9.1: Робоча модель місячних фаз

Ми розглядали місячні фази раніше; це було одним з наших перших заходів, але ми виявили, що ця модель має недоліки. Поки Місяць кругла, наша стара глиняна модель фаз була повністю рівною. Ми також зазначили, що хоча стара модель передбачала, що буде далі з місячними фазами, помітно дефіцит пояснював, як працюють фази або чому вони змінювалися так, як вони робили. Це допомогло нашим студентам визнати, що всі наукові моделі мають недоліки і місцями неповні.

Тепер настав час створити нову модель, яка враховує як форму Місяця, так і її рух, коли вона обертається навколо Землі. Наша нова модель також врахує світло. Місячні фази, очевидно, є грою сонячного світла та тіні, тому ми також включимо світло від Сонця в нашу нову модель. На перший погляд може здатися, що додавання форми, руху та ефектів віддаленого джерела світла в нашу модель зробить її занадто складною, щоб легко зрозуміти - не так! Сила хорошої наукової моделі пояснити і спростити часто сильно недооцінюється - як скоро вам покаже ваші учні!

Академічні стандарти

Наука та інженерні практики

• Розробка і використання моделей
• Аналіз та інтерпретація даних
• Побудова пояснень
• Аргумент з доказів

Наскрізні концепції

• Візерунки в природі
• Причина і наслідок
• Системи та моделі систем
• Стабільність і зміни

Наукові стандарти наступного покоління

• Космічні системи (К-5, 6-8, 9-12)
• Будова і функції (К-5, 6-8, 9-12)
• Хвилі і електромагнітне випромінювання (6-8, 9-12)
• Система Земля-Місяць (6-8, 9-12)
• Гравітація і орбіти (6-8, 9-12)

Вихователю

Факти, які потрібно знати

1. Планети і супутники знаходяться в русі. Гаразд, це здається очевидним, але наслідки того, що це означає, коли ви спостерігаєте за космосом з обертової, орбітальної платформи, не такі прості, як може здатися.
2. Додавання руху до нашої моделі системи Земля - Місяць нарешті відповість на «Як працюють фази?» питання, яке було ниття нас протягом всієї цієї книги.
3. Саме рух планет, і винахід астрономічного телескопа Галілеєм, що дозволило йому довести, що сонцецентрическая модель Коперника насправді була правильною, а орієнтована на Землю модель Аристотеля і Птолемея помилялася.

Викладання та педагогіка

Одне з найбільш глибоких і складних завдань, з якими ми стикаємося, коли починаємо навчати студентів за допомогою фізичних моделей, - це перехід від статичної моделі до динамічної. Вважайте, що багато студентів сьогодні вчаться науці з погляду на картинки в тексті або на екрані. Це досить шокує, коли людина розуміє, як мало науки, заснованої на діяльності, відбувається в більшості шкіл. Ми могли б нескінченно міркувати про причини такого стану речей, але справа в тому, що студенти (та й багато викладачів) абсолютно не знайомі з динамічними моделями.

Динамічна модель в русі часто допомагає створити чудовий «а-ха!» момент, який піднімає ідею зі сторінки і робить її частиною повсякденної реальності дитини. Знову ж таки, гра стане важливою частиною нашого навчання. Діти можуть вільно дивитися на фотографію чи відео, але мені ще належить зустріти дитину, яка грає з іграшкою, просто дивлячись на неї.

Прагнення учня підібрати модель і пограти з нею має бути задоволеним. Як вчителі, наша робота на даний момент полягає не в тому, щоб заважати дитині «грати з науковим обладнанням», а направити дитину робити корисні спостереження та відкриття під час гри. Це інша модель навчання, ніж я виріс, щоб бути впевненим, але це була потужна і ефективна педагогіка в моєму власному класі протягом багатьох десятиліть!

Студентські результати

Що відкриє студент?

1. Студенти дізнаються, як насправді працюють фази Місяця. Це не лише питання кутів та простої геометрії, але й перспективи та місця, де ви стоїте, щоб побачити космос.
2. Рух є важливою частиною будь-якої моделі сонячної системи. Поки ми не включимо рух планет, що обертаються на своїх осях і обертаються на своїх орбітах, наші моделі будуть неповними.
3. Точка зору спостерігача є критичним фактором. Фази Місяця, які ми бачимо, не є універсальним явищем, вони залежать від нашого привілейованого становища, як ми спостерігаємо з поверхні Землі. Якщо ми розглянемо супутники Марса, Юпітера або Сатурна, ми не побачимо таких фаз.

Що ваші учні дізнаються про науку?

1. Як Галілей насправді довів, що ідеї Коперника були правильними? Як будь-який вчений доводить, що їхні ідеї правильні, а старі ідеї - помилкові? Це тема, яку ми будемо продовжувати розвивати протягом всієї цієї книги!
2. Як насправді працюють фази Місяця? Який механічний процес створює їх і змушує їх змінюватися, як вони роблять? Розвідка Як це працює? питання в науці є фундаментальним. Ми, як правило, починаємо наукове дослідження з Що це? і пізніше прогрес до Як це змінюється з плином часу? Але врешті-решт, ті ниття Як це робить? питання необхідно вирішувати!
3. Наша нова модель дуже відрізняється. У ньому висувається ряд речей, які ми сприймаємо як належне, але історично не завжди були зрозумілі для мислення чоловіків і жінок. По-перше, наша модель передбачає, що Місяць насправді круглий, сферичне тіло, подібне до Землі. По-друге, це говорить про те, що Сонце є єдиним джерелом світла, і що воно світить на Землі і Місяці однаково і з однаковим ефектом (половина земної кулі завжди освітлена, половина завжди в темряві). По-третє, ця модель передбачає, що саме рух Місяця навколо Землі (і зміна кутів між Сонцем, Землею та Місяцем) спричиняє зміни місячних фаз, які ми бачимо.
4. Останнє, що ми дізнаємося про науку в цій діяльності, є найважливішим. Складаючи ці нові гіпотези про форму і рух Місяця, що впливають на місячні фази, ми фактично розробили абсолютно нову наукову модель. Наші тести показують нам щось нове, як насправді працюють фази Місяця і як їх створюють форма і орбітальний рух Місяця. Але наша модель робить щось більше — це підтверджує те, що ми вже знали. Коли ваші учні малювали місячні фази на папері, коли вони рухали свою модель Місяць навколо орбіти, вони підтвердили модель місячної фази, з якої ми почали, і підтвердили докази власних очей, коли вони дивилися вгору в небо і спостерігали зміну місячних фаз від ночі до ночі.
5. Наша нова модель навчила нас чомусь новому і підтвердила те, що ми вже відкрили. Це грандіозна розгортка і велич наукової теорії. Наукова теорія пояснює все, що ми вже знаємо про предмет. Наша теорія відповідає на старі ниючі питання, іноді питання, які спантеличували мислення чоловіків і жінок протягом століть! Наша теорія також вказує нам на шлях до нових знань і допомагає нам сформулювати нові питання, які ми навіть не знали, як задавати раніше.
6. Наукова теорія, така як та, яку ми щойно досліджували про форму та рух Місяця, що спричиняє знайомі місячні фази, часто є роботою генія та продуктом життя старанної праці та боротьби. Ми пам'ятаємо чоловіків і жінок дисципліни та генія, які розробили ці теорії і часто називаємо ці теорії на честь своїх першовідкривачів. Коли Ньютон сказав: «Якщо я бачу далі, ніж інші люди, це тому, що я стою на плечах гігантів!» , він мав на увазі тих людей науки, які прийшли до нього і зробили його роботу можливою.
7. У цей момент в моєму класі я часто запитую студентів, чи вони коли-небудь чули, як хтось каже: «Ви не знаєте, що насправді, це просто теорія! Багато з них мають, і після цієї діяльності їм легко побачити, наскільки ненаучним є це твердження насправді. Наша мета як викладачів STEM - допомогти студентам зрозуміти різницю між фактами, гіпотезами та всебічними науковими теоріями.

Проведення діяльності

Матеріали

1. Три білі м'ячі для пінг-понгу на студентську групу
2. Шість фішок для покеру на групу (ви можете замінити ковпачки для спортивного напою, якщо хочете)
3. Один комплект з 6-10 потужних магнітів (для моделі вчителя)
4. Одна трубка силіконового клею
5. Один тюбик супер клей (необов'язково)
6. Одна може плоска чорна спрей-фарба
7. Один може глянсовий жовтий спрей-фарба
8. Рулон 2» широкої малярської стрічки
9. Дерев'яна або пластикова лінійка (власне, підійде практично будь-яка міцна палиця)

Побудова моделі місячних фаз

1. Ви можете повторно використати модель Sun з Activity #20 тут.
2. [Учитель] Ваші два залишилися кульки для пінг-понгу повинні бути пофарбовані в напівчорний колір, а половина залишиться незабарвленою білою; чорна сторона буде представляти ніч, біла сторона буде денною стороною Місяця або планети. Якщо ви хочете заощадити час, ви можете повторно використовувати модель Венери з Activity #20 як модель Місяця тут. Як ми пояснили в Activity #20, існує два основних способи намалювати кулі для пінг-понгу напівчорними: по одному (дуже акуратний і точний), або партіями десятка або близько того за раз (менш точний, але економить багато часу.) Докладніші відомості див. у розділі Діяльність #20.
3. Тепер настав час прикрасити Землю і Місяць за допомогою маркерів. Є два підходи до цього, точний і творчий — ви повинні вирішити, який буде працювати краще для ваших шпильок ентів! Для точної моделі використовуйте фотографії або карти Землі і Місяця і малюйте в материках, океанах, гірських хребтах, зелених преріях, островах і т.д. можна навіть використовувати трохи білої фарби (або корекційної рідини!) щоб додати бурі та хмари до вашої моделі Землі. Місяць не матиме кольору, зробіть це все сірим і білим (краще підійдуть більш бліді відтінки). Намалюйте в марії та видатних кратерів і зробіть модель настільки точною, як ви можете! Для творчої моделі студенти малюють континенти, острови, океани будь-яким способом. Ви навіть можете змусити їх назвати свої планетні творіння. Творчий місяць може мати марії, гори, кратери і т.д. деякі супутники навіть мають океани, хоча вони не завжди наповнені водою! Для цілей нашої моделі не буде значення, який підхід ви приймете. Чужі світи з незвіданими місяцями все ще мають фази однаково, і з тих же причин, що ми маємо їх тут, на Землі з нашим Місяцем! Коли ви закінчите декорування, приклейте планети і місяці до їх основи силіконовим клеєм. Після того, як вони висохнуть (24 години!) , швидкий шар прозорого художнього ущільнювача не буде зайвим (старомодний лак лак для волосся добре працює для цього, якщо ви можете знайти його!) - це часто допомагає утримувати маркер від відриву знову на маленьких руках!
4. Тепер ваша модель готова грати і досліджувати!

Вивчення моделі місячних фаз

Тепер, коли студенти зробили свої моделі, настав час повеселитися з ними. Незважаючи на настільний масштаб цієї моделі, робота з нею є активним досвідом для студентів, і той, який допоможе їм оцінити нашу перспективу стояти на Землі і дивитися в космос по-новому. Це одне з моїх улюблених занять, захоплення, яке воно приносить молодим і старим, освіжає і заразний!

Якщо ви зробили для себе набір моделей планет для пінг-понгу, продовжуйте і прикріпіть магніти до нижньої частини основ за допомогою деякого суперклею або силіконового клею. Не використовуйте дешеві гумові магніти на холодильник, вони не підійдуть. Моделі, зроблені з цими слабкими магнітами, ковзають прямо по гладкій поверхні дошки; це засмучує вчителя і часто здається досить смішним для учня. Намагнічений набір моделей на білій дошці класу може допомогти учням позиціонувати свої моделі та зрозуміти, що їм потрібно робити; візуальна модель, яку слід дотримуватися, може бути особливо важливою для студентів ESL або студентів з особливими потребами у вашому класі.

Оскільки ця модель працює лише тоді, коли ви дивитесь на неї з правильної точки зору, ви повинні подбати про те, щоб учні розуміли, як дивитися на модель. При використанні намагнічених моделей я часто використовую велику барвисту стрілку на білій дошці (також тримається на магнітах), щоб показати учням, як саме (і з якого боку) дивитися на модель.

1. Почніть з того, що студенти розміщують Сонце, Землю та Місяць на аркуші великого будівельного паперу на столі перед ними, як показано тут. Переконайтеся, що «освітлені» сторони Землі та Місяця стикаються з Сонцем (очевидно!) а темна, неосвітлена сторона звернена в сторону. Я зазвичай задаю якесь хитре запитання: «Що ми називаємо освітленою стороною Землі, яка звернена до Сонця?» Відповідь, звичайно ж, «День», який викликає і стогони, і сміх. Це дійсно служить нагадувати студентам, що для цієї моделі є як космічна, так і пішохідна перспектива!
2. Тепер учні рухають Місяць по орбіті, нагадуючи їм, щоб освітлена сторона Місяця завжди була звернена до далекого Сонця. Де знаходяться місячні фази? Відповідь на це залежить від того, де ваше око щодо моделі! З точки зору моделі Земля і Місяць, ваше око високо над робочим столом (ваше положення перегляду) становить мільйони миль в просторі над Північним полюсом. Хоча жодна людина ніколи не була так далеко в космосі, якби ви були там, ви б також не побачили місячного циклу через місячні фази! Студенти в цей момент можуть бути трохи розчаровані, але не бійтеся, все буде розкрито на наступному кроці! Залежно від віку та витонченості ваших учнів, це може бути вдалий час, щоб нагадати їм про масштаб речей з 1000-ярдової сонячної системи (активність #18). Наша модель «бреше» про відстань між Землею і Сонцем, а також про відносний розмір Землі і Місяця, але ці маленькі неточності не вплинуть на експерименти, які ми збираємося зробити, або на правду того, про що ми дізнаємося.
3. Тепер запитайте учнів «Звідки ми бачимо Місяць?» Гаразд, ще одне хитре питання, але ми бачимо Місяць з поверхні Землі! Нехай студенти опускають очі біля моделі Землі і дивляться на Землю в бік Місяця - тепер запитайте їх, що вони бачать! Пам'ятайте, що барвиста стрілка на дошці? Ось де він вступає в гру! (Ця стрілка особливо корисна молодшим школярам.) Ваші учні побачать фазу повного місяця! Нехай вони намалюють фазу повного місяця (порожнє коло) в такому положенні, де Місяць сидить на папері, і позначити його. Ви можете побажати, щоб вони простежили коло з монеткою або спортивний напій ковпачок, щоб тримати речі акуратними.
4. Просуньте положення Місяця проти годинникової стрілки на орбіті на 45 градусів, як показано нижче, не забуваючи тримати освітлену сторону Місяця обличчям до Сонця. Нехай учні поклали очі біля Землі і ще раз поглянули на Землю в бік Місяця. Якщо вони зберегли все правильно, вони тепер побачать місячну фазу. Ще раз попросіть їх намалювати коло біля положення Місяця і затінювати і позначити фазу так, як вони її бачать.
5. Швидше за все, учні будуть набагато попереду вас зараз і зможуть продовжувати просування Місяця на 45 градусів кожного разу, потім дивитися повз Землю і малювати фазу так, як вони її бачать. У найкоротші терміни ваші учні відтворять знайому карту місячних фаз, з якої ми розпочали цю книгу в діяльності #1. Це не повторюється, натомість воно має велике педагогічне значення, як ми скоро побачимо!

Питання для обговорення

1. Чим ця нова модель відрізняється від нашої моделі місячної фази глинисто-кола?
   • Відповідь: Земля і Сонце показані в цій моделі.
   • Відповідь: Земля, Місяць і Сонце показані як круглі в цій моделі
   • Відповідь: Місяць рухається в цій моделі.
2. Що робить Сонце в нашій моделі? Чому ми включили його сюди?
   • Відповідь Модель Сонця нагадує нам, звідки береться світло, і показує нам безпосередньо, від чого воно світить.
3. Як ви думаєте, що призводить до зміни фаз Місяця, як вони роблять?
   • Відповідь Рух Місяця по орбіті навколо Землі.
   • Відповідь Зміна кута між Сонцем, Землею та Місяцем.
4. Чим ця модель відрізняється або краще, ніж наша попередня модель місячних фаз?
   • Відповідь Ця модель показує, як працюють фази, а не тільки те, що відбувається далі.
   • Відповідь Ця модель включає Землю, Місяць і Сонце, які працюють разом над створенням місячних фаз - стара модель щойно показала Місяць.
   • Відповідь Ця модель включає рух і час — це не статична модель, як малюнок або малюнок.
5. Намалюйте малюнок і використовуйте його, щоб пояснити своєму товаришу по сидінню, як працюють місячні фази!

Додаткові матеріали

Заглиблюючись

Ви можете сказати студентам «Кут між Сонцем, Землею і Місяцем створює місячні фази!» все, що ви хочете, і нехай вони вивчають діаграми в підручниках або на плакатах, але нічого, що я коли-небудь робив в класі, не було настільки потужним, як ця проста діяльність, яка допомагає студентам зрозуміти, що це рух Місяця навколо Землі і геометрія місячної орбіти в поєднанні з нашою унікальною перспективою тут, на Землі, створює місячні фази.

Якщо ви дійсно хочете перемоги в науці STEM у своєму класі, попросіть адміністратора прийти до вашої кімнати після закінчення цієї діяльності і попросити своїх студентів навчити директора, як працюють місячні фази. Ваші учні будуть раді показати свої знання та досвід своєму начальнику, а модель настільки вражає, що молоді та старі знаходять в ній захоплення.

Кожен ніби дізнається щось нове з першого разу, коли пробує це для себе. Якщо у вас є повернення до шкільної ночі або батьківської ночі у вашій школі, це простий і потужний спосіб продемонструвати захоплююче та активне навчання у вашому класі. Ця діяльність ніколи не вразить; насправді, коли я прийшов на співбесіду на посаду професора STEM освіти в моєму університеті, це урок, який я вирішив представити своєму начальнику та майбутнім колегам!

Будучи астрономом

Якщо у вас телескоп або активні стосунки з місцевим астрономічним клубом, це чудовий час для чергового погляду через окуляр. Якщо у вас немає доступу до невеликого телескопа, спробуйте переглянути фотографії Місяця з високою роздільною здатністю в Інтернеті.

Якщо вам пощастило побачити Місяць у фазі першої чверті, подивіться уздовж термінатора, що розділяє лінію між світлом і темрявою; це місце, де схід сонця відбувається на місячній поверхні і тіні найдовші і драматичні. Подивіться на тіні, які лежать всередині кратерів біля термінатора, потім поступово змітайте свій погляд в більш освітлену ділянку місячної поверхні.

Якщо ви уважно подивитеся, то побачите, що коли ви змітаєте від термінатора і на світло, тіні всередині кратерів стають меншими - це тому, що Сонце вище в небі в цих місцях! Ви насправді бачите, як змінюються тіні, коли змінюється кут Сонця на небі, і саме так працюють місячні фази! Зміна кута Сонця, що сяє на Місяці, як видно з нашої точки зору на Землі, спричиняє зміну закономірностей світла та тіні, які ми називаємо фазами Місяця.

Будучи вченим

Якщо ми уважно вивчимо нашу модель місячної фази або сфотографуємо її за допомогою мобільного телефону, ви помітите, що термінатор, лінія, яка відокремлює світло від темряви на поверхні Місяця, завжди тягнеться від одного місячного полюса до іншого.

Причина цього проста, дивлячись вниз на Місяць з висоти над місячним екватором, ми, астрономи на Землі, можемо бачити відразу обидва полюса. Коли я прошу студентів малювати фази Місяця на відкритому повітрі на уроках астрономії, я помітив щось цікаве, дуже мало студентів намалювали тінь термінатора, що тягнеться від одного полюса до іншого.

Чи можете ви переконатися в цьому цікавому факті у власних спостереженнях за Місяцем? Це не складно, все, що вам потрібно, це витратити час, щоб подивитися на Місяць неозброєним оком, або через бінокль, якщо вони у вас є. Подивіться, чи можете ви крайні кінці термінатора лежати на 180 градусів один від одного з протилежних сторін Місяця, як модель передбачає, що вони повинні зробити!

Слідуючи вгору

Місячні затемнення зустрічаються набагато частіше, ніж сонячні затемнення, і зазвичай набагато легше помітити! Якщо у вас і ваших учнів є можливість спостерігати місячне затемнення, ви побачите зовсім інший тип руху тіні по поверхні Місяця.

Місячні фази відбуваються тому, що ми можемо бачити як освітлену (денну) сторону Місяця, так і темну сторону (ніч) одночасно. Під час нормальних фаз - на Місяці немає тіні - ми просто бачимо і вдень, і вночі одночасно.

Затемнення бувають різними — тут Місяць рухається в тінь Землі і немає зв'язку з денною і нічною сторонами самої Місяця. В результаті тінь Землі не тягнеться від полюса до полюса, як це робить місячний термінатор. Це доводить, що затемнення - зовсім інше явище, ніж звичайні фази Місяця.

Чи можете ви зробити ретельні замальовки або сфотографувати Місяць під час місячного затемнення, які доводять цю гіпотезу?