorili smo se, da se bomo najprej posvetili načrtovanju in razvoju izdelka, nato

bomo izdelali prototip, prav tako tehnično in tehnološko dokumentacijo, vse skupaj pa

zaključili z analizo dela [22].

Potrebno je bilo izbrati pravilno strategijo vzgojno-izobraževalnega dela. Pri samem

snovanju izdelka v nalogi smo razmišljali v več smereh. Zavedali smo se, da je rešitev in

poti do končnega rezultata več (divergentno mišljenje) in da bomo morali biti pri razvoju

izdelka ustvarjalni. Ker sta razvoj ustvarjalnih sposobnosti in razvoj divergentnega

mišljenja glavni značilnosti za projektno nalogo, smo se odločili za le-to strategijo

vzgojno-izobraževalnega dela. Pri projektni nalogi učenci sami, z lastnimi izkušnjami,

konstruirajo, načrtujejo, izdelujejo izdelek in s tem razvijajo svoje znanje, pri čemer igra

pomembno vlogo šolsko in življenjsko okolje [23].

4.1 Načrtovanje in razvoj izdelka

Priprava na vzgojno-izobraževalno delo

Šola: OSNOVNA ŠOLA BLAŽ KOCENA PONIKVA

Razred: 7, 8, 9

Predmet: Sonce, Luna, Zemlja

Sklop: Organizacija dela

Celota: Preučevanje problema in načrtovanje predmeta

Učna tema: Projektna naloga HELIOSKOP

Učna enota: Načrtovanje in razvoj izdelka

Operativni izobraževalni cilji

Učenci:

- ob prikazovanju raznih opazovanih priprav dobijo smernice za načrtovanje izdelka,

- se znajo odločiti za izdelavo helioskopa in v diskusiji utemeljijo svoje odločitve,

- znajo narisati razvojno skico v pravokotni projekciji oz. izometrični projekciji,

- usvojijo znanje o dimenzioniranju izdelka,

- znajo ob prikazovanju in demonstraciji različnih vrst materialov izbrati primerne

materiale za izdelavo helioskopa.

41

Operativni vzgojni cilji

Učenci:

- oblikujejo pravilen odnos do dela in rezultatov dela,

- znajo racionalno izrabiti čas in sredstva za delo,

- oblikujejo sposobnosti za delo v skupini in prepoznavajo pomen skupinskega dela za

pridobitev najboljše rešitve,

- razvijajo sposobnosti za samostojno delo.

Operativni psihomotorični cilji

Učenci:

- pri skiciranju razvijajo ročne spretnosti in delovne navade,

- razvijajo koordinacijo gibov rok, prstov in oči.

Učne oblike: frontalna, individualna in skupinska.

Učne metode: metoda pogovora, razlage, razprave, demonstracije, grafičnih del,

urjenja.

Delovne tehnike: skiciranje.

Strategija vzgojno-izobraževalnega dela (zvrst dela): projektna naloga.

Novi pojmi in posplošitve: serijska proizvodnja, dimenzioniranje, industrijsko

oblikovanje, kontrola kakovosti in funkcionalnosti.

Korelacija: fizika, matematika, slovenski jezik.

Orodja, stroji in pribor

Merilno in zarisno orodje: ravnilo, trikotnik, šestilo, svinčnik HB.

Varnost pri delu:

- tehnično varen prostor,

- varna sredstva za delo.

Učna sredstva: strokovne revije in knjige, prospektno gradivo, internet.

Učni pripomočki: računalnik, projektor.

Viri:

a.) Obče- in specialnodidaktični:

- Papotnik, A. (1998). S projektno nalogo do boljšega znanja. Trzin.

- Papotnik, A. (1988). Specialna didaktika in metodologija tehnične vzgoje. Ljubljana:

Zveza organizacij za tehniško kulturo Slovenije.

- Papotnik, A. (1992). Prvi koraki v projektno nalogo. Radovljica: Didakta.

42

- Kramar, M. (1994). Načrtovanje in priprava izobraževalno-vzgojnega procesa v šoli.

Nova Gorica: Edica.

- Kubale, V. (1994). Pripravljanje učiteljev na vzgojno-izobraževalno delo. Maribor:

Pikos print shop.

- Poljak, V. (1984). Didaktika. Zagreb: Školska knjiga.

b.) pedagoško-psihološki:

- Jaušovec, N. (1994). Naučiti se misliti. Nova Gorica: Educa.

- Pukl, V. (1994). Kvaliteta učenja in znanja ob projektnem učnem delu. Ljubljana:

ZRSŠŠ.

- Labinowicz, E. (1989). Izvirni Piaget; Mišljenje-učenje-poučevanje. Ljubljana: DZS.

c.) širše in ožje stvarno - predmetni (strokovni):

- Papotnik, A. (1993). Izdelujmo iz lesa. Radovljica: Didakta.

- Aberšek, B. (1994). Tehnologija materialov in obdelave. Radovljica: Didakta.

- Dovžan, H. (1993). Razvoj in trženje novega izdelka. Ljubljana: Gospodarski vestnik.

- Strokovni svet RS za splošno izobraževanje. (2011). Učni načrt Tehnika in tehnologija

6,7,8 razred osnovne šole. Ljubljana. Pridobljeno 20. 9. 2012, iz

http://www.mizks.gov.si/fileadmin/mizks.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_

UN/UN_tehnika_tehnologija.pdf

- Bloomfield, L.A. (1996). How things work. New York.

- grafično računalniško orodje ACAD.

http://www.mizks.gov.si/fileadmin/mizks.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_tehnika_tehnologija.pdfhttp://www.mizks.gov.si/fileadmin/mizks.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_tehnika_tehnologija.pdf

43

Artikulacijske stopnje in

učni koraki

Potek učne ure (strategija poteka)

1 UVAJANJE

- postavitev problema in

iskanje možnih rešitev

- motivacija

- napoved učnega smotra

Izbrati moramo primeren izdelek, ki ga bomo izdelovali pri

projektni nalogi.

Pokažemo jim razne opazovalne priprave.

V današnji uri bomo izdelali skice za naš novi izdelek:

HELIOSKOP

2 USVAJANJE

- ideja

- postavitev zahtev

(optimalizacija)

- izbira izdelka

(razvijanje ideje:

opazovalne naprave -

helioskopa)

Opazovalna priprava naj omogoča 100 % varno opazovanje

Sonca. Priprava naj omogoča skupinsko opazovanje Sonca,

torej za uporabo pri pouku celega razreda.

Zahteve izdelka:

- helioskop bo uporaben za raziskovanje pojavov na Soncu,

- enostavna izdelava,

- izdelek bo iz dostopnih materialov, po možnosti reciklaže,

- izdelek bo enostavno transportirati,

- z izdelkom bo enostavno rokovati,

- možnost nabave polizdelkov,

- tehnično uspešen z vidika izdelave,

- učinkovito uporaben z vidika porabnika,

- gospodarsko donosen v poslovnem rezultatu podjetnika.

Osnovna zahteva za izdelavo naprave za opazovanje Sonca je

varno skupinsko opazovanje Sonca.

Kakšne so možne izvedbe opazovalnih naprav?

S kakšno napravo lahko sliko Sonca projiciramo na zaslon?

Kakšne izvedbe projektorjev poznamo?

Katera izvedba projektorja je za uporabo najbolj varna?

Predlog:

- Najprimernejša izvedba opazovalne naprave je projektor.

Naredili bomo opazovalno napravo, ki bo projicirala sliko

Sonca.

- Opazovalna naprava bo enostavna za rokovanje in

prenašanje.

- Masa izdelka ne bo prevelika.

- Za zbiranje svetlobe s Sonca uporabimo konveksno

44

(zbiralno) lečo objektiva ali pa izdelamo preprosto camero

obscuro.

- Za izdelavo projektorja je možno uporabiti še: zbiralno

lečo okularja, razpršilno ogledalo,