XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ворота в неизвестность

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кипчинец Б.А. 1

---

1КГУ «Средняя общеобразовательная школа инновационного типа имени Ахмет Байтұрсынұлы города Павлодара»

Филонова А.В. 1

---

1Казахстан, г. Павлодар, КГУ "СОШ инновационного типа имени А. Байтурсынова города Павлодара"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

«Черные дыры учат нас смирению. Мы мало что знаем о

них, но именно это незнание делает их такими притягательными»

Карл Саган

Введение

В моей домашней библиотеке имеется очень много энциклопедий про космос и нашу Вселенную. Я очень люблю их читать. Но особое внимание я уделяю изучению одного из самых загадочных и удивительных явлений в космосе – черные дыры. Черные дыры привлекают не только мое внимание, но и внимание ученых и астрономов всего мира, потому что они отличаются от всех остальных объектов во Вселенной.

Черные дыры – это особые области в космосе, которые обладают настолько сильной гравитацией, что даже свет не может вырваться из них. Представьте себе, что это как гигантская воронка, притягивающая все вокруг, но при этом остающаяся невидимой. Такие свойства делают черные дыры очень интересными для изучения.

Эти загадочные объекты образуются, когда очень большие звезды заканчивают свою жизнь. В результате сложных процессов внутри звезды происходит ее коллапс, и она превращается в черную дыру. Это захватывающий процесс, который помогает нам лучше понять, как устроена Вселенная.

Но почему же черные дыры такие интересные? Дело в том, что они являются одними из немногих объектов во Вселенной, которые не подчиняются обычным законам физики, которые мы знаем и понимаем. Исследуя черные дыры, ученые пытаются разгадать тайны не только этих объектов, но и всей Вселенной. Например, изучение черных дыр может помочь нам понять, как работает гравитация на экстремальных уровнях, и возможно, даже дать ответы на вопросы о происхождении и будущем Вселенной.

Актуальность

В научных сообществах не угасают споры о природе происхождения черных дыр, о теориях, связанных с ними и о гипотезе существования кротовых нор –своеобразных «туннелей» в пространственно-временном континууме.

Если в будущем Земля станет непригодной для жизни, то людям придется искать новые миры. Чтобы добраться до них, может потребоваться пройти через черные дыры или червоточины. Поэтому изучение строения черных дыр может стать ключом к межзвездным путешествиям и выживанию человечества.

Кроме того, черные дыры – это объекты, которые стимулируют воображение и интерес к загадкам Вселенной. Они учат нас тому, что еще много неизвестного остается в космосе, и побуждают задуматься о том какие удивительные явления могут скрываться за горизонтом событий.

Объект исследования: Влияние черных дыр на космос

Предмет исследования: Черные дыры

Гипотеза

Если исследовать, как работает механизм черной дыры, то это поможет подтвердить, то, что в космосе есть места с очень сильным гравитационным притяжением.

Цели исследования

1. Узнать о природе возникновения Черных тоннелей.

2. Изучить строение и механизм работы в космосе «Черной дыры».

3. Создать макет «Черной дыры».

4. Составить буклет на тему «Алгоритм сборки макета Черной дыры»

Задачи исследования

1. Изучить строение и механизм работы черной дыры, а также узнать какие процессы происходят внутри черной дыры в космосе.

2. Провести анкетирование среди учащихся 2-ых классов на тему

«Что мы знаем о строении и механизме работы черных дыр в Космосе»

3. Создать макет «Черная дыра»

4. Презентовать среди учеников 2-ых классов проект «Черная дыра».

3. Разработать буклет на тему «Алгоритм сборки макета Черной дыры»

Этапы работы

1.Чтение и изучение литературы. Для начала я изучил информацию о чёрных дырах из детских книг по астрономии, энциклопедий, а также из проверенных интернет-ресурсов. Это помогло мне понять, что такое чёрные дыры и почему они важны для учёных.

2. Наблюдение. Я рассмотрел иллюстрации и фотографии, сделанные с помощью телескопов, которые показывают чёрные дыры и их влияние на окружающие объекты, такие как звёзды и газовые облака. Также я изучил изображения, показывающие эффекты, которые создают чёрные дыры, например, искривление света.

3. Для изучения актуальности моего проекта, провел опрос (анкетирование) учеников 2-ых классов на тему «Что мы знаем о строении и механизме работы черных дыр в Космосе»

4. Моделирование. Для того чтобы лучше понять, как чёрные дыры влияют на объекты вокруг себя, я создал макет. Например, с помощью ткани и шариков я показал, как гравитация чёрной дыры искривляет пространство и притягивает другие объекты.

4. Создание буклета. «Алгоритм построения и механизм работы черных дыр в Космосе»

5. Презентация среди учеников 2-ых классов проекта «Черная дыра».

6. Повторное анкетирование учеников 2- ых классов на тему «Что мы знаем о строении и механизме работы черных дыр в Космосе»

7 Обсуждение и анализ. После проведения экспериментов было обсуждение результатов и были сделаны выводы. Я проанализировал, как мои модели и эксперименты помогают объяснить поведение чёрных дыр и их влияние на окружающее пространство. Провести планирование на перспективу.

II ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

Глава 1: Что такое черные дыры.

Черные дыры — это одни из самых удивительных и таинственных объектов во Вселенной. Представьте себе место в космосе, где сила гравитации настолько велика, что ничто, даже свет, не может покинуть его пределы. Это и есть черная дыра. Черные дыры не излучают свет и кажутся "невидимыми", но они обладают колоссальной силой притяжения, которая влияет на всё, что находится поблизости.

Черная дыра возникает там, где гравитация побеждает все другие силы. Она буквально "захватывает" всё, что к ней приближается, включая свет, поэтому её невозможно увидеть напрямую. Однако учёные могут обнаружить черные дыры по их воздействию на окружающее пространство и объекты. Например, если звезда находится рядом с черной дырой, её движение будет изменено из-за мощного гравитационного поля черной дыры. Это позволяет учёным "увидеть" черные дыры косвенно — через наблюдения за тем, как они влияют на другие объекты.

Черные дыры часто представляются как гигантские "пылесосы", которые всасывают всё на своём пути. Однако это не совсем так. Черная дыра действительно обладает мощным притяжением, но она не втягивает объекты издалека. Если что-то не пересекает границу, называемую горизонтом событий, оно не будет втянуто в черную дыру. В этом смысле черная дыра ведёт себя как любая другая массивная звезда или планета, но с гораздо большей гравитацией.

Чтобы понять, как образуются черные дыры, сначала нужно разобраться с понятием гравитации. Гравитация — это основная сила природы, которая притягивает объекты друг к другу. Всё, что имеет массу, обладает гравитацией. Например, Земля притягивает к себе нас и все объекты на её поверхности. Чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитационное притяжение.

Глава 2: Как ученые находят черные дыры.

Черные дыры — это объекты, которые не излучают свет, и их невозможно увидеть с помощью обычных телескопов. Однако ученые все равно могут обнаружить их присутствие в космосе. Даже если мы не можем увидеть саму черную дыру, мы можем увидеть, как она влияет на другие объекты, такие как звезды, газовые облака или даже свет.

Одним из ключевых способов, как ученые находят черные дыры, является наблюдение за движением звезд и газа вблизи предполагаемой черной дыры.

Черные дыры разбросаны по всей Вселенной, от нашей галактики Млечный Путь до самых отдаленных уголков космоса. Они могут находиться в различных местах: от центров галактик до одиночных регионов космического пространства, где когда-то существовали массивные звезды. Существуют черные дыры разных размеров, и их расположение зависит от их происхождения и массы.

Сверхмассивные черные дыры, например, находятся в центрах большинства галактик, включая нашу. Эти черные дыры могут иметь массу в миллионы или даже миллиарды раз больше массы нашего Солнца.

Самая близкая к нам черная дыра, которая была обнаружена, находится на расстоянии около 1,000 световых лет от Земли.

Самые известные черные дыры во Вселенной:

1. Стрелец A

2. Cygnus X-1

3. M87

4. Гравитационная волна GW150914:

5. Чёрная дыра в системе V404 Cygni

Одним из самых значимых достижений стало получение первого изображения горизонта событий сверхмассивной черной дыры в галактике, находящейся на расстоянии около 55 миллионов световых лет от Земли. Этот исторический снимок был сделан в апреле 2019 года в рамках международного проекта Event Horizon Telescope (EHT).

В январе 2025 года учёные сообщили об обнаружении ближайшей к Земле чёрной дыры. Она расположена в созвездии Змеи и является частью двойной звёздной системы. Масса этой чёрной дыры в 10 раз превышает массу Солнца.

Существуют мифы о Черных дырах.

Миф 1: Черные дыры — это гигантские космические пылесосы, которые поглощают всё на своем пути.

Этот образ часто используется в фильмах и книгах, где черные дыры изображаются как безжалостные уничтожители миров.

Миф 2: Черные дыры могут перемещаться по космосу и захватывать планеты и звезды.

Этот миф усиливается сюжетами научной фантастики, где черные дыры выступают в роли агрессивных и непредсказуемых сил.

Миф 3: Попав в черную дыру, можно путешествовать в другое измерение или параллельную вселенную.

Миф о том, что черные дыры могут служить "порталами" в другие измерения или параллельные вселенные, стал особенно популярен благодаря фильмам и книгам в жанре научной фантастики.

Миф 4: Черные дыры могут расти бесконечно и поглотить всю Вселенную.

Миф 5: если бы Земля стала черной дырой, она бы поглотила всю Солнечную систему.

Правда о мифе 1: Черные дыры — это не "космические пылесосы". Черные дыры действительно обладают мощной гравитацией, но они не всасывают всё на своём пути. Гравитация черной дыры действует так же, как и у любого другого массивного объекта, например, звезды или планеты. Черная дыра притягивает только те объекты, которые оказываются слишком близко и пересекают горизонт событий, но не оказывает "всасывающего" действия на отдаленные объекты.

Правда о мифе 2: Черные дыры не "охотятся" за звездами и планетами. Черные дыры, как и все другие космические объекты, следуют законам гравитации и движения. Они не могут свободно перемещаться по космосу, захватывая звезды и планеты. Черная дыра не способна "выскочить" на Землю или любую другую планету и уничтожить её.

Правда о мифе 3: Черные дыры — не порталы в другие измерения. Хотя идея о том, что черные дыры могут служить "порталами" в другие. вселенные, популярна в научной фантастике, на сегодняшний день нет научных доказательств, подтверждающих это.

Правда о мифе 4: Черные дыры не могут поглотить всю Вселенную.

Вселенная слишком велика, чтобы быть поглощенной одной или даже множеством черных дыр.

Правда о мифе 5: Черная дыра с массой Земли не поглотит Солнечную систему. Если бы Земля каким-то образом стала черной дырой, её масса осталась бы той же самой, но она бы сжалась до размера меньше сантиметра.

Глава 3: Что происходит внутри черной дыры.

Попадание в черную дыру — это одна из самых захватывающих и пугающих перспектив во Вселенной. Но что же на самом деле происходит, если какой-либо объект, например, звезда, космический корабль или даже человек, попадает в черную дыру?

Когда объект приближается к черной дыре, он начинает испытывать всё более сильное гравитационное притяжение. Чем ближе объект подбирается к черной дыре, тем сильнее на него действует гравитация. Если бы вы могли наблюдать за этим со стороны, то увидели бы, что объект начинает ускоряться по мере приближения к черной дыре, а его форма искажается из-за неравномерного притяжения — эта деформация известна как "приливные силы".

Если космонавт летит к черной дыре ногами вперед, гравитация у его ног будет намного сильнее, чем у головы. Это приводит к тому, что космонавт будет вытягиваться в длинную тонкую линию — процесс, который в научных кругах называют "спагеттификация". В конечном итоге объект будет растянут до такой степени, что его структура разрушится, и он будет разорван на атомы.

Черные дыры — это одни из самых таинственных и загадочных объектов во Вселенной.

В будущем ученые надеются сделать несколько значимых открытий, которые помогут разгадать ещё больше тайн Вселенной.

III ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Глава 4: Диагностика и анкетирование.

Чтобы понять насколько, моя тема интересна другим, провел анкетирование на тему «Что мы знаем о строении и механизме работы черных дыр в Космосе»

Хотелось узнать имеют ли дети ключевые понятия о черных дырах, их природе и методах изучения.

Дети ответили на вопросы анкеты.

1. На какой картинке изображена черная дыра?

а) б) в)

2. Что такое черная дыра?

а) Звезда, которая светит ярче всех.

б) Огромный метеорит, летящий по космосу.

в) Область пространства с очень сильной гравитацией.

3. Кто изучает черные дыры?

а) Полицейские б) Астрономы в) Дети

4. Где находятся черные дыры?

а) в небе над землей. б) в космосе. в) На солнце.

5. Хотел(а) бы ты еще больше узнать о черных дырах?

а) Да б) Нет

Анкетирование показало (приложение 1), что 21 ребенок из 25 ответил правильно на все вопросы. 4 детей допустили 1-3 ошибки. Результаты опроса показаны в диаграмме 1.

Диаграмма 1

Вывод: Такой результат может говорить об интересе к астрономии и о хорошем уровне знаний по теме черные дыры. Своей работой смогу углубить знания в области астрономии, чтобы поддержать интерес к науке.

Глава 5: Создание макета «Черная дыра».

Чтобы лучше понять, как чёрные дыры влияют на окружающие объекты, я сделал макет:

Этапы создания макета:

1. Я взял жесткую округлую конструкцию, которую покрасил в черный цвет, для имитации космического пространства.

2. По внутреннему краю макета я уложил гирлянду, имитирующую звезды. Она создает ощущение глубины и объема.

3. Поверх конструкции натянул эластичную темную ткань, которая придала поверхности вогнутую форму и позволила шарикам двигаться по ней.

4. Данную ткань я закрепил строительным стиплером по краю основания, чтобы создать равномерное натяжение и нужную форму воронки.

5. После включения подсветки и установки макета начались практические эксперименты с шариками, которые вращались по поверхности, показывая искривление пространства и движение по орбите.

В результате моих экспериментов можно увидеть, что чёрные дыры могут сильно влиять на окружающее пространство и объекты. Даже если чёрные дыры невидимы, их воздействие можно заметить по тому, как ведут себя звёзды, планеты и свет рядом с ними. Также я понял, что чёрные дыры играют важную роль в формировании и эволюции галактик.

Макет стал не только учебным инструментом, но и интересным способом рассказа о космосе одноклассникам и взрослым.

Глава 6: Презентация макета и буклета на тему «Черные дыры»

В дальнейшем, для более наглядного представления этапов создания макета и проведения экспериментов подготовил презентацию и показал ученикам 2 «А», 2 «Г», 2 «Д» классов. В ней поэтапно показал, как собирался макет «Черная дыра», какие материалы использовались, и как шарики моделировали движение объектов в искаженном пространстве.

Создание макета черной дыры стало не только увлекательным занятием, но и способом объяснить сложные научные явления простым языком. Благодаря презентации, которую показал ученикам, они смогли наглядно увидеть, как работает механизм черной дыры. Одноклассники с интересом обсуждали увиденное.

А также раздал ребятам буклет с подробным описанием разработки макета. (Приложение 2)

Глава 7: Повторное анкетирование

Далее одноклассники ответили на опросник и по результаты можно увидеть на диаграмме. (Приложение 3)

Проведённый опрос среди учащихся 2"А", 2"Г" и 2"Д" классов показал высокий интерес к теме проекта.
На вопрос «Почему шарики в макете закручивались внутрь?»

92% учеников выбрали правильный ответ — «Потому что они падали в гравитацию чёрной дыры», что говорит о хорошем понимании принципа работы макета.

На вопрос «Был ли макет интересным?»

Большинство ответили «Очень!», а также 74% выразили желание сделать собственный макет о космосе.

Подтверждает, что проект вызвал живой отклик и стал мотивацией к дальнейшему изучению научных тем.

Таким образом, макет успешно справился с задачей популяризации науки в младших классах, сделав сложную тему доступной, интересной и вдохновляющей.

Заключение

В этом проекте я погрузился в удивительный мир черных дыр — одних из самых загадочных объектов во Вселенной. Я начал с того, что узнал, что такое черные дыры, как они образуются и почему они настолько интересны для ученых. Я узнал, что черные дыры — это области пространства с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть их пределы, и что они возникают, когда очень массивные звезды заканчивают свою жизнь.

В следующей части проекта я рассмотрел, как ученые обнаруживают черные дыры. Несмотря на то, что их невозможно увидеть напрямую, ученые могут определить их присутствие по тому, как они влияют на окружающие звезды и газ, а также по излучению, которое возникает при падении материи в черную дыру. Я также узнал о некоторых самых известных черных дырах, таких как Стрелец A* в центре нашей галактики и Cygnus X-1, одна из первых обнаруженных черных дыр.

Так же узнал, что происходит внутри черной дыры. Я узнал о горизонте событий — точке невозврата, за которой ничто не может вернуться обратно, и о сингулярности — точке бесконечной плотности в центре черной дыры. Это привело меня к осознанию того, как мало мы знаем о том, что происходит внутри черных дыр, и какие загадки они ещё хранят.

Кроме того, я развенчал некоторые мифы о черных дырах и разобрался, что из них является правдой, а что — вымыслом. Например, я узнал, что черные дыры не "всасывают" всё подряд, как гигантские пылесосы, и что они не могут поглотить всю Вселенную.

Изучение черных дыр — это не просто любопытное занятие. Оно помогает ученым понять фундаментальные законы природы, такие как гравитация и пространство-время, и открыть новые горизонты в науке.

Так же я узнал, что черные дыры играют ключевую роль в эволюции галактик и помогают нам лучше понять структуру и будущее нашей Вселенной. Для закрепления материала я провел несколько простых экспериментов, которые помогли визуализировать процессы, происходящие в черных дырах.

Так же в результате анкетирования стало ясно, что большинство учеников правильно поняли принцип работы макета и чёрной дыры.
Более 90% участников выбрали ответ, связанный с гравитацией, как причину движения шариков по спирали. Это говорит о том, что учащиеся усвоили ключевую идею — в космосе действительно существуют области с очень сильным притяжением.

Макет наглядно показал, как гравитация может влиять на движение тел, а простое моделирование помогло даже младшим школьникам понять сложное астрономическое явление.
Таким образом, гипотеза подтверждена: изучение чёрной дыры помогает доказать существование мощных гравитационных зон во Вселенной.

Данный проект позволил мне глубже погрузиться в изучение черных дыр и понять, как они работают, как их находят и как они влияют на окружающий мир. Я так же узнал, что черные дыры — это не просто пугающие объекты, а важные элементы Вселенной, которые помогают ученым находить ответы на самые сложные вопросы о природе мира. В будущем, я планирую связать свою профессию по изучению космоса и данный проект позволил мне стать на шаг ближе к моей мечте.

Список литературы и ресурсов

1. Хокинг, Стивен и Люси Хокинг. Джордж и тайны Вселенной.

2. Тайсон, Нил Деграсс. Астрофизика для самых занятых.

3. Саган, Карл. Космос.

4. Грибин, Джон. Книга о космосе для детей

5. Прасад, Сурайя Рамон. Черные дыры и другие космические катастрофы.

6. Валльехо, Дэвид. Черные дыры и квантовая гравитация.

7. Роудз, Джеймс. Черные дыры: Тайны Вселенной.

8. NASA Kids’ Club

9. ESA Kids — https://www.esa.int/kids

10. Khan Academy – Черные дыры

11. YouTube: Veritasium "Что такое черные дыры?"

12. YouTube: TED-Ed "Черные дыры: Врата в иные миры?"

13. Документальный фильм "Черные дыры. На грани возможного"

14. "Наука": "Черные дыры: путешествие в край Вселенной"

15. "Физика для детей":"Черные дыры: тайны космоса"— https://www.childrensuniversity.manchester.ac.uk/learning-activities/science/space/black-holes/

16. YouTube: "Вселенная Стивена Хокинга. Черные дыры"

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Дневник исследования

Тема исследования: Ворота в неизвестность

Ф.И. ученика: Кипчинец Богдан

Школа, класс: КГУ «СОШ инновационного типа имени А. Байтұрсынұлы» города Павлодара, 2 «А» класс

Ф.И.О. научного руководителя: Филонова Алена Владимировна