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第3章 廣袤浩瀚的宇宙
第3節(jié) 人類對字宙的探索
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(jìn)行實(shí)時(shí)互動交流。“天宮課堂”對于培養(yǎng)青少年科學(xué)精神、激發(fā)探索浩瀚宇宙的興趣具有獨(dú)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(xiàn)？
第1課時(shí) 對宇宙認(rèn)識歷程
第3節(jié) 人類對字宙的探索
一、從地心說到日心說
地球曾被人們認(rèn)為是宇宙中獨(dú)一無二的天體，是宇宙的中心。
科學(xué)研究表明，地球位于太陽系內(nèi)，太陽系位于銀河系比較邊緣的一個(gè)普通的位置，并沒有明顯的獨(dú)特地位。關(guān)于宇宙和我們賴以生存的地球，從古到今，人們的認(rèn)識經(jīng)歷了根本性的變革。那么，我們對宇宙的認(rèn)識是如何改變的？
我國戰(zhàn)國時(shí)期的蓋天說認(rèn)為，天圓如張蓋，地方如棋盤。
蓋天說這種宇宙觀，雖然已經(jīng)擺脫神話的影響，但遠(yuǎn)沒有揭示字宙的本質(zhì)。
到秦漢時(shí)期，人們初步認(rèn)識了太陽、月球和5顆行星的基本運(yùn)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(jì)，希臘天文學(xué)家托勒密在亞里士多德等前人對宇宙的認(rèn)識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了地球中心學(xué)說，創(chuàng)立了“地心說”模型。
托勒密
亞里士多德
托勒密認(rèn)為，地球是宇宙中心，且靜止不動，太陽、月球、行星和恒星等所有天體都圍繞著地球在各自的圓形軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，
如圖3.3-1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(yùn)動
路徑。
地心說
日月星辰東升西落
月亮東升西落
太陽東升西落
星星東升西落
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(xiàn)象，在隨后的1000多年里，普遍為人們所接受。
但給發(fā)現(xiàn)“地心說”不足的人們造成了難題。
科學(xué)家經(jīng)過仔細(xì)觀測，發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行規(guī)律與托勒密的宇宙體系并不吻合。
16世紀(jì)，哥白尼用自制的簡陋儀器，經(jīng)過20年的天文觀測與研究發(fā)現(xiàn)，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(yùn)動可通過旋轉(zhuǎn)的地球來簡單地解釋。在得出地球是顆行星后， 哥白尼，為太陽系建立了一個(gè)“日心說”模型。
科學(xué)家在對宇宙各方面建模時(shí)仍遵循簡單、對稱和美觀的原則。
模型認(rèn)為太陽是宇宙的中心，地球和行星都圍繞太陽做圓周運(yùn)動。
哥白尼出版了著作《天球運(yùn)行論》，闡述了“日心說”的理論基礎(chǔ)。與地球是宇宙的中心的觀點(diǎn)相比，“日心說”的提出是一個(gè)重大突破。但哥白尼在行星做圓周運(yùn)動的觀點(diǎn)，也未能正確解釋行星的運(yùn)動方式與成因。“日心說”吸引人的地方是它簡單，人們可以更好地理解它。“日心說”挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)地位的“地心說”。
在絕大多數(shù)人仍相信“地心說”的時(shí)代，人們需要更多的證據(jù)才能接受“日心說”。科學(xué)家伽利略所收集的證據(jù)，逐漸讓入們相信“日心說”是正確的。
伽利略對哥白尼學(xué)說的發(fā)展與傳播起到了很大作用，留下了不可磨滅的印記。1609年，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡觀測天空，為“日心說”提供了新的觀測證據(jù)。
伽利略發(fā)現(xiàn)：太陽上有黑子，說明太陽并不完美；
圍繞著木星的有4顆衛(wèi)星，說明并非所有天體都在繞地球運(yùn)行。
木星有衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的事實(shí)為哥白尼學(xué)說提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。
金星的位相變化也說明金星并不是圍繞地球公轉(zhuǎn)的。
用現(xiàn)代科學(xué)方法探索自然的思想，須用實(shí)際觀測進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不合格的思想會被拋棄。采用這種方式，科學(xué)家慢慢形成了理解宇宙的更好知識體系。哥白尼基于多年觀測，開啟了科學(xué)革命，推翻了“地心說”。
伽利略的觀測發(fā)現(xiàn)與當(dāng)時(shí)人們對宇宙的普遍認(rèn)識并不一致，挑戰(zhàn)了居于統(tǒng)治地位的“地心說”。
圖3.3-3伽利略記錄在本子上的7個(gè)夜晚的木星的4穎衛(wèi)星圖示
哥白尼“日心說”的建立，使我們的認(rèn)識從“地球中心”走向“太陽中心”。
“日心說” 中有關(guān)宇宙以太陽為 中心的提法也有不正確之處，請用相關(guān)知識解釋。
答：太陽并不是宇宙的中心，就連銀河系的中心也不是， 而是太陽系的中心。 太陽系位于銀河系的一個(gè)偏遠(yuǎn)臂旋上， 而銀河系是宇宙中無數(shù)個(gè)星系中的一個(gè)， 就目前的科技來說并未發(fā)現(xiàn)宇宙的中心。
二、現(xiàn)代宇宙學(xué)說
宇宙學(xué)：研究宇宙的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和演化(起源、演化和死亡)的科學(xué)。
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(lì)著人們?nèi)ヌ剿鳌?br/>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(xué)家借助現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡，揭開了宇宙中的許多奧秘。
二十世紀(jì)一二十年代，天文學(xué)家用大型望遠(yuǎn)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(yùn)動速度以及運(yùn)動方向。
1.讀圖，牧夫座星系離地球有多遠(yuǎn)，它的退行速度有多大？
2. 哪個(gè)星系的退行速度最大，哪個(gè)星系離地球最近？
答：牧夫座星系離地球25億光年。退行速度39000Km/s。
答：長蛇座退行速度最大。室女座離地球最近。
3.得出結(jié)論，星系距離地球的遠(yuǎn)近與其退行的速度有什么關(guān)系？
4.預(yù)測距離地球50億光年的星系的退行速度。
答：星系距離地球的遠(yuǎn)近與其退行的速度成正比關(guān)系。
答：離地球50億光年星系的退行速度為100000Km/s 。
哈勃分析了20多個(gè)星系的退行速度和距離發(fā)現(xiàn)鋃河系以外的大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去，距離越遠(yuǎn)，離開我們的速度越大。
這表明，我們所處的宇宙正在膨脹。
哈勃定律：
星系的退行速度與它們到地球的距離成正比。
公式表示為：V=Hd
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(shù)
哈勃定律被隨后的進(jìn)一步觀測所證實(shí)。哈勃定律反映了整個(gè)宇宙的整體性，展示了一幅宇宙整體退行圖景，即宇宙正在不斷地膨脹。
圖3.3-5星系間的距離在不斷擴(kuò)大的示意圖
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
為了幫助我們更好地理解星系是如何運(yùn)動的，我們可以建立星系運(yùn)動模型，了解星系運(yùn)動的特點(diǎn)。
答：地球不是宇宙的中心。
1.準(zhǔn)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，各個(gè)圓形小紙片間距離的變化。這些原先靠得很近的“星系”之間的距離增大了嗎？
答：增大了。
實(shí)驗(yàn)表明，不管是哪個(gè)“星系” ,其他“星系”都在不斷地離它而去。各個(gè)圓形小紙片(星系)彼此后退，膨脹沒有中心。
1915年，著名科學(xué)家愛因斯坦建立了廣義相對論，他將廣義相對論用于宇宙的研究，建構(gòu)了一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型。
1922年，蘇聯(lián)科學(xué)家弗
里德曼從廣義相對論出發(fā)，
得到了一個(gè)均勻地膨脹或收
縮的宇宙模型，遺憾的是這個(gè)動態(tài)的模型并不為當(dāng)時(shí)的人們所重視。
現(xiàn)代宇宙學(xué)以愛因斯坦的廣義相對論為理論基礎(chǔ)，以天文觀測為事實(shí)依據(jù)。
當(dāng)哈勃定律公布后，人們驚喜地發(fā)現(xiàn)，天文觀測發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象正是理論模型所預(yù)言的現(xiàn)象。理論預(yù)言被天文觀測證實(shí)了!
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(xiàn)在小。那么時(shí)間越往前，宇審中的星系之間的距離是否必然越小？再往前倒退至某一時(shí)間，宇宙是否密集在一個(gè)點(diǎn)上？
答：時(shí)間越往前宇審中的星系之間的距離可能越小。再往前倒退至某一時(shí)間，宇宙可能密集在一個(gè)點(diǎn)上。
伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理論：宇宙起源于極高溫、極高密度的“奇點(diǎn)”的大爆炸，之后宇宙不斷膨脹、溫度不斷下降，生成各種物質(zhì)，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(yù)測的結(jié)果與實(shí)際觀測的結(jié)果相一致，理論才能被人們接受。
理論預(yù)言
大爆炸使宇宙中充滿了輻射，隨著宇宙膨脹、降溫，當(dāng)今宇宙中仍充滿著大爆炸殘余的輻射，對應(yīng)的溫度約為5K(K為熱力學(xué)溫度單位)。
宇宙大爆炸理論
該理論得到了廣泛的認(rèn)可，成為宇宙學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型。但字宙的研究并沒有結(jié)束，即使是標(biāo)準(zhǔn)模型，也面臨著多方面的挑戰(zhàn)。
測到來自空間各個(gè)方向的輻射，對應(yīng)溫度約為2.73 K，與理論預(yù)測溫度非常接近。
宇宙膨脹得到了觀測事實(shí)的有力支持，宇宙大爆炸理論成功地解釋了很多觀測事實(shí)。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(xué)說。
如圖給出了宇宙演化年表，突出了重要的物質(zhì)與能量演化事件。宇宙大爆炸理論是目前最準(zhǔn)確的描述宇宙從誕生到當(dāng)前狀態(tài)的模型。
雖然宇宙大爆炸理論仍然遇到了不少的疑難問題。宇宙讓我們的思考廣闊而深邃。宇宙有沒有邊界？宇宙會終結(jié)嗎？ ....這些問題， 有待于人們?nèi)ヌ剿骱妥C實(shí)。
像一切科學(xué)理論一樣，宇宙大爆炸理論沒有，也不會窮盡一切真理，它也有局限性，是“未完成的樂章”。
愛因斯坦
愛因斯坦建立廣義相對論后，意識到要將整個(gè)宇宙作為對象來研究，并將廣義相對論作為研究宇宙的理論。愛因斯坦堅(jiān)信整個(gè)宇宙是一個(gè)和諧的整體。于是，愛因斯坦提出了有限無邊、靜態(tài)的字宙模型。他認(rèn)為宇宙整體上應(yīng)該是靜態(tài)的。為此，他在
方程中加了一個(gè)宇宙常數(shù)，以維
持宇宙的靜態(tài)。當(dāng)宇宙膨脹的預(yù)
言被證實(shí)后，愛因斯坦為這一發(fā)
現(xiàn)而歡呼，并承認(rèn)自己在宇宙模
型中人為地引入宇宙常數(shù)，是他
人生中犯下的一個(gè)大錯(cuò)誤。
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2024 新版科學(xué)七上第 3 章第 3 節(jié)人類對字宙的探索 1
1．關(guān)于宇宙，下列說法中正確的是（ ）
A．地球是宇宙中唯一有衛(wèi)星的星球
B．恒星的壽命取決于亮度
C．太陽能夠發(fā)光、放熱，主要是因?yàn)樘杻?nèi)部不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)
D．銀河系是一種旋渦星系，太陽處在其中的一個(gè)旋臂上
2．如圖所示為熱大爆炸宇宙模型中宇宙半徑、溫度與時(shí)間之間的關(guān)系，從圖中可以看出（ ）
①隨著宇宙半徑的增大，宇宙溫度在降低
②隨著宇宙半徑的增大，宇宙溫度在升高
③宇宙在不斷膨脹
④宇宙在不斷收縮
A．①④ B．①③ C．②④ D．②③
3．熱大爆炸宇宙論認(rèn)為宇宙處于不斷地膨脹之中，所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，離我們
越遠(yuǎn)的星系，退行越快。若在我們所在的星系 1 觀測，如圖 1 中能類比宇宙膨脹的是(箭頭
方向和長短分別表示運(yùn)動方向和快慢)（ ）
A． B．
C． D．
4．關(guān)于宇宙起源，根據(jù)大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)定，你認(rèn)為下列說法中正確的是（ ）
①宇宙誕生于距今約 137億年前的一次大爆炸
②大爆炸是整體的，涉及宇宙的全部物質(zhì)及時(shí)間和空間
③大爆炸導(dǎo)致宇宙空間處處膨脹，溫度則相應(yīng)下降
④宇宙溫度下降至一定程度，逐步形成超星系團(tuán)、星系團(tuán)、星系及恒星、行星等
A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④
5．下列有關(guān)熱大爆炸宇宙論的說法正確的是（ ）
A．熱大爆炸宇宙論是科學(xué)家通過科學(xué)觀察和研究得出的一個(gè)科學(xué)結(jié)論
B．熱大爆炸宇宙論是科學(xué)家通過科學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)的一些自然現(xiàn)象所建立的假說
C．因?yàn)橛钪嬖诓粩嗯蛎浀氖聦?shí)為熱大爆炸宇宙論提供了有力證據(jù)，所以熱大爆炸宇宙論
已經(jīng)說明了宇宙起源的事實(shí)
D．熱大爆炸宇宙論是科學(xué)定律
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6．關(guān)于宇宙的將來，下列說法中正確的是（ ）
A．宇宙的將來一定是永遠(yuǎn)膨脹下去
B．宇宙的將來一定是收縮塌陷的
C．宇宙的將來可能是永遠(yuǎn)膨脹下去，也可能是收縮塌陷的
D．宇宙的將來和現(xiàn)在一樣沒有什么變化
7．科學(xué)家證實(shí)宇宙各處都存在微波輻射，其熱力學(xué)溫度為（ ）
A．270 K B．0 K C．3 K D．-270 K
8．宇宙膨脹的最初時(shí)刻是（ ）
A．密度和溫度都極小的時(shí)刻 B．密度極大，溫度極小的時(shí)刻
C．密度極小，溫度極大的時(shí)刻 D．密度和溫度都極大的時(shí)刻
9．中國古代流傳著“開天辟地”的神話，下列對該神話的說法正確的是（ ）
A．這是一個(gè)科學(xué)假設(shè) B．它能科學(xué)地解釋宇宙起源
C．它采用了宇宙膨脹的觀點(diǎn) D．它既是神話，也反映了人類對宇宙起源進(jìn)行探究的思想
10．“日心說”宇宙體系學(xué)說在科學(xué)發(fā)展史上的作用主要是（ ）
A．認(rèn)識到太陽是宇宙的中心 B．肯定了“地心說”宇宙體系學(xué)說
C．闡明天體運(yùn)行現(xiàn)象，為認(rèn)識太陽系奠定了基礎(chǔ) D．開創(chuàng)了對天體的觀察研究
11．隨著科技的進(jìn)步，霍金提出的黑洞理論和宇宙無邊
界的設(shè)想，正逐步得到證實(shí)。如圖 a、b、c、d 四點(diǎn)分別
表示處女座、大熊座、牧夫座和長蛇座四大星系離銀河
系的距離與它們的運(yùn)動速度之間的關(guān)系。由圖可知，星
系離我們越遠(yuǎn)，運(yùn)動的速度 ；可推知宇宙正處于 之中。
12．宇宙熱大爆炸理論認(rèn)為，宇宙一開始是一個(gè)“原始火球”，原始的火球發(fā)生了爆炸。導(dǎo)致
宇宙空間處處膨脹，溫度 (選填“上升”“下降”或“不變”)到一定程度時(shí)，逐步形成了
超星系團(tuán)、星系團(tuán)、星系乃至恒星和行星。而充斥于整個(gè)宇宙空間的 為
宇宙熱大爆炸提供了證據(jù)。宇宙的未來演化趨勢是由 決定的，根據(jù)對其分析，
科學(xué)家預(yù)測，宇宙的未來將繼續(xù) ，甚至 。
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答案
1.D 2.B 3.A 4.D 5.B 6.C 7.C 8.D 9.D 10.C
11.越快； 膨脹
12.下降； 微波背景輻射； 宇宙密度； 膨脹； 加速膨脹
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