XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Черная дыра-загадка Вселенной. Черная дыра в коде

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Юшин М.В. 1

---

1МОУ Раменская СОШ 21 с УИОП

Ющенко О.В. 1

---

1МОУ Раменская СОШ 21 с УИОП

Работа в формате PDF

422.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Случайно, в Интернете,узнал о существовании «Чёрных дыр». Заинтересовался вопросами что же такое «Чёрная дыра», каковы её свойства и как она образуется? Мне захотелось свое представление о «Чёрной дыре» реализовать возможностями библиотеки Graph на языке Python.

Многие неправильно представляют себе, что такое «Чёрные дыры». Это огромные объекты Вселенной, по сравнению с которыми наша Планета – песчинка в бесконечной пустыне.

Тема «Черных дыр» является одной из самых актуальных тем современной астрономии, астрофизики и космологии, потому что эти объекты помогают лучше понять устройство Вселенной, с момента большого взрыва по сегодняшний день и позволяют понять, что же будет с нашей Вселенной через некоторый временно промежуток.

Цель проекта состоит в том, чтобы понять, что такое «Чёрная дыра», какими свойствами она обладает, как образуется и создать собственную картинку «Чёрной дыры» возможностями языка Python. Проект метапредметный, он связан не только с астрономией, но и информатикой.

Задачи:

• Отобрать и проанализировать литературу по теме;

• Провести опрос среди одноклассников, выявляющих их знания и осведомленность в явлении черных дыр;

• Найти ответ на вопрос: что такое чёрная дыра, её свойства, виды;

• Рассмотреть язык программирования Python, как средство для создания графических изображений, изучить этапы создания графических изображений.

• Изучить модули языка Python, создающие графику;

• Создать программу построения графического рисунка с помощью библиотеки Graph;

• Обобщить полученные результаты и сделать выводы.

Объект исследования: Черные дыры как астрофизический объект и элемент научной фантастики, возможности языка Python.

Методы исследования:

• Анализ различных источников литературы;

• Систематизация и обобщение данных.

Практическая значимость проекта заключается в том, что данный проект может подтолкнуть учеников 9 класса на дальнейшее изучение процесса создания графических изображений с помощью программного кода, на изучение языков программирования, возможностей библиотеки Graph.

Планируемые результаты: познакомиться с основными свойствами «Черной дыры», их классификацией, выяснить уровень владения информацией о «Черных дырах» обучающимися 9 классов, реализовать собственное представление о «Черной дыре» средствами языка программирования Python.

Краткий обзор литературы:

1. Из пособия К.Ю. Полякова «Программирование. Python. C++» почерпнул знания о языке программирования Python.

2. Прочитав статью «Наука. Величайшие теории. Ньютон, закон всемирного тяготения.» узнал, узнал о теории существования «Черных дыр».

3. Из Википедии узнал про классификацию и возникновение «Черных дыр».

Личный вклад состоит в изучении возможностей языка программирования Python, реализация собственного представления о «Черной дыре» средствами библиотеки Graph.

1.Теоретическая часть

Понятие «Черной дыры».

Термин «Черная дыра» появился в двадцатом веке. Его придумал американский ученый Джон Уиллер.

Исаак Ньютон, считал, что свет состоит из частиц. Значит, он обладает массой и на него действует гравитация. Исходя из этого, английский астроном Джон Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь громадные звезды, что луч света не способен покинуть их поверхность. Альберт Эйнштейн аналитически доказал возможность существования «Черных дыр».

В 1934 году американские  физики  выдвинули гипотезу о угасании звезды. И в 1939 году доказали что: «Черная дыра все поглощает и ничего не выпускает!»

Главный вопрос, который вызывает интерес в проблеме чёрных дыр, это стремление узнать, где находятся они могут находиться. «Чёрные дыры» разбросаны по всей Вселенной. «Чёрная дыра» может образоваться в любом месте, в том числе и рядом с Солнечной системой.

«Чёрная дыра» — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой столь велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Граница черной дыры называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационным радиусом.

В конце жизни звезда начинает сжиматься к центру за счет потери внутреннего давления. Перейдя определенную границу - радиус Шварцшильда, ее плотность становится такой огромной, что она продолжает сжатие и его ничто не сможет остановить. В результате получается объект с огромной массой и плотностью.

«Черные дыры» образуются в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, превышающей массу Солнца в сотни и тысячи раз, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил.

Р
ис.1. Строение «Чёрной дыры».

Множество наблюдений свидетельствуют о реальном существовании «Черных дыр» во Вселенной. Одним из способов поиска черной дыры, является нахождение областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве.

Астрономы считают, что супермассивная «Черная дыра» может существовать

также в центре нашей галактики Млечный Путь.

Р
ис. 2. Массивная «Черная дыра» поглощает звезду.

Разновидности «Чёрных дыр».

С астрофизической точки зрения, обнаруженные «Черные дыры» подразделяются на две категории:

первый тип - это «Черные дыры», образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие огромной массой. Поскольку «Черные дыры» кажутся нам, в действительности, черными, наблюдать их очень сложно. Если посчастливится, мы увидим шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Сначала у нас есть обычная двойная звезда, затем одна из звезд, в результате гравитационного коллапса, превращается в «Черную дыру». Затем «Черная дыра» начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды;

второй тип - это огромные «Черные дыры» в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Падая на такие «Черные дыры», вещество разогревается и испускает излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и наблюдаем. Возможно, что все крупные галактики, включая и нашу, имеют в центре свою «Черную дыру».

Согласно теории Эйнштейна «Черная дыра» представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в «Черной дыре» навеки.

Р
ис. 3. Гравитационные воронки- искривление пространства-времени.

Современная астрофизика рассматривает четыре типа «Черных дыр» во Вселенной: звездные, сверхмассивные, первичные и квантовые.

Звездные «Черные дыры».

Это «Черные дыры» со звездными массами. Они возникают как результат жизни массивных звезд. «Черные дыры» образуются из звезд, масса которых превышает массу Солнца в 20-40 раз.

Другой вариант образования звездной «Черной дыры» —аккреция газа. Газ «падает» на нейтронную звезду до тех пор, пока масса звезды не превзойдет максимально возможную массу для нейтронных звезд. В этом случае нейтронная звезда коллапсирует в маломассивную «Черную дыру».

Сверхмассивные «Черные дыры».

Такие «Черные дыры» находятся в центрах галактик. Их масса может составлять до 10⁹ степени масс Солнца. Существует гипотеза, по которой сверхмассивные «Черные дыры» находятся в центрах квазаров – малоизученных и далеких космических объектов, которые можно наблюдать с Земли. Квазары представляют собой ядра галактик и в своем центре имеют «Черную дыру». Квазары обладают невероятно сильной светимостью и малыми размерами, их можно наблюдать на расстоянии в 10 млрд световых лет.

Первичные или реликтовые «Черные дыры».

Самые маленькие «Черные дыры» образовывались на ранних стадиях развития Вселенной. Появившиеся вследствие неоднородности Большого Взрыва сгустки вещества сжимались до состояния «Черных дыр», пока остальная часть вещества расширялась.

Однако, «Черная дыра» — это не всегда что-то очень большое и тяжелое. Ученые предполагают, что размер некоторых первичных «Черных дыр» может быть значительно меньше размера протона.

1. 1. 1. Квантовые «Черные дыры».

В результате ядерных реакций возникают устойчивые микроскопические «Чёрные дыры» - квантовые «Чёрные дыры». Спектр масс таких «Чёрных дыр» конечен и существует минимальная «Чёрная дыра» — планковская «Чёрная дыра».

Время существования «Черных дыр» очень мало и это делает их обнаружение, практически, невозможным.

2. Практическая часть

Один из самых популярных современных языков программирования называется Python. Его придумал в 1991 году нидерландский программист Гвидо ван Россум: «Я никогда не задумывал Python как основной язык для программистов, однако для многих его пользователей он стал основным языком.»

Python — высокоуровневый язык программирования общего азначения с динамической строгой типизацией и автоматическим управлением памятью, ориентированный на повышение производительности разработчика, читаемости кода и его качества, а также на обеспечение переносимости написанных на нём программ. Язык является полностью объектно-ориентированным. Особенностью языка является выделение блоков кода пробельными отступам. Синтаксис ядра языка минималистичен. Язык известен как интерпретируемый и используется в так же для написания скриптов. Недостатками языка являются более низкая скорость работы и более высокое потребление памяти по сравнению с такими языками, как C или C++.

Язык Python прост, но обладает огромными возможностями, которые могут применяться в самых разных областях. На Python можно программировать игры и веб-сайты, обрабатывать большие данные, решать графические задачи и задачи искусственного интеллекта.

Рассмотрим возможности языка Python по созданию графических изображений. Раздел информатики, связанный с построением и обработкой рисунков на компьютере, называется компьютерной графикой. Многие умеют создавать изображения в графических редакторах. Мы же создадим программный код, который рисует без нашего участия, автоматически.

Обычные программы на языке Python вводят и выводят текст в окно, где невозможно рисовать. Для создания графических изображений дополнительно применяются библиотеки (набор готовых функций и команд).

Одной из библиотек, позволяющих работать с графикой является Graph.

C помощью нее будем строить простые изображения в отдельном окне. Библиотека Graph состоит из одного файла graph.ru. Такой файл, содержащий функции, в Python называется модулем.

Ключом к открытию библиотеки Graph является набор из двух основных команд: from graph import* и run (). Первая строка переводится с английского как «из graph импортировать *». Импортировать – значит подключить к программе, знак * означает «все функции». Получается, что первая строка программы подключает к нашей программе все возможности модуля graph.

Вторая строка – run () – запускает рисование и открывает графическое окно. Это уже является вызовом функции run из модуля graph. Такая команда должна всегда завершать программу, использующую модуль для работы с графикой.

При запуске этой программы откроется пустое окно с белым фоном. На нем можно рисовать, управляя каждым пикселем. Этим мы и будем заниматься.

Поле для рисования в графических программах называется холстом. Размер холста совпадает с размером графического окна.

Холст – это прямоугольник, состоящих из отдельных пикселей. Каждый пиксель имеет две координаты (x, y). В отличие от привычной нам (математической) системы координат, здесь ось 0Y направлена не вверх, а вниз. С помощью различных функций из библиотеки можно создавать фигуры.

Для построения линии существует функция line (x1, y1, x2, y2). Функции передаются 4 аргумента: сначала координаты первого конца отрезка, затем – координаты второго конца. Существует также команда polygon. Она строит ломаную линию по точкам. Координаты точек перечисляются через запятую в квадратных скобках, координаты каждой точки сгруппированы в круглые скобки.

У пикселей, которыми мы управляем в ходе программы, можно менять цвет. Так, например, мы можем сделать заливку фигуры. Это можно задать функцией brushColor (“”). В скобочках указываем нужный цвет на английском языке или в шестнадцатеричном коде.

Нарисовать окружность можно с помощью команды circle: первые два аргумента – это координаты ее центра, а третий – радиус окружности.

Разобравшись с базовыми функциями, приступим к написанию более сложной программы. В качестве продукта будет представлена иллюстрация «Черной дыры».

Программа для создания кода займет много места, поэтому покажу только отрывки из неё.

Ход работы:

1. Задаю границы изображения

2. Создаю рисунок из ломаных, многоугольников и линий

3. Используя функцию Circle для завершения декорирования

А теперь, представляю вашему вниманию конечный результат работы. Это мое представление о том, как выглядит «Черная дыра».

3. Анкетирование

В процессе работы над проектом, меня посетила мысль, проверить, насколько интересна эта тема моим одноклассникам. Есть ли среди них фанаты астрономии и программирования? Хотят ли они разобраться в одном из самых загадочных явлений…

Был проведен опрос среди одноклассников и выяснено, что большинство из них не знает, что такое «Чёрные дыры», но не прочь познакомиться с этим явлением. Было опрошено 34 человека. В анкете содержалось три вопроса, из ответов на которые стало ясно, что 85 % учащихся 8 классов интересно разобраться в таком явлении, как «Чёрные дыры».

Предложено ответить на следующие вопросы:

Вопрос 1: Интересуетесь ли Вы космосом (смотрите телепередачи, читаете книги или статьи)?

а) да, данная тема мне интересна;

б) нет, мне это не нравится;

в) иногда читаю материалы по теме.

По результатам опроса - 24 ученикам данная тема интересна, не интересуются космосом 3 человека из класса, 7 ученика иногда интересуются темой космоса.

Вопрос 2: Знакомо Вам понятие «Черная дыра»?

а) да;

б) нет, но интересно познакомиться с темой;

в) нет.

По результатам опроса - 23 ученикам понятие «Черная дыра» знакомо и не знакомы с указанным понятием 11 человек, 8 учеников хотели бы узнать про «Черную дыру».

Вопрос 3: Хотели бы Вы узнать про самые загадочные объекты во Вселенной – «Черные дыры»?

а) хотел;

б) не хотел.

По результатам опроса - 27 ученика хотели бы узнать про «Черные дыры» в космосе и 7 человек не интересуются данной темой.

На основании проведенного исследования были сделаны следующие выводы:

- одноклассники проявляют интерес к космологии, им интересно было бы узнать про «Черные дыры»;

• небольшому числу девятиклассников был не знаком вышеуказанный термин.

Мои исследования и проект дают возможность убедиться в актуальности материала. И главное, не осталось сомнений в том, что подросткам возраста 14 — 15 лет, интересно узнавать про странные и загадочные объекты в космосе, такие, как «Черные дыры».

Заключение

В ходе работы над проектом была достигнута поставленная цель, которая заключалась в создании графического изображения и изучении понятия «Черная дыра».

Для реализации поставленной цели были достигнуты задачи:

• Отобрать и проанализировать литературу по теме;

• Провести опрос среди одноклассников, выявляющих их знания и осведомленность в явлении черных дыр;

• Найти ответ на вопрос: что такое чёрная дыра, её свойства, виды;

• Рассмотреть язык программирования Python, как средство для создания графических изображений, а также изучить этапы создания графических изображений.

• Изучить модули языка Python, создающие графику;

• Создать программу построения графического рисунка с помощью библиотеки Graph;

• Обобщить полученные результаты и сделать выводы.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что «Черная дыра» - это тот объект Вселенной, который окончательно еще не изучен. «Черные дыры», несомненно, самые загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. «Черные дыры» образуются из ядер супер-массивных звезд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточена в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Эта та область пространства, где вторая космическая скорость превышает скорость света. И чем массивнее объект движения, тем быстрее он должен двигаться, чтобы избавиться от силы своей тяжести.

Распространенный миф о «Черных дырах» говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют как массивные звезды.

Была разработана программа, иллюстрирующая мое представление о «Черной дыре», разобраны некоторые функции и рассмотрены особенности программирования на языке Python, библиотека Graph.

Подводя итоги работы, приведу в пример следующее высказывание:

«Если вы дадите человеку программу, то займете его на один день. Если вы научите человека программировать, то займете его на всю жизнь.»

Waseem Latif

Список использованной литературы

1. Bernard J. Carr and Steven B. Giddings: Quantum Black Holes May. – Scientific American, 2005.

2. S. Hawking. Black holes and baby universes. – New York: Bantam books, 1994.

3. Википедия.

4. Наука. Величайшие теории. Ньютон, закон всемирного тяготения. – Москва: Де Агостини, 2015.

5. Наука. Величайшие теории. Эйнштейн, теория относительности. – Москва: Де Агостини, 2015.

6. К.Ю. Поляков. Программирование. Python. C++.

7. http://elementy.ru

8. http://www.astronet.ru

9. http://tarefer.ru

10. https://www.python.org/

11. https://timeweb.com/ru/community/articles/chto-takoe-python/