Teresa Pawlik
Nauczycielka fizyki w XV Liceum Profilowanym w Warszawie.

TEMAT
Badanie wpływu atmosfery na temperaturę planety. Efekt cieplarniany w programie KOCYK

ZAKRES NAUCZANIA
rozszerzony

PROGRAM
KOCYK
Program ten pozwala przeprowadzać symulacje zachowania uproszczonego układu, będącego modelem ogrzewanej przez Słońce Ziemi i jej atmosfery. Pozwala również przeprowadzić bilans cieplny planety oświetlanej przez gwiazdę. Uczniowie mogą sprawdzić jak zmienia się temperatura planety, zależnie od zmian właściwości gwiazdy lub atmosfery.

FORMY PRACY
Praca na lekcji w pracowni komputerowej, w dwuosobowych zespołach. 

CELE LEKCJI
Celem lekcji jest, aby uczeń:

• wiedział, jak temperatura gwiazdy wpływa na temperaturę planety
• umiał opisać zależność temperatury powierzchni planety od temperatury powierzchni gwiazdy bez atmosfery
• umiał opisać zależność temperatury powierzchni planety od temperatury powierzchni gwiazdy w obecności atmosfery
• potrafił porównać zmiany temperatury planety w obecności atmosfery i bez niej
• zaobserwował wpływ atmosfery na zmianę temperatury planety.

POZIOM WIEDZY WSTĘPNEJ
Uczeń:

• potrafi omówić skład i budowę atmosfery
• zna pochłaniające i odbijające właściwości atmosfery
• wie, na czym polega zjawisko efektu cieplarnianego
• zna główne źródła zanieczyszczenia atmosfery i ich wpływ na atmosferę jak również na życie na Ziemi
• zna i rozumie pojęcie bilansu cieplnego
• wie, na czym polega równowaga termodynamiczna
• powinien umieć posługiwać się programem komputerowym Panda.

PRZEBIEG LEKCJI

1. Powtórzenie wiadomości z lekcji poprzednich, w szczególności dotyczących opisu zjawiska efektu cieplarnianego.
2. Nauczyciel podaje temat lekcji, omawia możliwości programu Kocyk.
3. Nauczyciel przydziela uczniów do poszczególnych stanowisk komputerowych i rozdaje uczniom Karty pracy ucznia, służące jako materiał do ćwiczeń..

KARTA PRACY UCZNIA

Ćwiczenie 1. Badanie zależności temperatury planety od temperatury gwiazdy bez atmosfery.

1. Brak atmosfery zrealizuj w następujący sposób:
   1. w zakładce “widmo odbicia” ustaw wszystkie suwaki w położeniu 0 %.
   2. w zakładce “widmo pochłaniania” ustaw wszystkie suwaki w położeniu 0 %.
2. Temperaturę powierzchni gwiazdy zmieniaj suwakiem w zakresie od 2000 K do 20000 K co 3000 K.
3. Obserwuj zmiany temperatury powierzchni planety oraz widmo promieniowania gwiazdy i planety.
4. W tabeli 1 zapisz temperaturę gwiazdy i temperaturę planety.

Tabela 1.

5. Wykonaj wykres zależności Tp(Tg).
6. Jak zmiana temperatury gwiazdy wpływa na temperaturę planety?
7. Co możesz powiedzieć o długości fali promieniowania gwiazdy i planety w zależności od temperatury gwiazdy?

Ćwiczenie 2. Badanie zależności temperatury planety od temperatury gwiazdy w obecności atmosfery.

1. W zakładce “widmo odbicia” ustaw wszystkie suwaki w położeniu 0 %.
2. W zakładce “ widmo pochłaniania” ustaw suwaki w następujących położeniach:
   • 1- suwak- …. %,
   • 2- suwak- …. %,
   • 3- suwak- …. %,
   • 4- suwak- …. %,
   • 5- suwak- …. %,
   • 6- suwak- …. %,
   • 7- suwak- …. %,
3. Temperaturę powierzchni gwiazdy zmieniaj co 3000 K w zakresie od 2000 K do 20000 K.
4. Obserwuj zmiany temperatury powierzchni planety.
5. W tabeli 2 zapisz temperaturę gwiazdy i temperaturę planety.

Tabela 2.

6. Wyniki przenieś do programu Panda.
7. Wykonaj wykres zależności Tp(Tg).
8. Jak zmiana temperatury gwiazdy wpływa na temperaturę planety?
9. Porównaj zmiany temperatury powierzchni planety w zależności od temperatury powierzchni gwiazdy w obecności atmosfery i bez niej.

SPODZIEWANE EFEKTY:
Ćwiczenie 1.
Badanie zależności temperatury planety od temperatury gwiazdy bez atmosfery.

Ad.4 Tabela 1.

Ad.5 Wykres zależności Tp (Tg)

Odpowiedzi na pytania:
Ad.6 Temperatura planety wzrasta wprost proporcjonalnie do temperatury gwiazdy.
Ad.7 Wraz ze wzrostem temperatury gwiazdy maleje długość fali promieniowania gwiazdy i planety zgodnie z prawem Wiena. (λ_max * T = const 2,897*10^-3 m*K)

Ćwiczenie 2. A
W zakładce “widmo pochłaniania” suwaki ustawiono w następujących położeniach:

• 1-suwak- 20 %,
• 2-suwak- 70 %,
• 3-suwak- 85 %,
• 4-suwak- 70 %,
• 5-suwak- 10 %,
• 6-suwak- 25 %,
• 7-suwak- 35 %.

Ad.5 Tabela 2.A

Ad.7 Wykres zależności Tp (Tg)

Ćwiczenie 2. B
W zakładce “widmo pochłaniania” suwaki ustawiono w następujących położeniach:

• 1-suwak- 60 %,
• 2-suwak- 90 %,
• 3-suwak- 85 %,
• 4-suwak- 75 %,
• 5-suwak- 0 %,
• 6-suwak- 0 %,
• 7-suwak- 0 %.

Tabela 2B.

Wykres zależności Tp (Tg)

Ćwiczenie 2.C

W zakładce “widmo pochłaniania” suwaki ustawiono w następujących położeniach:

• 1-suwak- 0 %,
• 2-suwak- 0 %,
• 3-suwak- 0 %,
• 4-suwak- 0 %,
• 5-suwak- 0 %,
• 6-suwak- 90 %,
• 7-suwak- 80 %.

Tabela 2C.

Wykres zależności Tp (Tg)

Odpowiedzi na pytania:
Ad.8 Temperatura powierzchni planety rośnie ze wzrostem temperatury powierzchni gwiazdy. Wzrost temperatury planety w zależności od temperatury gwiazdy w obecności atmosfery nie jest liniowy.
Ad.9 Temperatura planety wzrasta ze wzrostem temperatury gwiazdy. W obecności atmosfery temperatura planety jest wyższa lub niższa niż bez niej, zależy to od widma pochłaniania atmosfery. Jeżeli atmosfera pochłania promieniowanie w zakresie podczerwieni, to temperatura planety jest wyższa niż temperatura bez atmosfery. Planeta wypromieniowuje podczerwień, atmosfera ją pochłania i reemituje – połowę w stronę ku planecie, drugą połowę w stronę od planety. Dzięki temu uzyskiwany jest stan równowagi między promieniowaniem planety i atmosfery przy temperaturze wyższej niż bez atmosfery. Takie ogrzewanie planety nazywamy efektem cieplarnianym.
Jeśli atmosfera pochłania promieniowanie w zakresie ultrafioletu, to temperatura planety jest niższa niż bez atmosfery. Gwiazda promieniuje promieniowanie nadfioletowe i jeżeli atmosfera je pochłania to promieniowanie to nie dochodzi do powierzchni planety i nic dziwnego, że temperatura jej jest niższa niż bez atmosfery.

PRACA DOMOWA
Jeśli karta pracy została wypełniona podczas lekcji, uczeń w domu sporządza notatkę w zeszycie. Udziela odpowiedzi na pytania zadane w karcie pracy. Wyciąga wnioski.

UWAGI DOTYCZĄCE REALIZACJI LEKCJI

• Lekcja może być przeprowadzona w pracowni komputerowej lub jako praca domowa.
• W ćwiczeniu 2 nauczyciel wpisuje dla każdego uczenia w karcie pracy inne parametry pochłaniania atmosfery.
• Na zakończenie lekcji następuje porównanie wyników - dyskusja.
• Wskazane jest zestawienie wyników pomiarów uzyskanych w ćwiczeniach 1 i 2 w postaci tabelki i wykresów w Excelu (zobacz poniżej).