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(共34张PPT)
3.3人类对宇宙的探索
浙教版七年级科学上册
第三章 广袤浩瀚的宇宙
2023年9月21日,“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲，航天员为广大青少年带来一堂精彩的太空科普课，并通过视频与地面课堂师生进行实时互动交流。“天宫课堂”对于培养青少年科学精神、激发青少年探索浩瀚宇宙的兴趣具有独特优势。人类为什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些发现？
一、从地心说到日心说
我国战国时期的盖天说认为，天圆如张盖，地方如棋盘。盖天说这种宇宙观，虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质。到秦汉时期，人们初步认识了太阳、月球和5颗行星的基本运动规律,并能推算天象的发生。
早期的希腊人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中心。公元2世纪，希腊天文学家托勒密(C.Ptolemaeus)在亚里士多德等前人对宇宙的认识的基础上，进一步完善了地球中心学说，创立了“地心说”模型。
一、从地心说到日心说
托勒密认为，地球是宇宙中心，且静止不动，太阳、月球、行星和其他所有天体都围绕着地球在各自的圆形轨道上运转，如图所示。“地心说”可以解释5颗行星的观测路径，以及太阳、月球的运动路径。
尽管托勒密的“地心说”模型并不正确，但它能解释很多人们观察到的天文现象，在随后的1000多年里，普遍为人们所接受，并给发现“地心说”不足的人们造成了难题。
一、从地心说到日心说
科学家经过仔细观测，发现行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合。16世纪，哥白尼用自制的简陋仪器，经过20年的天文观测与研究发现，与其他5颗行星一样，地球也是一颗行星。天空中观察到的行星运动可通过旋转的地球来简单地解释。在得出地球是一颗行星后，哥白尼为太阳系建立了一个“日心说”模型。该模型认为太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕太阳做圆周运动，如图所示。
哥白尼“日心说”的建立，使人们的认识从“地球中心”走向“太阳中心”。今天，我们知道,除了太阳,太阳系中还包括行星及其卫星，以及各种更小的天体，这些大大小小的天体都围绕太阳公转。
思考与讨论
“日心说”中有关宇宙以太阳为中心的提法也有不正确之处，请用相关知识解释。
二、现代宇宙学说
宇宙从哪里来 宇宙将向何处去 宇宙有多大 宇宙有中心吗 宇宙中还有适合人类生存的家园吗 这些问题不断激励着人们去探索。
浩瀚的宇宙中有各种不同的天体，这些天体又组成了大小不同的天体系统。我们看到的宇宙就是由各种不同的天体系统组成的。科学家借助现代望远镜，揭示了宇宙中的许多奥秘。
二十世纪一二十年代，天文学家用大型望远镜观测了银河系以外的星系，测出不同星系间的距离，判断它们的运动速度以及运动方向。
探索活动
1.阅读图3.3-4,牧夫座星系离地球有多远 它的退行速度有多大
2.阅读图3.3-4，哪个星系的退行速度最大 哪个星系离地球最近
3.得出结论，星系距离地球的远近与其退行的速度有什么关系
4.预测距离地球50亿光年的星系的退行速度。
1929年，天文学家哈勃(E.P.Hubble)根据自己对银河系以外星系距离的测定，结合其他天文学家的工作，分析了20多个星系的退行速度和距离，发现银河系以外的大多数星系都在远离我们而去，距离越远，离开我们的速度越大。
这表明，我们所处的宇宙正在膨胀。在此基础上，哈勃提出了著名的哈勃定律:星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。哈勃定律可以用公式表示为:
v=Hd
其中，v为星系退行速度,d为星系到观察者的距离,H为哈勃常数。
思考与讨论
几乎所有的星系都在退行，是否意味着地球处于宇宙的中心
探索活动
1.准备一只气球，在其表面贴上一些圆形小纸片。小纸片代表星系。
2.在圆形小纸片上用笔做记号，表示星系上的居民，记录相邻“星系”的位置和距离。
3.用打气筒持续地向气球充气，使气球不断地胀大(即宇宙膨胀)，如图所示。
4.观察气球在胀大过程中，各张圆形小纸片间距离的变化。这些“星系”之间的距离发生了怎样的变化
1915年，著名科学家爱因斯坦(A.Einstein)建立了广义相对论，他将广义相对论用于宇宙的研究，建构了一个静态的宇宙模型。1922年，苏联科学家弗里德曼(A.Friedman)从广义相对论出发，得到了一个均匀地膨胀或收缩的宇宙模型，遗憾的是这个动态的。
模型并不为当时的人们所重视。当哈勃定律公布后，人们惊喜地发现，天文观测发现的现象正是理论模型所预言的现象。理论预言被天文观测证实了!
思考与讨论
我们是否可以做出这样的推断:宇宙在不断膨胀，这意味着过去的宇宙比现在小。那么，时间越往前，宇宙中的星系之间的距离是否必然越小 再往前倒退至某一时间,宇宙是否密集在一个点上
1948年，伽莫夫(G.Gamow)等人建立的元素生成理论，为宇宙起源的大爆炸理论奠定了基础。宇宙大爆炸理论认为，宇宙起源于极高温、极高密度的“奇点”的大爆炸，之后宇宙不断膨胀、温度不断下降，生成各种物质，形成各种星系，演化成今天的宇宙,今天的宇宙仍将继续膨胀下去。
宇宙大爆炸理论合理吗 理论预测的结果与实际观测的结果相一致,理论才能被人们接受。
理论预言
大爆炸使宇宙中充满了辐射，随着宇宙影胀、降温，当今宇审中仍充满着大爆炸残余的辐射，对应的温度约为5K(K为热力学温度单位)。
宇宙大爆炸理论
该理论得到了广泛的认可，成为宇宙学中的标准模型。但宇宙的研究并没有结束，即使是标准模型，也面临着多方面的挑战。
测到来自空间各个方向的辐射，对应温度约为2.73K，与理论预测温度非常接近。
宇宙膨胀得到了观测事实的有力支持，宇宙大爆炸理论成功地解释了很多观测事实。因此，宇宙大爆炸理论已成为被人们广为接受的一种宇宙起源学说。
多方面观测研究表明，我们的宇宙始于约138亿年前的一次大爆炸，大爆炸为后来的星系、恒星和行星的形成与演化提供了所有的能量。
三、银河系和河外星系
宇宙有多大 最初人们认为地球是宇宙的中心，太阳、月球、5颗行星和6000多颗静止不动的恒星构成了宇宙。后来，人们认识到宇宙由银河系等星系组成，银河系由几千亿颗像太阳一样的恒星组成。那么，银河系有多大 它的中心在哪里 地球位于银河系的何处
我们的太阳系处在银河系之中。当我们仰望夏季的夜空，看到横跨夜空的那条银河时，其实我们正在银河系内部观察我们生存的这个星系的中心。
星系(galaxy)是由单颗恒星、恒星系统、星团、尘埃和气体在引力作用下聚集在一起形成的大型天体系统。天文学家把大多数星系分为三类:旋涡星系、椭圆星系和不规则星系，如图3.3-10所示。
旋涡星系
椭圆星系
不规则星系
银河系是一个旋涡星系。从侧面看，银河系呈扁圆盘状;从上往下看，能够看到银河系的旋涡结构。我们无法在地球上看到银河系的旋涡结构，因为太阳系位于银河系的一条旋臂上。
银河系是由众多恒星及星际物质组成的一个巨大星系，所有的恒星都围绕银河系的中心旋转。银河系的直径约为1.0×105光年，中心厚度约为1.2×104光年，自中心向边缘逐渐变薄。太阳只是银河系内几千亿颗恒星中的一颗普通恒星。太阳远离银河系的中心，它与银河系中心的距离约2.6 ×104光年，约2.4亿年绕银河系中心转一圈。恒星彼此相距很远，离太阳最近的恒星是比邻星，与太阳相距4.22光年。
银河系虽然很大，但在整个宇宙中显得微不足道。银河系只是广阔深空中上千亿个星系中的一个普通星系。银河系和银河系外的河外星系构成了广阔无垠的宇宙。图3.3-13显示了不同尺度的天体所横跨的范围。
天文学家很早就意识到银河系外有其他星系。1919年，哈勃用当时最大且最先进的天文望远镜，测定了仙女座大星云(星系)的距离，发现这个距离远大于银河系的直径。因此，哈勃推断仙女星系一定位于银河系之外。其实，仙女星系是一个比银河系更巨大的星系。图3.3-14仙女星系我们肉眼观察到的仙女星系是由许多星星集中在一起的模糊小点。
1.面向北天星空，先找到大熊星座。北斗七星在天空中呈斗状，很容易认出。其斗柄在不同季节指向不同:在晚上八九点钟观测，春天斗柄朝东，夏天斗柄朝南，秋天斗柄朝西,冬天斗柄朝北。
探索活动
2.把北斗七星中斗前的两星连线，并朝斗口方向延伸5倍距离，就可以找到北极星。
我们知道宇宙中有上千亿个星系，每个星系中同样含有数量巨大的恒星。例如，天文学家估计,北斗七星范围内存在100多万个星系。今天，我们对宇宙的理解已跨越浩瀚的星际空间，延伸到了我们所见的整个宇宙。然而，这些发现，无论大小，都是无数科学家努力探索的成果，是一代代科学家智慧的结晶。
四、恒星
太阳是银河系内一颗相当普通的恒星。每一颗恒星都有其诞生、演化和死亡的过程，这是一个十分缓慢的过程。太阳是地球的能量之源，没有太阳，人类就不能生存。研究恒星的诞生、演化和死亡，对人类的生存具有重要意义。
天文学家根据对各种恒星的观测和理论研究，认识到所有恒星的诞生过程与太阳的诞生过程基本相似。
随着宇宙的膨胀，温度不断降低，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃。宇宙尘埃在引力作用下，会变得更加密集，并越聚越大，形成气体状态的星云团。随着星云团的收缩，温度不断升高，当温度变得非常炽热，星云团就开始发光。于是，恒星诞生了。
当这颗恒星继续收缩升温，温度超过1×107℃时，将引发恒星内部的氢核发生聚变反应，生成氦并向外释放出能量，恒星就稳定下来，进入主序星阶段。恒星的稳定主序星阶段能够持续多长时间呢 像太阳这样的恒星的主序星阶段可持续约100亿年。太阳已存在约50亿年，它的主序星阶段还有约50亿年。今天的太阳正处在它的鼎盛时期。恒星约90%的生命周期都处于主序星阶段。
1.图3.3-17展示了恒星的质量与它的寿命的关系。恒星寿命指恒星在耗尽燃料之前能存在的时间。
2.一颗质量是太阳0.8倍的恒星能存在多久 一颗质量是太阳1.7倍的恒星又能存在多久
3.描述恒星的质量与它的寿命的一般关系。
探索活动
恒星是不会永久存在的。一颗恒星寿命的长短取决于它的质量大小:质量越大,寿命越短;质量越小,寿命越长。
科学家描绘出了太阳未来的演变过程:大约50亿年后，太阳中心缺少足够的氢时，太阳的球核将开始收缩，太阳外层的氢继续变成氦，星体急剧扩大，变成红色，形成红巨星。当太阳膨胀到接近火星轨道时，将吞噬水星、金星、地球，预计太阳在红巨星阶段持续大约10亿年时间，亮度升高到今天的近1万倍。红巨星不断地把外层物质抛向太空，在星体周围形成行星状星云，它的核聚变过程中形成的一些物质将进入星际介质参与再循环，而球核进一步收缩，形成体积极小、密度很大的白矮星。最后，太阳将慢慢“熄灭”，形成一颗看不见的黑矮星，变成星云的一部分，留在宇宙中，进入新的循环。
思考与讨论
了解了太阳一生的演化后，你对宇宙有了什么新认识
与太阳一样，当恒星内核的氢燃烧殆尽，就会快速演化并消亡。这是恒星最后的归宿。如果恒星的质量是1~8倍太阳质量，它会演变成红巨星，最终演变成白矮星，即体积很小、质量不太小的恒星;如果恒星的质量是太阳质量的10~20倍，它的体积会急剧变大，形成红超巨星，随后爆发成超新星(supernova)，最终演变成体积极小、密度极大的中子星。1054年，我国发现并记录的超新星爆发，史称“客星”。蟹状星云即在这次爆发后诞生，这是天文学中第一个被认证具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。
当恒星的质量更大时，其内部将产生巨大压力，物质被“压”成了更为神奇的天体一黑洞(black hole)。黑洞的密度非常大，强大的引力使任何物质，甚至光都无法逃脱它的吸引。因此，远处的观测者无法看到来自黑洞的光。虽然人们看不见黑洞，但科学家能确定它的存在。
思考与讨论
大质量恒星的消亡过程和太阳有什么不同
几十年来、科学家一直在寻找黑洞。2016年，科学家宣布探测到黑洞的存在。2019年，我国天文学家依托自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)，发现了一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞。
2022年5月，天文学家向人们展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。
银河系中心黑洞距离地球约2.7x10°光年之遥。恒星在生命的最后时刻，都会不断地向四周抛出物质。这些物质自由地在太空中扩散，最后将渐渐孕育出新一轮的恒星星云。
2011年度的诺贝尔物理学奖被授予三位天体物理学家，以表彰他们通过观测遥远的超新星而发现了宇宙在加速膨胀这一卓越成果。超新星的热核爆炸表示了这颗恒星的演化阶段是(　　)。
A．诞生期 B．壮年期
C．死亡期 D．任何时期都可能
【答案】C
【解析】超新星的热核爆炸代表了这颗恒星演化到了死亡期，即超大质量恒星能以巨热核恒星炸弹的形式变成超新星，超新星爆炸死亡。
故答案为：C。
课堂小练习
一颗恒星距离地球有10光年，则我们看到它的光是(　　)。
A．10光年前发出的 B．10年前发出的
C．3×109光年前发出的 D．3×109年前发出的
课堂小练习
【答案】B
【解析】若一颗恒星距离地球10光年，它发出的光需要10年才能传播到地球，所以现在我们看到的这颗恒星的光是它10年前发出的。
故答案为：B。
课堂小练习
【答案】B
【解析】18世纪，德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯通过对行星运动特点和星云的研究，迈出了第一步，提出了“康德一拉普拉斯星云说”。除了“星云说”，关于太阳系的形成还有其他假说，例如“灾变说”，它认为地球等行星的物质是因为某种偶然的巨变（如另一颗恒星接近太阳或与太阳相撞）而从太阳中分离出来的。
故答案为：B。
关于太阳系的起源有多种假说，最主要的有两类，它们分别是(　　)。
A．“星云说”和“地心说”
B．“灾变说”和“星云说”
C．“大爆炸宇宙论”和“日心说”
D．“灾星说”和“星云说”

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