資源簡介

(共33張PPT)
3.3 人類對宇宙的探索（1）
——從地心說到日心說
課前引入｜天宮課堂
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(xiàn)？
人類對宇宙認識的演變
地球曾被視為宇宙的中心。科學研究表明，地球位于太陽系內，是一個普通的行星，并沒有明顯的獨特性。太陽系是宇宙中的一個普通的位置，并不是獨特地位。關于宇宙和我們賴以生存的地球，從古到今，人們 的認識經歷了根本性的變革。那么，我們對宇宙的認識是如何改變的
我國古代對于宇宙的認識
蓋天說
出現(xiàn)時間：中國戰(zhàn)國時期
主要內容：天圓如張蓋，地方如棋盤
影響：反映了人們認識宇宙結構的一個階段，在描述天體的視運動方面也有一定的歷史意義。 雖然已經擺脫神話的影響，但遠沒有揭示宇宙的本質。
秦漢時期的進展
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。 這標志著中國古代天文學的重要進步，為后續(xù)的天文觀測和歷法制定奠定了基礎。
“地心說”
起源與發(fā)展
早期希臘哲學家堅信宇宙是完美的，地球位于其中心。公元2世紀，希臘天文學家托勒密在亞里士多德等前人對宇宙認識的基礎上，進一步完善了地球中心學說，創(chuàng)立了"地心說"模型。
影響與意義
"地心說"可以解釋5顆行星的觀測軌跡，以及太陽、月球的運動路徑。盡管托勒密的模型并不正確，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，并給發(fā)現(xiàn)"地心說"不足的人們造成了難題。
“地心說”核心理念
核心理念
地球是宇宙中心，且靜止不動
太陽、月球、行星和恒星都圍繞地球在各自的圓形軌道上運轉
“日心說”的產生過程
提出背景 科學家們經過仔細觀測，發(fā)現(xiàn)行星運行規(guī)律與托勒密的宇宙體系并不吻合
提出過程 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(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。
主要內容 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。
“日心說”的影響
影響 與地球是宇宙的中心的觀點相比，“日心說”的提出是一個重大突破。但哥白尼保留了希臘人的行星做圓周運動的觀點，未能正確解釋行星的運動方式與成因。“日心說”吸引人的是它簡單，人們可以更好地理解它。“日心說”挑戰(zhàn)了當時占主導地位的“地心說”。
科學思維 用現(xiàn)代科學方法探索自然的思想，須用實際觀測進行檢驗，檢驗不合格的思想會被拋棄。采用這種方式，科學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，開啟了科學革命，推翻了“地心說”。
科學家在對宇宙各方面建模時遵循簡單、對稱和美觀的原則
“日心說”的推廣與發(fā)展
伽利略對“日心說”學說的推廣 在絕大多數(shù)人仍相信“地心說”的時代，人們需要更多的證據(jù)才能接受“日心說”。科學家伽利略所收集的證據(jù)，逐漸讓人們相信“日心說”是正確的。伽利略對哥白尼學說的發(fā)展與傳播起到了很大作用，留下了不可磨滅的印記。
學說的證據(jù) 1609年，伽利略用自制望遠鏡觀測天空，為“日心說”提供了有力支持，并證明了地球并非宇宙中心。這些發(fā)現(xiàn)推動了科學革命的進程。伽利略還提出了新的觀測證據(jù)：a.太陽上有黑子，說明太陽并不完美；b.圍著木星的有4顆衛(wèi)星，說明并非所有天體都在繞地球運行。c.金星的位相變化也說明金星并不是圍繞地球公轉的。
“日心說”的代表人物
托勒密
發(fā)現(xiàn)行星運行規(guī)律
哥白尼
奠定了日心說的幾輪基礎
伽利略
推動了日心說的發(fā)展，后被羅馬宗教處終身監(jiān)禁
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。
太陽不是處于宇宙的中心。太陽位于太陽系中,太陽系屬于銀河系,太陽系也不在銀河系的中心。銀河系也是眾多星系中的一個，并非宇宙中心。
探索活動
1.牧夫座星系離地球有多遠？它的退行速度有多大？
牧夫座星系離地球約25億光年遠。
它的退行速度約為39000 km/s。
探索活動
2.哪個星系的退行速度最大？哪個星系離地球最近？
退行速度最大的是長蛇座星系，約60000 km/s。
離地球最近的是室女座星系，距離約0.1億光年。
探索活動
3.得出結論，星系距離地球的遠近與其退行速度有什么關系？
從圖中可以看出，星系距離地球越遠，其退行速度越大。
這表明星系距離地球的遠近與其退行速度呈正相關關系。
探索活動
4.預測距離地球50億光年 的星系的退行速度。
要預測距離地球50億光年的星系退行速度，我們需要根據(jù)圖中的趨勢進行推斷。圖中顯示的最遠星系(長蛇座星系)距離約4 × 10億光年，退行速度約60000 km/s。假設這種線性關系繼續(xù)保持，50億光年遠的星系退行速度大約會是: (50 ÷4) × 60000 ≈ 750000 km/s
宇宙的組成和觀測
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(xiàn)代望遠鏡，揭開了宇宙中的許多奧秘。
宇宙學
研究宇宙的性質、結構和演化（誕生、演化和死亡）的科學。
星系的觀測 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。
星系的運動｜運動的發(fā)現(xiàn)和特點
時間和發(fā)現(xiàn)者 1929年,天文學家哈勃根據(jù)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。
運動特點 銀河系以外的大多數(shù)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。
星系的運動｜哈勃定律
定義 星系的退行速度與它們到地球的距離成正比。即星系到觀察者的距離越遠,星系退行速度越快。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(shù)。
意義 哈勃定律被隨后的進一步觀測所證實。哈勃定律反映了整個宇宙的整體性,展示了一幅宇宙整體退行圖景,即宇宙正在不斷地膨脹。
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？
不是的，幾乎所有的星系都在退行，并不意味著地球處于宇宙的中心。科學家們發(fā)現(xiàn)，除了距離最近的星系之外，其他的星系都在遠離地球而去。此外他們還發(fā)現(xiàn)，距離越遠的星系，其退行的速度越快。但是，這些星系的退行運動并不是穿越于宇宙空間之中的，而是宇宙空間自身的整體膨脹。
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
探索活動
氣球上貼上圓形小紙片后，持續(xù)向氣球充氣，我們會發(fā)現(xiàn)氣球上圓形小紙片間的距離在不斷擴大，如果這些圓形小紙片代表星系，那么原先靠得很近的“星系”之間的距離在不斷地增大。
星系運動模型的建立
實驗表明，不管是哪個“星系”，其他“星系”都在不斷地離它而去。各張圓形小紙片(星系)彼此后退，膨脹沒有中心。
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(lián)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)的當哈勃定律公布后，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言的現(xiàn)象。理論預言被天文觀測證實了！
現(xiàn)代宇宙學以愛因斯坦的廣義相對論為理論基礎，以天文觀測為事實依據(jù)。
思考與討論
根據(jù)目前的宇宙大爆炸理論，宇宙確實 在不斷膨脹,這意味著在過去的某個時刻， 宇宙比現(xiàn)在小,星系之間的距離也更近。然而， 當追溯到宇宙誕生的極早期，根據(jù)現(xiàn)有理 論，宇宙可能經歷了一個被稱為“奇點”的 階段，在這個點上，傳統(tǒng)的物理學定律可 能不再適用。但目前對于“奇點”的本質 和在那之前的情況，我們的理解還存在很多 的未知和不確定性。
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？
愛因斯坦相對論對宇宙研究的貢獻
愛因斯坦
1915年,著名科學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,建構了一個靜態(tài)的宇宙模型。
1922年,蘇聯(lián)科學家弗里德曼從廣義相對論出發(fā),得到一個均勻地膨脹或收縮的宇宙模型,遺憾的是這個動態(tài)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(xiàn),天文觀測發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象正是理論模型所預言的現(xiàn)象。理論預言被天文觀測證實了!
宇宙大爆炸理論
理論概述
提出者：1948年，伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理論。
主要內容：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。
理論預言
大爆炸使宇宙中充滿了輻射，隨著宇宙膨脹、降溫，當今宇宙中仍充滿著大爆炸殘留的輻射，對應的溫度約為5K。
理論證實
測到來自空間各個方向的輻射，對應溫度約為2.73 K，與理論預測溫度非常接近。
宇宙大爆炸
宇宙的起源與演化
宇宙的起源
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。
理論證實
下圖為宇宙演化年表，該圖突出了重要的物質與能量演化事件。宇宙大爆炸理論是目前最準確的描述宇宙從誕生到當前狀態(tài)的模型。
宇宙大爆炸理論也有局限性，是“未完成的樂章”。
創(chuàng)立日心說的天文學家是（　　）
A．伽利略 B．哈雷 C．哥白尼 D．布魯諾
C
小試牛刀
3．
我們利用氣球做了星系運動特點的模擬實驗（如圖所示），下列有關該實驗的描述，錯誤的是（　　）
A．在氣球表面畫上的這些小圓點，模擬的是宇宙中的星系
B．給氣球充氣，使氣球不斷地脹大，模擬的是宇宙的膨脹
C．氣球脹大過程中各圓點間的距離變化模擬星系的運動特點
D．氣球脹大時，對甲圓點而言，乙圓點的遠離速度比丙圓點更快
D
小試牛刀
（2024春 柳州期末）在人類對宇宙的探索過程，15世紀哥白尼提出的“日心說”比托勒密的“地心說”簡潔、和諧。下列與“日心說”相關的說法正確的是（　　）
A．哥白尼還發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律
B．“日心說”認為太陽是宇宙的中心
C．“日心說”是一個正確的科學理論
D．“地心說”什么天文現(xiàn)象都解釋不了
B
小試牛刀
（2024 寧波自主招生）大爆炸理論認為，宇宙起源于137億年前的一次大爆炸。除開始瞬間外，在演化至今的大部分時間內，宇宙都是膨脹的。若標志宇宙大小的宇宙半徑R和宇宙年齡t的關系如圖所示，圖中AB為直線，BC為向上彎曲的曲線，則（　　）
A．AB和BC均說明宇宙在勻速膨脹
B．AB和BC均說明宇宙在加速膨脹
C．AB說明宇宙在勻速膨脹，BC說明宇宙在加速膨脹
D．AB說明宇宙在勻速膨脹，BC說明宇宙在減速膨脹
C
小試牛刀
思維點撥

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