資源簡介

(共34張PPT)
3.3人類對宇宙的探索
浙教版七年級科學上冊
第三章 廣袤浩瀚的宇宙
2023年9月21日,“天宮課堂”第四課在中國空間站開講，航天員為廣大青少年帶來一堂精彩的太空科普課，并通過視頻與地面課堂師生進行實時互動交流。“天宮課堂”對于培養(yǎng)青少年科學精神、激發(fā)青少年探索浩瀚宇宙的興趣具有獨特優(yōu)勢。人類為什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些發(fā)現？
一、從地心說到日心說
我國戰(zhàn)國時期的蓋天說認為，天圓如張蓋，地方如棋盤。蓋天說這種宇宙觀，雖然已經擺脫神話的影響，但遠沒有揭示宇宙的本質。到秦漢時期，人們初步認識了太陽、月球和5顆行星的基本運動規(guī)律,并能推算天象的發(fā)生。
早期的希臘人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中心。公元2世紀，希臘天文學家托勒密(C.Ptolemaeus)在亞里士多德等前人對宇宙的認識的基礎上，進一步完善了地球中心學說，創(chuàng)立了“地心說”模型。
一、從地心說到日心說
托勒密認為，地球是宇宙中心，且靜止不動，太陽、月球、行星和其他所有天體都圍繞著地球在各自的圓形軌道上運轉，如圖所示。“地心說”可以解釋5顆行星的觀測路徑，以及太陽、月球的運動路徑。
盡管托勒密的“地心說”模型并不正確，但它能解釋很多人們觀察到的天文現象，在隨后的1000多年里，普遍為人們所接受，并給發(fā)現“地心說”不足的人們造成了難題。
一、從地心說到日心說
科學家經過仔細觀測，發(fā)現行星運行規(guī)律與托勒密的宇宙體系并不吻合。16世紀，哥白尼用自制的簡陋儀器，經過20年的天文觀測與研究發(fā)現，與其他5顆行星一樣，地球也是一顆行星。天空中觀察到的行星運動可通過旋轉的地球來簡單地解釋。在得出地球是一顆行星后，哥白尼為太陽系建立了一個“日心說”模型。該模型認為太陽是宇宙的中心，地球和行星都圍繞太陽做圓周運動，如圖所示。
哥白尼“日心說”的建立，使人們的認識從“地球中心”走向“太陽中心”。今天，我們知道,除了太陽,太陽系中還包括行星及其衛(wèi)星，以及各種更小的天體，這些大大小小的天體都圍繞太陽公轉。
思考與討論
“日心說”中有關宇宙以太陽為中心的提法也有不正確之處，請用相關知識解釋。
二、現代宇宙學說
宇宙從哪里來 宇宙將向何處去 宇宙有多大 宇宙有中心嗎 宇宙中還有適合人類生存的家園嗎 這些問題不斷激勵著人們去探索。
浩瀚的宇宙中有各種不同的天體，這些天體又組成了大小不同的天體系統(tǒng)。我們看到的宇宙就是由各種不同的天體系統(tǒng)組成的。科學家借助現代望遠鏡，揭示了宇宙中的許多奧秘。
二十世紀一二十年代，天文學家用大型望遠鏡觀測了銀河系以外的星系，測出不同星系間的距離，判斷它們的運動速度以及運動方向。
探索活動
1.閱讀圖3.3-4,牧夫座星系離地球有多遠 它的退行速度有多大
2.閱讀圖3.3-4，哪個星系的退行速度最大 哪個星系離地球最近
3.得出結論，星系距離地球的遠近與其退行的速度有什么關系
4.預測距離地球50億光年的星系的退行速度。
1929年，天文學家哈勃(E.P.Hubble)根據自己對銀河系以外星系距離的測定，結合其他天文學家的工作，分析了20多個星系的退行速度和距離，發(fā)現銀河系以外的大多數星系都在遠離我們而去，距離越遠，離開我們的速度越大。
這表明，我們所處的宇宙正在膨脹。在此基礎上，哈勃提出了著名的哈勃定律:星系的退行速度與它們到地球的距離成正比。哈勃定律可以用公式表示為:
v=Hd
其中，v為星系退行速度,d為星系到觀察者的距離,H為哈勃常數。
思考與討論
幾乎所有的星系都在退行，是否意味著地球處于宇宙的中心
探索活動
1.準備一只氣球，在其表面貼上一些圓形小紙片。小紙片代表星系。
2.在圓形小紙片上用筆做記號，表示星系上的居民，記錄相鄰“星系”的位置和距離。
3.用打氣筒持續(xù)地向氣球充氣，使氣球不斷地脹大(即宇宙膨脹)，如圖所示。
4.觀察氣球在脹大過程中，各張圓形小紙片間距離的變化。這些“星系”之間的距離發(fā)生了怎樣的變化
1915年，著名科學家愛因斯坦(A.Einstein)建立了廣義相對論，他將廣義相對論用于宇宙的研究，建構了一個靜態(tài)的宇宙模型。1922年，蘇聯科學家弗里德曼(A.Friedman)從廣義相對論出發(fā)，得到了一個均勻地膨脹或收縮的宇宙模型，遺憾的是這個動態(tài)的。
模型并不為當時的人們所重視。當哈勃定律公布后，人們驚喜地發(fā)現，天文觀測發(fā)現的現象正是理論模型所預言的現象。理論預言被天文觀測證實了!
思考與討論
我們是否可以做出這樣的推斷:宇宙在不斷膨脹，這意味著過去的宇宙比現在小。那么，時間越往前，宇宙中的星系之間的距離是否必然越小 再往前倒退至某一時間,宇宙是否密集在一個點上
1948年，伽莫夫(G.Gamow)等人建立的元素生成理論，為宇宙起源的大爆炸理論奠定了基礎。宇宙大爆炸理論認為，宇宙起源于極高溫、極高密度的“奇點”的大爆炸，之后宇宙不斷膨脹、溫度不斷下降，生成各種物質，形成各種星系，演化成今天的宇宙,今天的宇宙仍將繼續(xù)膨脹下去。
宇宙大爆炸理論合理嗎 理論預測的結果與實際觀測的結果相一致,理論才能被人們接受。
理論預言
大爆炸使宇宙中充滿了輻射，隨著宇宙影脹、降溫，當今宇審中仍充滿著大爆炸殘余的輻射，對應的溫度約為5K(K為熱力學溫度單位)。
宇宙大爆炸理論
該理論得到了廣泛的認可，成為宇宙學中的標準模型。但宇宙的研究并沒有結束，即使是標準模型，也面臨著多方面的挑戰(zhàn)。
測到來自空間各個方向的輻射，對應溫度約為2.73K，與理論預測溫度非常接近。
宇宙膨脹得到了觀測事實的有力支持，宇宙大爆炸理論成功地解釋了很多觀測事實。因此，宇宙大爆炸理論已成為被人們廣為接受的一種宇宙起源學說。
多方面觀測研究表明，我們的宇宙始于約138億年前的一次大爆炸，大爆炸為后來的星系、恒星和行星的形成與演化提供了所有的能量。
三、銀河系和河外星系
宇宙有多大 最初人們認為地球是宇宙的中心，太陽、月球、5顆行星和6000多顆靜止不動的恒星構成了宇宙。后來，人們認識到宇宙由銀河系等星系組成，銀河系由幾千億顆像太陽一樣的恒星組成。那么，銀河系有多大 它的中心在哪里 地球位于銀河系的何處
我們的太陽系處在銀河系之中。當我們仰望夏季的夜空，看到橫跨夜空的那條銀河時，其實我們正在銀河系內部觀察我們生存的這個星系的中心。
星系(galaxy)是由單顆恒星、恒星系統(tǒng)、星團、塵埃和氣體在引力作用下聚集在一起形成的大型天體系統(tǒng)。天文學家把大多數星系分為三類:旋渦星系、橢圓星系和不規(guī)則星系，如圖3.3-10所示。
旋渦星系
橢圓星系
不規(guī)則星系
銀河系是一個旋渦星系。從側面看，銀河系呈扁圓盤狀;從上往下看，能夠看到銀河系的旋渦結構。我們無法在地球上看到銀河系的旋渦結構，因為太陽系位于銀河系的一條旋臂上。
銀河系是由眾多恒星及星際物質組成的一個巨大星系，所有的恒星都圍繞銀河系的中心旋轉。銀河系的直徑約為1.0×105光年，中心厚度約為1.2×104光年，自中心向邊緣逐漸變薄。太陽只是銀河系內幾千億顆恒星中的一顆普通恒星。太陽遠離銀河系的中心，它與銀河系中心的距離約2.6 ×104光年，約2.4億年繞銀河系中心轉一圈。恒星彼此相距很遠，離太陽最近的恒星是比鄰星，與太陽相距4.22光年。
銀河系雖然很大，但在整個宇宙中顯得微不足道。銀河系只是廣闊深空中上千億個星系中的一個普通星系。銀河系和銀河系外的河外星系構成了廣闊無垠的宇宙。圖3.3-13顯示了不同尺度的天體所橫跨的范圍。
天文學家很早就意識到銀河系外有其他星系。1919年，哈勃用當時最大且最先進的天文望遠鏡，測定了仙女座大星云(星系)的距離，發(fā)現這個距離遠大于銀河系的直徑。因此，哈勃推斷仙女星系一定位于銀河系之外。其實，仙女星系是一個比銀河系更巨大的星系。圖3.3-14仙女星系我們肉眼觀察到的仙女星系是由許多星星集中在一起的模糊小點。
1.面向北天星空，先找到大熊星座。北斗七星在天空中呈斗狀，很容易認出。其斗柄在不同季節(jié)指向不同:在晚上八九點鐘觀測，春天斗柄朝東，夏天斗柄朝南，秋天斗柄朝西,冬天斗柄朝北。
探索活動
2.把北斗七星中斗前的兩星連線，并朝斗口方向延伸5倍距離，就可以找到北極星。
我們知道宇宙中有上千億個星系，每個星系中同樣含有數量巨大的恒星。例如，天文學家估計,北斗七星范圍內存在100多萬個星系。今天，我們對宇宙的理解已跨越浩瀚的星際空間，延伸到了我們所見的整個宇宙。然而，這些發(fā)現，無論大小，都是無數科學家努力探索的成果，是一代代科學家智慧的結晶。
四、恒星
太陽是銀河系內一顆相當普通的恒星。每一顆恒星都有其誕生、演化和死亡的過程，這是一個十分緩慢的過程。太陽是地球的能量之源，沒有太陽，人類就不能生存。研究恒星的誕生、演化和死亡，對人類的生存具有重要意義。
天文學家根據對各種恒星的觀測和理論研究，認識到所有恒星的誕生過程與太陽的誕生過程基本相似。
隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低，出現了由中性原子構成的宇宙塵埃。宇宙塵埃在引力作用下，會變得更加密集，并越聚越大，形成氣體狀態(tài)的星云團。隨著星云團的收縮，溫度不斷升高，當溫度變得非常熾熱，星云團就開始發(fā)光。于是，恒星誕生了。
當這顆恒星繼續(xù)收縮升溫，溫度超過1×107℃時，將引發(fā)恒星內部的氫核發(fā)生聚變反應，生成氦并向外釋放出能量，恒星就穩(wěn)定下來，進入主序星階段。恒星的穩(wěn)定主序星階段能夠持續(xù)多長時間呢 像太陽這樣的恒星的主序星階段可持續(xù)約100億年。太陽已存在約50億年，它的主序星階段還有約50億年。今天的太陽正處在它的鼎盛時期。恒星約90%的生命周期都處于主序星階段。
1.圖3.3-17展示了恒星的質量與它的壽命的關系。恒星壽命指恒星在耗盡燃料之前能存在的時間。
2.一顆質量是太陽0.8倍的恒星能存在多久 一顆質量是太陽1.7倍的恒星又能存在多久
3.描述恒星的質量與它的壽命的一般關系。
探索活動
恒星是不會永久存在的。一顆恒星壽命的長短取決于它的質量大小:質量越大,壽命越短;質量越小,壽命越長。
科學家描繪出了太陽未來的演變過程:大約50億年后，太陽中心缺少足夠的氫時，太陽的球核將開始收縮，太陽外層的氫繼續(xù)變成氦，星體急劇擴大，變成紅色，形成紅巨星。當太陽膨脹到接近火星軌道時，將吞噬水星、金星、地球，預計太陽在紅巨星階段持續(xù)大約10億年時間，亮度升高到今天的近1萬倍。紅巨星不斷地把外層物質拋向太空，在星體周圍形成行星狀星云，它的核聚變過程中形成的一些物質將進入星際介質參與再循環(huán)，而球核進一步收縮，形成體積極小、密度很大的白矮星。最后，太陽將慢慢“熄滅”，形成一顆看不見的黑矮星，變成星云的一部分，留在宇宙中，進入新的循環(huán)。
思考與討論
了解了太陽一生的演化后，你對宇宙有了什么新認識
與太陽一樣，當恒星內核的氫燃燒殆盡，就會快速演化并消亡。這是恒星最后的歸宿。如果恒星的質量是1~8倍太陽質量，它會演變成紅巨星，最終演變成白矮星，即體積很小、質量不太小的恒星;如果恒星的質量是太陽質量的10~20倍，它的體積會急劇變大，形成紅超巨星，隨后爆發(fā)成超新星(supernova)，最終演變成體積極小、密度極大的中子星。1054年，我國發(fā)現并記錄的超新星爆發(fā)，史稱“客星”。蟹狀星云即在這次爆發(fā)后誕生，這是天文學中第一個被認證具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。
當恒星的質量更大時，其內部將產生巨大壓力，物質被“壓”成了更為神奇的天體一黑洞(black hole)。黑洞的密度非常大，強大的引力使任何物質，甚至光都無法逃脫它的吸引。因此，遠處的觀測者無法看到來自黑洞的光。雖然人們看不見黑洞，但科學家能確定它的存在。
思考與討論
大質量恒星的消亡過程和太陽有什么不同
幾十年來、科學家一直在尋找黑洞。2016年，科學家宣布探測到黑洞的存在。2019年，我國天文學家依托自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)，發(fā)現了一個迄今為止質量最大的恒星級黑洞。
2022年5月，天文學家向人們展示了位于銀河系中心的超大質量黑洞的首張照片。
銀河系中心黑洞距離地球約2.7x10°光年之遙。恒星在生命的最后時刻，都會不斷地向四周拋出物質。這些物質自由地在太空中擴散，最后將漸漸孕育出新一輪的恒星星云。
2011年度的諾貝爾物理學獎被授予三位天體物理學家，以表彰他們通過觀測遙遠的超新星而發(fā)現了宇宙在加速膨脹這一卓越成果。超新星的熱核爆炸表示了這顆恒星的演化階段是(　　)。
A．誕生期 B．壯年期
C．死亡期 D．任何時期都可能
【答案】C
【解析】超新星的熱核爆炸代表了這顆恒星演化到了死亡期，即超大質量恒星能以巨熱核恒星炸彈的形式變成超新星，超新星爆炸死亡。
故答案為：C。
課堂小練習
一顆恒星距離地球有10光年，則我們看到它的光是(　　)。
A．10光年前發(fā)出的 B．10年前發(fā)出的
C．3×109光年前發(fā)出的 D．3×109年前發(fā)出的
課堂小練習
【答案】B
【解析】若一顆恒星距離地球10光年，它發(fā)出的光需要10年才能傳播到地球，所以現在我們看到的這顆恒星的光是它10年前發(fā)出的。
故答案為：B。
課堂小練習
【答案】B
【解析】18世紀，德國哲學家康德和法國數學家拉普拉斯通過對行星運動特點和星云的研究，邁出了第一步，提出了“康德一拉普拉斯星云說”。除了“星云說”，關于太陽系的形成還有其他假說，例如“災變說”，它認為地球等行星的物質是因為某種偶然的巨變（如另一顆恒星接近太陽或與太陽相撞）而從太陽中分離出來的。
故答案為：B。
關于太陽系的起源有多種假說，最主要的有兩類，它們分別是(　　)。
A．“星云說”和“地心說”
B．“災變說”和“星云說”
C．“大爆炸宇宙論”和“日心說”
D．“災星說”和“星云說”

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