Учебный исследовательский проект по физике на базе открытых данных

УЧЕБНЫЙ 

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ПРОЕКТ ПО ФИЗИКЕ 
НА БАЗЕ ОТКРЫТЫХ 

ДАННЫХ

И.В. КУЗНЕЦОВА
М.Е. ПРОХОРОВ

Москва

ИНФРА-М

2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального 
образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по естественно-научным направлениям подготовки 

(квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 7 от 22.09.2021)

УДК 52-424(075.8)
ББК 22.655я73
 
К89

Кузнецова И.В.

К89  
Учебный исследовательский проект по физике на базе открытых 

данных : учебное пособие / И.В. Кузнецова, М.Е. Прохоров. — Москва : 
ИНФРА-М, 2022. — 134 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/1242226.

ISBN 978-5-16-016823-4 (print)
ISBN 978-5-16-109390-0 (online)

Одной из форм обучения физике в старших классах школ с естественно-на
учной специализацией и на младших курсах вузов может быть учебный исследовательский проект. Использование современных открытых научных данных 
позволяет сделать проект интересным, современным, актуальным и мультидисциплинарным. Выполнение такого проекта позволяет учащемуся понять 
некоторые направления современных научных исследований и взаимосвязь 
между различными естественными науками. Возможны прямое сравнение результатов проекта с опубликованными фундаментальными исследованиями 
и обсуждение полученных отличий. В качестве первого примера учебного проекта рассмотрено определение частоты падения на Землю астероидов и крупных метеоритов (класса Тунгусского и Челябинского) по подсчету кратеров 
на поверхности Луны и Меркурия.

Соответствует требованиям федеральных государственных образователь
ных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по естественно
научным специальностям: физике, астрономии, географии, геологии, почвоведению, биологии и др., — и студентов инженерно-технических специальностей 
очной и дистанционной форм обучения.

УДК 52-424(075.8)

ББК 22.655я73

Ре це нзе нты:

Расторгуев А.С., доктор физико-математических наук, профессор фи
зического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова;

Постнов К.А., доктор физико-математических наук, профессор Государ
ственного астрономического института имени П.К. Штернберга Московского 
государственного университета имени М.В. Ломоносова

ISBN 978-5-16-016823-4 (print)
ISBN 978-5-16-109390-0 (online)
© Кузнецова И.В., Прохоров М.Е., 2021

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Предисловие

Лабораторные и практические работы физических практикумов для студентов и школьников старших классов естественно-научных направлений обучения имеют устоявшийся 
в течение десятилетий формат. Сейчас, как показывает 
практика, появился запрос на разработку новых по форме 
и по содержанию работ. Данное учебное пособие содержит 
описание учебного исследовательского проекта нового типа, 
содержащего как учебно-теоретический материал, необходимый для подробного ознакомления с проблемой исследования в проекте, так и практическую часть для получения 
собственных научных результатов.
В основу практической части предлагаемого учебного исследовательского проекта этой разработки легли расчеты 
частот падения астероидов на Луну, на Землю и на Меркурий 
по фотографиям из картографических баз данных. Сложность 
использованных методов не выходит за рамки профильного 
школьного или начального вузовского курса физики. Такой 
проект, базирующийся на открытых научных данных, можно 
использовать при обучении физике, астрономии, геологии 
и других естественно-научных и технических специальностей, 
а методическую разработку — в соответствующих спецкурсах.
Столкновение Земли с астероидами или кометами представляет значительную и вполне реальную опасность, что подтверждается тунгусским и челябинским событиями, связанными с падением объектов диаметром в несколько десятков 
метров. Кратеры, образовавшиеся в результате падения гораздо более крупных тел, видны на поверхности Земли, Луны, 
Марса, Меркурия и других космических тел, при этом на безатмосферных небесных телах, например Луне, Меркурии 
или астероидах, они сохраняются практически вечно. На поверхности же Земли и Венеры действуют процессы эрозии, 

Предисловие

которые довольно быстро уничтожают возникающие ударные 
кратеры.
В работе приведены фотографии кратеров на Земле, 
на Луне и на Меркурии, а также виды кратеров на некоторых 
астероидах. Современные методы мониторинга комет и астероидов показывают, что для Земли существует реальная астероидная опасность. Поэтому изучение ударных кратеров, 
расчет частоты их возникновения на планетах земной группы 
являются актуальными и полезными.
Практическая работа может быть выполнена в рамках любого естественно-научного цикла обучения как студентов, так 
и старших школьников. Особенностью практической работы 
является то, что для ее выполнения не требуется использовать специальное оборудование, т.е. не обязательно наличие 
оборудованной лаборатории. Следовательно, ее можно включать в курсы дистанционного обучения. Еще одним преимуществом работы, по мнению авторов, является то, что в ходе ее 
выполнения учащиеся проходят через все основные этапы научного исследования, такие как анализ проблемы, изучение ее 
актуальности, выбор физических моделей, пригодных для исследования, вывод основных соотношений и формул.
Работа с актуальными справочными материалами, использование в работе современных научных данных из открытых 
архивов, а также сравнение собственных результатов с результатами других исследований являются отличительными методическими достоинствами обучения физике на основе выполнения исследовательского проекта по современной научной 
тематике. Применение настоящего пособия позволяет учащемуся воспринять реальную взаимосвязь естественных наук.
Настоящая книга состоит из введения, четырех разделов, 
заключения, списка литературы и приложений. Во введении 
обосновывается актуальность данной работы. Первый ознакомительный раздел содержит описание современного состояния проблемы астероидно-кометной опасности и теории 
происхождения ударных кратеров на планетах земной группы. 

Предисловие

Второй — теоретический раздел содержит основные формулы, 
необходимые для расчетов. В ней предлагаются для самостоятельного решения задачи-оценки. Такие задачи, содержащие 
довольно грубые прикидки, полезно использовать в практикуме с методической точки зрения: в них используются 
простые и понятные физические модели, для их решения необходимо привлекать различные данные из независимых научных источников, а получаемые оценки сравнимы с результатами, представленными в соответствующей литературе [1]. 
При решении этих задач учащиеся самостоятельно выводят 
часть формул.
В третьем разделе описывается учебный исследовательский 
проект и даны используемые в нем материалы из открытых 
архивов научных данных: фотографии поверхности Луны 
и Меркурия. По этим фотографиям определяется интенсивность падения малых космических тел (астероидов и метеороидов) на Луну и Меркурий, производятся оценки частоты 
падений тел различных размеров на Землю. Предлагается построить распределения частот падения в зависимости от параметров, сравнить полученные результаты с аналогичными 
данными из литературных источников [1], сделать выводы 
об астероидно-кометной опасности по проведенному практическому исследованию.
В четвертом разделе содержатся методические рекомендации по выполнению проекта и тайм-менеджмент проекта 
в целом. Приложения включают необходимые справочные 
сведения и примеры распределений, полученные авторами 
работы на предлагаемых к практическому использованию 
данных.
Цель учебного проекта:
 
• обучение основам исследовательской деятельности в предметной области физики на основе выполнения научного 
проекта по актуальной научной тематике на базе открытых 
данных;

Предисловие

 
• ознакомление с понятием «астероидно-кометная опасность»;
 
• исследование возможных механизмов образования кратеров и расчет их размеров на Земле, на Луне и на Меркурии в зависимости от параметров;
 
• оценка частоты падения астероидов на Землю по фотографиям Луны и Меркурия.

Введение

Введение в плавление
Астероидно-кометная опасность долгое время оставалась 
предметом изучения узким кругом специалистов. Теперь она 
перешла в разряд глобальной проблемы, которая наряду с глобальным потеплением, нарушением экологии Земли, появлением устойчивых к антибиотикам микробов и новых вирусов, 
переизбытком ядерного оружия и засорением околоземного 
космического пространства стоит перед человечеством. 
Причина изменения отношения к астероидно-кометной 
опасности состоит в том, что появился большой объем новых 
фундаментальных знаний о малых телах Солнечной системы 
[1]: их численности и физических характеристиках, их эволюции, путях попадания к планетам земной группы и о результатах столкновений — ударных кратерах на Земле, Луне 
и других небесных телах. Причиной такого прорыва стали 
новые наблюдательные программы, появление новых технологий проведения наблюдений и полеты космических аппаратов к кометам и астероидам.

1. АСТЕРОИДНО-КОМЕТНАЯ ОПАСНОСТЬ. 
КРАТКИЙ ОБЗОР

1.1. АСТЕРОИДНО-КОМЕТНАЯ ОПАСНОСТЬ 
И УДАРНЫЕ КРАТЕРЫ НА ЗЕМЛЕ

Столкновения Земли с малыми космическими телами происходили всегда. В хрониках содержатся описания подобных 
событий [2]. Но в историческое время, даже с учетом того, 
что в последние десятилетия поиск метеоритов ведется очень 
интенсивно, были обнаружены только части космических тел 
(метеориты) поперечником до нескольких метров. При их падении образовывались небольшие кратеры, которые скорее 
следует называть воронками. Например, при падении СихотэАлиньского метеорита в 1947 г. [3] космическое тело разрушилось в атмосфере Земли и породило «железный дождь» 
и множество воронок. Ряд обнаруженных на Земле воронок 
диаметром в сотни метров долго изучали геологи, прежде чем 
удалось доказать, что часть из них является ударными кратерами, возникшими в результате столкновения космических 
тел с нашей планетой в прошлом. Кратеры, подобные Каали 
на острове Сааремаа в Эстонии, вызывали интерес у ученых 
с XVIII в., пока в 1937 г. геолог И.А. Рейнвальд не доказал 
его метеоритное происхождение [4]. Лишь во второй половине XX в., с началом широкого использования в геологических изысканиях сначала аэрофотосъемки, а затем спутниковой съемки Земли, было обнаружено, что на поверхности 
Земли существуют сотни кольцеобразных геологических 
структур разного размера с необычным строением. Их изучение показало, что это астроблемы — следы падения космических тел [5].

1.1. Астероидно-кометная опасность и ударные кратеры на Земле

Примером того, что столкновения малых тел Солнечной 
системы с планетами продолжаются, является падение 
на Юпитер в 1994 г. кометы Шумейкеров-Леви-9, а также Тунгусская катастрофа (1908) и Челябинский метеорит (2013). 
За сутки на Землю падает около 5–6 т метеоритного вещества. 
Это составляет около 2 тыс. т в год.
В Советском Союзе изучение метеоритных кратеров началось с того момента, когда Попигайская структура на севере 
Восточной Сибири (диаметром 100 км!) была распознана как 
кратер ударного происхождения в 1969 г. [6, 7].
Помимо проблем астероидно-кометной опасности, изучение 
кратеров на Земле представляет интерес для палеонтологии 
и геологии. По результатам исследований в этих областях 
науки известно, что падения некоторых крупных космических 
объектов, кратеры от которых сохранились до сегодняшнего 
дня, совпадают по времени с массовыми вымираниями видов 
животных и растений. Есть указания на то, что падения других 
крупных астероидов и палеонтологические «перестройки» 
близки по времени [8, 9]. Однако причинно-следственная связь 
этих событий остается недоказанной в основном из-за того, 
что на Земле сохранилось мало крупных кратеров, а их датировка имеет большую погрешность (точнее всего, момент образования кратера определяется с помощью радио изотопных 
методов, которые позволяют определить их возраст от нашего 
времени до 2–2,5 млрд лет назад, но такие исследования проведены только для 50–60 кратеров) [5].
В настоящее время существует две актуальные базы данных 
ударных кратеров на поверхности Земли. Одна из них — Earth 
Impact Database (EID) [10], которая в настоящее время поддерживается Центром планетных и космических наук университета Нью-Брансуика в Канаде. EID содержит информацию 
только о достоверно установленных кратерах, на середину 
2021 г. таких в EID было 190.
Вторая база составлена и поддерживается сотрудницей 
Института вычислительной математики и математической 

1. Астероидно-кометная опасность. Краткий обзор

геофизики Сибирского отделения РАН А.В. Михеевой. База 
называется «Полный каталог импактных структур Земли» 
[11]. В нее включены как достоверно известные кратеры, так 
и структуры с меньшими степенями достоверности. На середину 2021 г. каталог содержал информацию о 3704 кратерах, 
из них 282 считались достоверными, 295 — вероятными, 
2447 — предполагаемыми. Ежегодно выявляется несколько 
новых достоверно установленных кратеров.
Размеры метеоритных кратеров различны — от 10 м 
до 300 км в диаметре. Так же сильно колеблется и время 
их образования: от нескольких лет до 2,5 млрд лет назад. 
Самый большой обнаруженный кратер — кратер Вредефорт 
в ЮАР — имеет диаметр 300 км и возраст около 2 млрд лет. 
Кратер Чиксулуб диаметром 180 км образовался на дне Мексиканского залива у побережья полуострова Юкатан при падении 10-километрового тела 65 млн лет назад. Возможно, он 
привел к вымиранию динозавров (аргумен ты за можно найти 
в [8], против — в [9]). Список наиболее крупных достоверно 
известных ударных кратеров приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Самые крупные кратеры на Земле

№ 
п/п
Название
Место
Диаметр, 
км
Возраст, 
млн лет

1
Вредефорт 
(Vredefort) 
Южная Африка
300*
2023 ± 4

2
Судбури (Sudbury) 
Канада, Онтарио
250*
1850 ± 3
3
Чискулуб 
(Chicxulub) 
Мексика, Юкатан
180*
66 ± 1

4
Попигай
Россия, Сибирь
100*
35,7 ± 0,2
5
Маникуаган 
(Manicouagan) 
Канада, Квебек
100*
214 ± 1

6
Акраман (Acraman) 
Южная 
Австралия
90
~590