第3章

廣袤浩瀚的宇宙第3節(jié)

人類對宇宙的探索七上科學

ZJ1.知道從地心說到日心說的發(fā)展歷程，領悟科學家敢于質疑、追求真理的科學精神。2.認識宇宙的起源、膨脹和演化，理解宇宙大爆炸理論的主要觀點，發(fā)展科學思維。3.了解銀河系的大小和結構，知道銀河系是宇宙中的一個普通星系，說出太陽在銀河系中的位置，發(fā)展科學觀念。4.知道太陽有形成、演化和衰老的過程，是銀河系中一顆普通的恒星；了解恒星的演化過程。地球曾被人們認為是宇宙中獨一無二的天體，是宇宙的中心。科學研究表明，地球位于太陽系內，太陽系位于銀河系比較邊緣的一個普通的位置，并沒有明顯的獨特地位。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。1.我國古代對宇宙的認識（1）蓋天說提出時間中國戰(zhàn)國時期主要內容天圓如張蓋，地方如棋盤影響雖然已經擺脫神話的影響，但遠沒有揭示宇宙的本質（2）到秦漢時期，人們初步認識了太陽、月球和5顆行星（金星、木星、水星、火星、土星，即“金木水火土”）的基本運動規(guī)律，并能推算天象的發(fā)生。2.地心說提出背景早期的希臘人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中心提出過程公元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”模型主要內容地球是宇宙的中心，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影響“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(xiàn)象，在隨后的1

000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3.日心說（1）哥白尼“日心說”提出背景科學家經過仔細觀測，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。哥白尼在臨終前，出版了著作《天球運行論》，闡述了“日心說”的理論基礎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，也未能正確解釋行星的運動方式與成因。“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)了當時占主導地位的“地心說”重要意義哥白尼“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（2）伽利略對“日心說”的推廣①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。②1609年，伽利略用自制的望遠鏡觀測天空，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行。木星有衛(wèi)星運轉的事實為哥白尼學說提供了強有力的證據(jù)。金星的位相變化也說明金星并不是圍繞地球公轉的。③伽利略的觀測發(fā)現(xiàn)與當時人們對宇宙的普遍認識并不一致，挑戰(zhàn)了居于統(tǒng)治地位的“地心說”。1633年，羅馬宗教裁判所判處伽利略終身監(jiān)禁，隨后改為軟禁，直到他在1642年病逝。

教材第117頁太陽不是宇宙的中心。科學研究表明，太陽位于太陽系中，太陽系位于銀河系比較邊緣的一個普通的位置，并沒有明顯的獨特地位。典例1

下列關于“地心說”和“日心說”的說法，正確的是(

)

CA.“地心說”認為地球繞太陽轉，“日心說”認為太陽繞地球轉B.“地心說”宇宙體系在科學發(fā)展史上的作用是發(fā)展“日心說”宇宙體系C.“日心說”闡明了天體運行規(guī)律，為后人認識太陽系，進而認識地球的起源奠定了基礎D.“日心說”從現(xiàn)代天文學的角度看是正確的解析：“地心說”認為太陽及其他天體圍繞地球運動，“日心說”認為地球和行星是繞太陽做圓周運動的，所以選項A錯誤。“地心說”宇宙體系在科學發(fā)展觀上的作用是打破了天圓地方的宇宙觀，建立了宇宙空間的觀念，所以選項B錯誤。“日心說”在今天看來，也不是正確的，因為太陽并不是宇宙的中心，所以選項D錯誤。1.宇宙的組成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。2.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。

3.星系的運動——哈勃的研究研究過程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。研究成果星系運動特點發(fā)現(xiàn)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研究成果哈勃定律內容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

教材第119頁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以外，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行于宇宙空間之中的，而是宇宙空間自身的整體膨脹。4.星系運動模型的建立（含教材第119頁探索活動答案）為了幫助我們更好地理解星系是如何運動的，我們可以建立星系運動模型，了解星系運動的特點。步驟（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。步驟（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。_____________________________（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？現(xiàn)象在氣球脹大過程中，氣球上圓形小紙片間的距離在不斷擴大。這些“星系”之間的距離在不斷增大結論在宇宙膨脹過程中，不管是哪個星系，其他星系都在不斷地離它遠去，各個星系彼此后退，膨脹沒有中心5.愛因斯坦的廣義相對論對宇宙研究的貢獻（1）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。（2）1922年，蘇聯(lián)科學家弗里德曼從廣義相對論出發(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(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！

教材第120頁根據(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)的物理學定理可能不再適用。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。雖然當前的科學理論支持宇宙從一個高密度、高溫的狀態(tài)開始膨脹，但對于宇宙最初的那個瞬間，還需要更多的研究和探索來完善和驗證相關的理論。6.宇宙大爆炸理論（1）宇宙大爆炸理論奠基者1948年，伽莫夫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)膨脹下去觀測證據(jù)意義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。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，是目前最準確的描述宇宙從誕生到當前狀態(tài)的模型。不足雖然宇宙大爆炸理論已經取得很大的成功，但是隨著研究的不斷深入，仍然遇到了不少的疑難問題。宇宙有沒有邊界？宇宙會終結嗎？……這些問題，有待于人們去探索和證實。（像一切科學理論一樣，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”）（2）宇宙的起源與演化①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。②如圖為宇宙演化年表，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。典例2

下列有關大爆炸宇宙論的說法正確的是(

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BA.因為宇宙在不斷膨脹的事實為大爆炸宇宙論提供了有力證據(jù)，所以大爆炸宇宙論已經說明了宇宙起源的事實B.大爆炸宇宙論是科學家通過科學觀察發(fā)現(xiàn)的一些自然現(xiàn)象所建立的假說C.大爆炸宇宙論是科學家通過科學觀察和研究得出的一個科學結論D.大爆炸宇宙論和牛頓第一定律一樣是科學定律解析：大爆炸宇宙論是目前被人們廣為接受的一種宇宙起源學說，并不是科學結論，更不是科學定律。隨著科技的進步，人們對宇宙的認識還將不斷深入。1.星系概念星系是由單顆恒星、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)分類天文學家把大多數(shù)星系分為三類：旋渦星系、橢圓星系和不規(guī)則星系形狀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組成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2.銀河系太陽系處在銀河系中，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。大小圖示_____________________________________________________3.河外星系河外星系即銀河系外的其他星系。（1）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(xiàn)這個距離遠大于銀河系的直徑。其實，仙女星系是一個比銀河系更巨大的星系。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。（2）宇宙中有上千億個星系，每個星系中同樣含有數(shù)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。4.宇宙銀河系雖然很大，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。下圖顯示了不同尺度的天體所橫跨的范圍。

教材第124頁（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。簡單口訣：東南西北，春夏秋冬。（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。典例3

(2024·嘉興期末)伴隨著人類探索宇宙的步伐，關于牛郎織女的“銀河”對于我們來說也不再陌生。下列有關銀河系的說法正確的是(

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DA.銀河系是我們目前觀察到的宇宙的全部B.太陽系是銀河系內唯一的天體系統(tǒng)C.我們的家園——地球位于銀河系的中心D.銀河系的形狀側視像大鐵餅，俯視像大漩渦解析：銀河系只是宇宙的一部分，故A錯誤。太陽系是銀河系內很小的一個天體系統(tǒng)，故B錯誤。地球位于太陽系中，太陽系位于銀河系的一條旋臂上，所以地球沒有位于銀河系的中心，故C錯誤。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，故D正確。1.研究恒星演化的意義

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。2.恒星的形成（1）恒星的誕生：隨著宇宙的膨脹，溫度不斷降低，出現(xiàn)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。

3.恒星壽命與質量的關系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。4.太陽未來的演變過程階段特點紅巨星階段大約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1萬倍階段特點白矮星階段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、密度很大的白矮星黑矮星階段太陽將慢慢“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)