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太阳黑子2:太阳黑子与活动区域的关联

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材料

  • 坐标纸
太阳黑子2:太阳黑子与活动区域的关联图片来源:美国国家航空航天局

目的

为了帮助学生了解新技术的发展如何提高了我们对太阳如何工作的了解。


上下文

归根结底,太阳是地球上所有生命的源泉,为居住在地球上的生物提供光和热。因此,纵观历史,太阳一直让人类着迷:人们把它当作神来崇拜,观察它在天空中移动的样子,研究它的组成和行为。许多文化都建立了天文台来监测太阳及其可观测的特性。随着科技的日益成熟,我们已经能够收集到越来越多关于太阳的信息,并利用这些数据来推断恒星的行为。

这项活动是三部分系列教训的一部分,旨在向学生展示我们对宇宙的知识必须通过使用科学工具来推断。具体而言,学生通过使用来自卫星仪器的太阳能成像来研究这些课程中的太阳黑子(SOHO和现在已经过错了Yohkoh卫星)。

在这个三部分系列的第一课中,学生们介绍了太阳黑子,以及用于在太阳表面可视化它们的技术和太阳成像的类型。这第二课让学生们看到复杂的技术是如何被用来了解太阳的。在这项活动中,学生使用两种太阳成像方法来确定太阳黑子与太阳活动区域之间的关系。太阳黑子是通过使用可见光太阳成像可视化的,而活动区域是利用x射线能量可视化的。学生们比较这两幅图像,并使用Java小程序确定太阳黑子和活跃区域的面积。收集到的信息被用来确定两种太阳特征之间的相关性。


提前计划

在活动中,学生们使用Java小程序比较太阳的可见光图像和x射线图像。要成功启动applet,学生需要使用支持java的浏览器


动机

问学生:

  • 什么是相关性?
    • (两件事物相互关联并一起变化的程度。)
  • 描述两个事件相互关联的例子。
    • (学生应该对相互关联的事件进行头脑风暴,并描述它们是如何关联的。例如,肺癌和吸烟的风险是相关的,因为一个人吸烟时间越长,他/她患肺癌的风险就越大。)
  • 我们如何确定日冕活动区域和太阳黑子是否相互关联?
    • (这是一个头脑风暴问题。如果有必要,应该给学生时间复习什么是太阳黑子、活动区域和日冕。学生还应该复习太阳黑子是在可见光图像中看到的,而活跃区域是通过x射线图像看到的。学生们可能会建议,为了确定相关性,我们应该能够确定一个太阳黑子是否总是在一个活跃区域的同一个地方。它们还可以建议计算太阳黑子和活动区域的数量,然后以此确定相关性。)

发展

告诉学生他们将使用可见光和X射线比较阳光的图像。它们将以图形方式使用可见光在阳光下看到的太阳黑子与使用X射线能量在太阳电晕处看到的活动区域有关。他们将使用的图像由Yohkoh卫星在1992年1月拍摄。从5月到30日至30日,每天有26对图像,一对(一个可见和一个X射线图像)。

因为有26对图像,最好是如果类分为对,则每对都有一个图像的子集。另一种选择是拆分类,并在所有26对图像上都有每个类的每一半收集数据。这将允许该类收集两组数据,可以绘制,分析,并相互绘制。将图像分配给学生并将类带到计算机实验室。

告诉学生,他们将使用交互式Java小程序来可视化他们分配的图像。这个小程序将允许学生用光标在每个太阳黑子和活动区域周围圈出区域。小程序将记录太阳黑子的面积(以像素为单位)和学生勾勒出的活跃区域。这些区域应该被记录在一个由学生独立制作的表格中。然后,该类将汇集其数据,并绘制出活动区域(x射线)的面积与太阳黑子的面积(可见光)之间的关系,以确定两者之间是否存在相关性。

学生应该使用他们的太阳黑子与活动区域的关联学生表格去探索博物馆太阳黑子地点。允许学生时间读取活动的第2页,以将它们介绍到活动和使用Java applet的使用。学生们还应该熟悉识别可见光图像中的黑暗太阳黑点,并在X射线图像中可见的明亮强烈的有源区域排放。

鼓励学生制作自己的数据表,用于录制太阳黑子和活动区域的区域太阳黑子与活动区域的关联学生表。他们的数据表应该足够长,以包括1月份的所有26个日期的信息。数据表应包括以下信息:

  • 日期
  • 太阳黑子面积(像素)
  • 活动区域面积(像素)
  • x射线面积/太阳黑子面积的比率(没有单位,因为像素相互抵消)。

学生应使用Java applet收集其分配的图像子集的信息。所有学生都收集了这些信息,汇集了数据,以便每个学生都有太阳黑子和活动地区的所有26对阳光图像。如果该类能够收集两组数据,学生应该为第二组数据制作另一个数据表。它们应计算每对图像的X射线区域与太阳黑子区域的比率,并记录其数据表中的结果。

问学生:

  • x射线面积/太阳黑子面积的比值测量了两者之间的相关性。这些比率表明了两者之间的相关性吗?
    • (这将取决于学生的数据。然而,学生应该注意,看着这么多的数字使得难以确定是否存在一些相关性。因此,有些学生可能表明视觉表现或绘制,将制作任何相关性更容易看到和确定。)
  • 我们如何绘制数据来确定太阳黑子面积和活动区域面积之间是否存在相关性?
    • (学生应建议制作x射线区域和太阳黑子区域的折线图。)

给学生分发图表纸。告诉学生,他们应该三个图表:

  1. 太阳黑子面积与时间
  2. 有源区面积与时间
  3. X射线地区与太阳黑子区

最好让学生制作这些图表并以此特定的顺序讨论它们。学生将更容易了解该地区与时间图,因为这些图表将告诉他们SunSpot或有源区域区域随时间变化的变化。最后的图形(X射线区域与Sunspot Area)不计时,只需检查两者之间是否存在线性相关性。相关性不依赖于时间的流逝。没有时间轴的缺失可能讨厌没有做过绘制的学生。因此,如果您的学生需要更慢地接近研究活动的目标(太阳黑子和有源区域区域之间的相关性的存在),请从绘制在图像上测量的区域进行绘制。

每个图表应该具有以下特征:

  • 标题
  • 用单位清晰地标记轴
  • 明确标记的要点

告诉学生通过制作前两个图表,他们将在时间上研究太阳黑子区域和有源区域区域的变化。对于每个图,区域(太阳黑子或有源区域)将位于垂直或y轴上。日期(天)将在水平或x轴上。

时间图会有一些形状,不一定是线性或平滑的曲线——它们可能会有突然的跳跃,因为太阳的旋转,黑点和x射线区域出现和消失,或者活动区域变得更亮或更暗。太阳黑子或活动区域的演变和太阳的自转(每28天一次)都会影响每天的数据。对于太阳黑子来说,旋转的影响很可能会占主导地位,因为太阳黑子以几周或几个月的时间尺度演化。x射线区域可能在更短的时间尺度上发生变化。

学生画好黑子面积与时间的关系图和活动面积与时间的关系图后,问他们:

  • 1992年1月太阳黑子的面积是如何随时间变化的?
    • (学生应该分析他们的图表。)
  • 1992年1月,积极地区的活动区域是否随时间变化?
    • (学生应该分析他们的图表。)
  • 比较这两个时间图,有没有明显的趋势?描述。
    • (如果这两个图表显示了一个相似的整体形状,比较它们可以帮助学生自己发现相关性。图形越相似,相关图就越接近一条直线。记住,这两个时间图的垂直尺度是不同的,因此相似度表明x射线和太阳黑子区域是成比例的,而不是相同的。鼓励学生猜测x射线图和太阳黑子图会是什么样子。)

完成前两幅图(太阳黑子面积与时间和活动区域面积与时间)后,学生应制作一张太阳黑子面积与活动区域面积的图。太阳黑子区域(像素)在水平或x轴上,活动区域(像素)在垂直或y轴上。学生应将可见光影像中每天的太阳黑子面积与x射线影像中相应的活跃区域面积进行匹配。这些点不会按时间排序因为时间不是图上的坐标轴之一。

学生可以使用他们的学生表格来查看太阳黑子面积与时间和活跃区域面积与时间的样本图科学教育网关网站的“绘图表”部分。(学生应该向下滚动页面。图表部分在页面底部的中间。)

学生的资料应该得出太阳黑子的面积和活动区域的面积之间的线性关系。如果数据确实产生线性关系,学生应该计算直线的斜率(x射线面积/太阳黑子面积的比值)。然而,如果不能得到一条直线,学生应该就这两个量之间是否存在相关性达成一些共识。如果学生能够收集两组数据,他们可以比较这两幅图。

学生应该看看价值和情节的例子背景材料:研究活动科学教育网关太阳黑子课的页面。绘图表示大致线性相关性。绘图中的每个点显示出可见光的太阳黑子面积与激烈的X射线活动区域。虽然点的散射看起来像三模(三个不同的斜坡),但是曲线具有一致的平均斜率,距离落下和下方的相同数量的点。由于X射线轴的规模是大于太阳黑子轴的幅度(X10),因此垂直散射的程度并不令人惊讶。样品数据可以向学生展示;但是,学生不应该关注他们的数据看起来就像样本一样。每个研究人员的测量都会有点不同。

学生应该讨论他们是否看到了两个值之间的相关性。在他们讨论的时候,提醒学生们,即使是现在,科学家们还没有确定一个确定的相关性的存在。

如果班级能够产生两组数据,因此,两个图表,学生可以比较和对比这两个。要求学生讨论两幅图不同的可能原因。

可能的原因包括:

  • X射线区域包含不同的颜色
  • 可见光太阳黑子区域具有较小的像素,因此对小差异进行更敏感:一个像素或多或少可能是非常重要的。
  • x射线图像颜色方案在计数/像素上的确切比例是未知的。
  • 将延伸至太空的x射线日冕的深度与太阳黑子所在的光球层的小而有限的厚度进行比较。在图像中看到的x射线扰动的形状和大小可能变化很快,特别是在太阳盘的边缘附近。
  • 像素大小可能不是方便的测量单元。

问学生:

  • 我们如何知道点之间的差异是否是由于我们的部件上的数据或错误中的差异?
    • (这是一个思想的问题。学生应该考虑科学家如何最大限度地减少测量误差的时间。学生应该表明不同的群体测量区域可能不一致。)
  • 在测量图像上的太阳黑子和有源区域区域时,描述您遇到的一些困难。
    • (学生将根据他们面临的困难类型给出不同的答案。学生们可能会注意到,用鼠标描绘出太阳黑子的确切区域,特别是活跃区域是很困难的。此外,由于像素是具有一定大小的精确单位,仅覆盖太阳黑子和活动区域可能很难。)
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评估

学生应该能够利用通过这项活动的知识和技能来回回答这些问题,以及这个太阳黑子系列中的第一课。

问学生:

  • 技术对收集太阳信息有何重要意义?
    • (学生应该提到望远镜、卫星和各种收集太阳各个方面信息的成像技术。)
  • 您如何认为技术使我们能够更好地了解太阳黑子和太阳活动区域之间的关系?
    • (太阳黑子通过可见光成像可视化,而有源区域通过X射线成像可视化。使用这两种技术允许我们同时捕获两种不同类型的太阳图像。然后可以分析这些图像以确定太阳黑子与活动区域之间的相关性。)
  • 科学家们不断争论太阳黑子和活跃区域之间是否存在相关性。您认为需要哪种类型的技术来确认是否存在相关性?
    • (学生应该集思广益各种各样的想法。这个问题的目的是让学生考虑必须发明新技术是如何发明关于世界的某些问题。例如,望远镜被发明以更好地改善太阳能体。同样,在研究太阳并确定有源区和太阳能体之间的关系类型,必须发明新技术,它将收集有关大小,形状,位置和其他重要细节的特定信息。)

延期

学生衡量太阳黑子面积的另一教训可以在Yohkoh Public Outreach项目现场找到。课程,使用计算机测量太阳黑子,有学生使用影像处理软件查看及放大由耀高卫星拍摄的影像。学生从网站上下载特定图像,并学习将图像从GIF格式转换为TIFF格式。


SpaceWeather.com从1874年以1874年以1874年以1874年以1874年列出的表格最大的太阳黑子。数据包括日期被观察到了日期及其区域。学生可以在多年观察到最大的太阳黑子时,学生可以绘制这些数据。图表数据还将允许学生随着时间的推移确定太阳黑子大小的趋势。数据可以找到历史上最大的太阳黑子


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