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12.3 探索宇宙
一、课程导入：从 “天圆地方” 到 “宇宙无垠”—— 人类认知的跨越
（一）情境回顾与提问
认知历程展示：播放简短视频，呈现人类对宇宙的认知演变 —— 古代中国人认为 “天圆地方”，古希腊人提出 “地心说”，哥白尼创立 “日心说”，现代科学证实宇宙是由无数星系构成的庞大系统。展示一组对比图片：肉眼看到的星空、望远镜拍摄的星云、航天器传回的火星表面照片。提问：“从‘地球是宇宙中心’到‘宇宙包含数十亿个星系’，人类如何一步步揭开宇宙的神秘面纱？浩瀚的宇宙究竟由什么构成？我们又该如何探索它？”
导入目标：通过人类认知宇宙的历史，激发学生对宇宙探索的兴趣，明确本节课核心 —— 了解宇宙的层次结构、人类探索宇宙的工具与成就，树立 “宇宙无垠、探索不止” 的科学观念。
二、知识点 1：宇宙的层次结构 —— 从微观粒子到宏观星系
宇宙是一个有层次的天体系统，从最小的粒子到最大的总星系，每个层次都有其独特的天体和运动规律，如同 “俄罗斯套娃” 般层层嵌套。
（一）太阳系：人类的 “家园星系”
组成与核心：
太阳系以太阳为中心，围绕太阳运行的天体包括 8 大行星、矮行星（如冥王星）、小行星、彗星、流星体等，所有天体通过太阳的引力维系在太阳系内。
太阳是太阳系中唯一的恒星，质量占太阳系总质量的 99.86%，通过内部的核聚变反应（氢核聚变为氦核）释放出巨大的能量，为太阳系所有天体提供光和热。
八大行星的分类与特点：
类地行星（近太阳行星）：水星、金星、地球、火星，特点是体积小、密度大、由岩石构成，表面有固态外壳（如地球有大气层和液态水，火星有稀薄大气层和干涸的河床）；
类木行星（远太阳行星）：木星、土星、天王星、海王星，特点是体积大、密度小、由气体或液态物质构成（如木星是太阳系最大的行星，体积是地球的 1316 倍，主要由氢和氦组成，有著名的 “大红斑” 风暴）。
太阳系的 “特殊成员”：
彗星：俗称 “扫帚星”，由彗核（冰和岩石的混合物）、彗发（彗核升华形成的气体云）、彗尾（太阳风推斥形成的长尾，始终背离太阳）组成，最著名的是哈雷彗星，公转周期约 76 年；
小行星带：位于火星和木星之间，由无数小行星组成，推测是太阳系形成初期未凝聚成行星的物质碎片（如谷神星是小行星带中最大的天体，属于矮行星）。
（二）银河系：太阳系的 “宿主星系”
形态与规模：
银河系是一个棒旋星系，从侧面看像一个中间厚、边缘薄的 “铁饼”，直径约 10 万光年（1 光年 = 光在真空中 1 年传播的距离，约 9.46×10 km），中心厚度约 1.2 万光年，包含约 1000 亿 - 4000 亿颗恒星。
太阳系位于银河系的一条旋臂（猎户座旋臂）上，距离银河系中心约 2.6 万光年，围绕银河系中心公转，公转周期约 2.5 亿年（称为 “宇宙年”）。
银河系的组成：
恒星：银河系的主要成员，除太阳外，肉眼可见的亮星（如天狼星、织女星）均属于银河系；
星云：由气体（主要是氢和氦）和尘埃组成的云雾状天体，是恒星形成的 “摇篮”（如猎户座星云，内部有大量正在形成的年轻恒星）；
暗物质：银河系中存在大量不可见的暗物质，质量约为可见物质的 5 倍，通过引力作用维系银河系的稳定运行（目前尚未直接观测到，仅通过引力效应推测其存在）。
（三）河外星系与总星系：宇宙的 “庞大网络”
河外星系：
银河系以外的星系统称为河外星系，简称 “星系”，目前人类已观测到的星系数量超过 1000 亿个，每个星系都包含数十亿到数千亿颗恒星。
典型星系举例：①仙女座星系（M31）：距离银河系最近的大型星系，距离约 254 万光年，是肉眼可见的最远天体，形态与银河系相似，正以约 110km/s 的速度向银河系靠近；②三角座星系（M33）：距离银河系约 300 万光年的小型星系，是本星系群（包含银河系、仙女座星系等约 50 个星系的星系群）的成员之一。
总星系：
人类目前能够观测到的宇宙范围称为可观测宇宙，也称为 “总星系”，半径约 137 亿光年（基于宇宙大爆炸理论，宇宙年龄约 138 亿年，光传播的最远距离即为可观测宇宙半径）。
总星系包含所有可观测的星系、星云、恒星等天体，是目前人类认知的宇宙最高层次，但并非宇宙的全部（宇宙可能存在超出可观测范围的部分，目前无法探测）。
三、知识点 2：人类探索宇宙的工具与成就 —— 从肉眼到航天器
人类对宇宙的探索离不开工具的革新，从古代的肉眼观测到现代的航天器探测，每一次工具的进步都带来认知的突破。
（一）观测工具：“延伸人类的视野”
光学望远镜：
原理：通过透镜或反射镜汇聚天体发出的可见光，放大成像，帮助人类观测遥远天体（如伽利略在 1609 年发明的第一台天文望远镜，首次观测到月球表面的环形山、木星的四颗卫星，证实了 “日心说”）。
现代代表：①哈勃空间望远镜：1990 年发射的太空望远镜，摆脱地球大气层的干扰，能观测到 130 亿光年外的星系，拍摄了大量震撼的宇宙照片（如 “哈勃深空场”，展示了宇宙早期形成的星系）；②中国 FAST 射电望远镜（“天眼”）：世界最大的单口径射电望远镜，直径 500 米，主要观测宇宙中的射电信号（如脉冲星、黑洞等），已发现超过 700 颗脉冲星。
航天器探测：“触摸宇宙的脉搏”
无人探测器：①月球探测器：如中国的 “嫦娥系列”（嫦娥五号实现月球采样返回）、美国的 “阿波罗计划”（人类唯一实现载人登月的计划，1969 年阿姆斯特朗首次踏上月球）；②行星探测器：如美国的 “好奇号” 火星车（在火星表面探测，寻找生命存在的证据）、“旅行者 1 号”（1977 年发射，目前已飞出太阳系，是人类飞得最远的航天器，携带 “地球名片”，向宇宙传递人类文明信息）。
载人航天器：①空间站：如国际空间站（由 16 国联合建造，长期有宇航员驻留，进行太空科学实验）、中国 “天宫” 空间站（2022 年完成建造，是中国自主建造的空间站，已开展多次太空授课）；②载人飞船：如中国 “神舟系列” 飞船（神舟五号实现中国首次载人航天，神舟十三号完成 6 个月长期驻留）、美国 “龙飞船”（商业载人飞船，往返于地球与国际空间站）。
（二）重大探索成就：“揭开宇宙的神秘面纱”
月球探索：
1969 年，美国 “阿波罗 11 号” 飞船首次实现人类载人登月，宇航员阿姆斯特朗留下 “个人的一小步，人类的一大步” 的名言；
2020 年，中国 “嫦娥五号” 探测器首次实现月球采样返回，带回约 2kg 月球土壤样本，为研究月球形成与演化提供了重要数据。
火星探索：
美国 “好奇号”“毅力号” 火星车在火星表面发现了干涸的河床、黏土矿物等证据，表明火星早期可能存在液态水和适宜生命生存的环境；
中国 “祝融号” 火星车于 2021 年成功着陆火星，开展火星表面成分、地质结构等探测，成为继美国之后第二个实现火星巡视探测的国家。
宇宙起源与演化：
宇宙大爆炸理论：通过观测宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸后残留的热辐射）、星系红移（星系远离地球的现象，表明宇宙在膨胀），证实宇宙起源于约 138 亿年前的一次大爆炸，从高温高密度的奇点逐渐膨胀冷却，形成今天的宇宙；
黑洞探测：2019 年，人类首次拍摄到黑洞的照片（位于 M87 星系中心的超大质量黑洞，质量约为太阳的 65 亿倍），证实了黑洞的存在（黑洞是质量极大、引力极强，连光都无法逃逸的天体）。
四、知识点 3：宇宙探索的前沿方向与挑战 —— 永无止境的征程
尽管人类已取得丰硕的探索成果，但宇宙仍有许多未解之谜，前沿探索方向既充满机遇，也面临诸多挑战。
（一）前沿探索方向
寻找地外生命：
目标：在太阳系内（如火星、木星卫星 Europa）或太阳系外的 “宜居行星” 上寻找生命存在的证据（如液态水、大气中的氧气或甲烷等生命活动痕迹）；
进展：美国 “苔丝卫星”（TESS）已发现超过 5000 颗系外行星（围绕其他恒星运行的行星），其中约 50 颗位于恒星的 “宜居带”（行星表面可能存在液态水的区域），为寻找地外生命提供了候选目标。
研究暗物质与暗能量：
暗物质：通过引力透镜效应（暗物质的引力使远处星系的光线弯曲）、星系旋转曲线（星系边缘天体的旋转速度异常，表明存在暗物质引力），推测暗物质占宇宙总质量的 27%，但尚未明确其本质（可能是未发现的粒子，如 “弱相互作用大质量粒子” WIMP）；
暗能量：观测发现宇宙膨胀速度在加速，推测存在暗能量推动宇宙膨胀，暗能量占宇宙总质量的 68%，但其本质是目前物理学最大的谜团之一。
载人深空探测：
目标：实现人类载人登陆火星（美国计划 2030 年代实现，中国也在推进火星探测计划）、建立月球基地（作为深空探测的中转站）；
挑战：需解决长期太空飞行中的生命保障（如食物、氧气循环）、辐射防护（宇宙射线对人体的伤害）、航天器推进技术（传统化学推进速度慢，需研发核动力推进等新技术）。
（二）探索挑战与意义
技术挑战：
距离遥远：太阳系内行星距离以 “天文单位”（1 天文单位 = 地球到太阳的距离，约 1.5×10 km）计算，星系间距离以 “光年” 计算，航天器飞行时间极长（如 “旅行者 1 号” 飞出太阳系用了 40 多年）；
环境恶劣：宇宙空间存在真空、强辐射、极端温度（-270℃到数百℃），对航天器和宇航员的生存构成巨大威胁。
探索意义：
科学价值：探索宇宙有助于人类理解宇宙的起源与演化、物质的基本规律（如黑洞、暗物质的研究可能推动物理学革命）；
技术带动：宇宙探索推动了航天技术、材料科学、人工智能等领域的发展（如太空育种培育出高产农作物，航天器技术转化为民用导航、通信技术）；
人类命运：探索宇宙有助于人类寻找新的家园（应对地球资源枯竭、气候变化等问题），树立 “人类命运共同体” 的意识（宇宙无垠，地球是人类唯一的家园，需共同保护地球）。
五、知识点 4：常见误区与纠正
（一）常见误区
误区 1：“宇宙就是总星系，总星系就是宇宙的全部”—— 错误，总星系是人类目前可观测的宇宙范围（半径约 137 亿光年），而宇宙可能存在超出可观测范围的部分，由于光无法到达地球，目前无法探测，因此总星系≠宇宙的全部；
误区 2：“黑洞是‘黑色的洞’，什么都看不见”—— 错误，黑洞本身因引力极强，光无法逃逸，因此不可见，但黑洞周围的物质（如气体、尘埃）被黑洞引力吸引，会形成高温吸积盘，发出强烈的 X 射线或可见光，人类通过观测吸积盘的辐射来间接探测黑洞；
误区 3：“火星上有外星人，美国登月是骗局”—— 错误，目前所有火星探测均未发现生命存在的证据（更无外星人）；美国登月有大量实物证据（如月球土壤样本、登月舱遗迹、激光反射镜等），是公认的科学事实，所谓 “骗局” 是无根据的谣言；
误区 4：“光年是时间单位”—— 错误，光年是长度单位，表示光在真空中 1 年传播的距离（约 9.46×10 km），常用于衡量天体间的距离，而非时间。
（二）纠正方法
概念辨析：明确 “可观测宇宙” 与 “宇宙” 的区别，用 “手电筒照亮黑暗房间” 类比（手电筒光照范围是可观测区域，房间整体是宇宙，光照外的区域仍存在但不可见）；
图像展示：展示黑洞吸积盘的观测图像（如 M87 黑洞照片），说明黑洞的探测方式，纠正 “黑色的洞” 的误解；
证据呈现：展示月球土壤样本的成分分析数据、登月舱的月球轨道照片，反驳 “登月骗局” 谣言；
单位换算：通过计算 “光从太阳到地球需要 8 分钟”，说明光年是长度单位（太阳到地球的距离约 8 光分，属于光年的更小单位）。
六、课堂小结
宇宙的层次结构：太阳系（太阳 + 8 大行星）→银河系（约 1000 亿颗恒星）→河外星系（超 1000 亿个）→总星系（可观测宇宙，半径约 137 亿光年）；
探索工具与成就：光学望远镜（哈勃、FAST）→航天器（月球探测器、火星车、空间站）→重大成就（载人登月、黑洞探测、系外行星发现）；
前沿方向与意义：寻找地外生命、研究暗物质暗能量、载人深空探测，探索宇宙不仅推动科学技术发展，更关乎人类的未来与命运；
核心观念：宇宙无垠，人类的探索永无止境，需保持好奇心与科学精神，同时珍惜地球这一唯一的家园。
七、课堂练习
（一）基础题
下列关于太阳系的说法中，正确的是（ ）
A. 太阳系以地球为中心
B. 太阳是太阳系中唯一的恒星
C. 木星是太阳系中最大的类地行星
D. 哈雷彗星的公转周期约为 100 年
（答案：B，解析：A 太阳系以太阳为中心；C 木星是类木行星；D 哈雷彗星公转周期约 76 年，B 正确）
光年是下列哪个物理量的单位（ ）
A. 时间 B. 长度 C. 质量 D. 速度
（答案：B，解析：光年是光在真空中 1 年传播的距离，属于长度单位，B 正确）
（二）提升题
为什么人类要花费大量资源探索火星？请从科学研究和人类未来两个角度解释。
（答案：①科学研究角度：火星是太阳系中与地球最相似的行星，探索火星可研究其地质结构、大气成分、是否存在液态水等，了解火星的形成与演化，为研究地球的未来（如气候变化、资源枯竭）提供参考；同时，寻找火星上是否存在生命（或曾经存在生命）的证据，有助于理解生命的起源与宇宙中生命的分布；②人类未来角度：随着地球人口增长、资源枯竭、气候变化等问题加剧，探索火星可评估其是否适合人类定居，为人类寻找 “第二家园” 做准备；同时，火星探测推动航天技术、人工智能等领域的发展，为未来载人深空探测（如登陆火星、探索更远星系）积累技术经验）
结合宇宙大爆炸理论，简要说明宇宙的演化过程。
（答案：①宇宙起源于约 138 亿年前的一次大爆炸，初始状态是一个高温、高密度的奇点（体积无限小，温度无限高）；②大爆炸后，宇宙迅速膨胀冷却，约 10 秒后，基本粒子（如夸克、电子）开始形成；③约 3 分钟后，质子和中子结合形成氢核、氦核（宇宙中最主要的元素）；④约 38 万年后，宇宙温度降至约 3000K，电子与原子核结合形成中性原子，宇宙开始透明，光子能够自由传播（形成今天
沪科版2024版物理八年级全册
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12.3探索宇宙
第十二章 小粒子与大宇宙
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《西游记》，孙悟空大闹天宫故事让我们百看不厌。神秘的宇宙究竟有着什么？无边无际的宇宙，它究竟隐藏着多少不为人知的奥秘？在普通人的眼里，宇宙好像披着一层神秘的面纱。从古至今，与生俱来的好奇心驱使着人类不断地探索着宇宙，希望能够更清楚地认识宇宙的真面貌。今天我们也踏着前人的脚步，去探索宇宙。
你认为宇宙是怎样的呢？
我国古代劳动人民对宇宙的定义:“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇”。由此理解宇宙的含义 , 即体现时间性—不断运动和发展变化；空间性—各种形态的物质构成 。
天上究竟有什么？天空有多大？
任务一、了解人类探索太空的历程
在没有先进观测仪器的远古时代 , 人们是怎样认识宇宙的？
托勒密的地心说
哥白尼的日心说
任务一、了解人类探索太空的历程
开普勒定律，也叫“行星运动定律”。是行星绕太阳运动的三定律；
1.行星沿椭圆轨道运动，太阳则位于椭圆轨道的二个焦点之一。
2.在相同时间内，半径向量所扫过的面积是相等的。
3.二个行星绕太阳运动的轨道的周期时间平方之比等于二个轨道与太阳的平均距离的立方之比。
这三定律在天文学中是非常重要的。是自然界的基本定律之一。
任务一、了解人类探索太空的历程
牛顿第三定律（作用力和反作用力定律）
牛顿第二定律（加速度定律）
牛顿第一定律（惯性定律）
牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究，总结出了物体运动的三个基本定律（牛顿三定律）：
任务一、了解人类探索太空的历程
阅读“科学书屋”中的“浑天说”和“中国的太空漫步之旅”，了解和认识浑天仪以及我国的航天成就。
现今我国的空间站建设、火星探测器的发射、2024年6月”嫦娥六号“月背采样返回、FAST望远镜天眼系统等，探索宇宙的步伐—刻都没有停止。
任务二、了解人类探索永无止境
太阳系的构成:太阳(恒星)、八大行星、小行星、卫星、彗星等天体，地球是其中的—颗小行星。八大行星中体积最大是木星，最小的是水星；地球是太阳系中唯一适宜生物存在的天体，月球是地球的卫星。
任务二、了解人类探索永无止境
人类对宇宙的探索一直深受幻想和追求的驱动，且永无止境，不断向前。阅读“科学书屋”，了解宇宙大爆炸。
任务三、了解大国功勋的家国情怀
钱学森
邓稼先
赵忠尧
任务三、了解大国功勋的家国情怀
任务四、了解大国功勋的追求与贡献精神
南仁东是中国著名的天文学家，被誉为“中国天眼之父”。他不仅是国家重大科技基础设施建设项目——中国天眼500米口径球面射电望远镜（简称FAST）工程的发起者和奠基人，因其卓越贡献被中央宣传部追授为“时代楷模”荣誉称号。
了解人类探索宇宙的历程
1.在人类对宇宙的探索过程中，哥白尼提出的“日心说”比托
勒密的“地心说”简洁、和谐。下列说法正确的是( )
B
A.哥白尼还发现了万有引力定律
B.“日心说”认为太阳是宇宙的中心
C.“日心说”是一个正确的科学理论
D.“地心说”什么天文现象都解释不了
2.对于宇宙的认识，下列说法错误的是( )
A
A.太阳是宇宙的中心
B.宇宙是一个有层次的天体结构系统
C.宇宙是有起源、膨胀和演化的
D.宇宙诞生于上百亿年前的一次大爆炸
认识浩瀚的宇宙
3.人类对天体的认识是不断深入、不断完善的。下列天体系
统关系图正确的是( )
C
A. B. C. D.
4.随着科学技术的进步，我国在航天领域取得了举世瞩目的
成就，对宇宙的探索也在不断深入。以下所述的航天器或星
体中距离地球最远的是( )
D
A.在轨运行的微纳量子卫星
B.火星上行走的“祝融”火星车
C.与空间站对接的神舟十八号
D.“天眼 ”发现距地球4 000光年的毫秒脉冲星
弘扬大国功勋的科学家精神
5.[2024·扬州期末] 通过现代观测技术，
我们发现星系正在离我们而去。为了模
拟这一现象，我们可用粘有小塑料粒的
气球类比宇宙，小塑料粒可看成是宇宙
中的天体，气球膨胀时，任意两颗小塑
料粒之间的距离都在______
(填“变大”“变小”或“不变”)，模拟星系
在远离我们而去，它提供了宇宙______
(填“膨胀”或“收缩”)的证据。
变大
膨胀
6.我国科技事业取得举世瞩目的成绩，科学家们用行动体现
了“______无国界，________有祖国”的家国情怀。
科学
科学家
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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