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第3章 广袤浩瀚的宇宙
第3节 人类对字宙的探索
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？
第1课时 对宇宙认识历程
第3节 人类对字宙的探索
一、从地心说到日心说
地球曾被人们认为是宇宙中独一无二的天体，是宇宙的中心。
科学研究表明，地球位于太阳系内，太阳系位于银河系比较边缘的一个普通的位置，并没有明显的独特地位。关于宇宙和我们赖以生存的地球，从古到今，人们的认识经历了根本性的变革。那么，我们对宇宙的认识是如何改变的？
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，但远没有揭示字宙的本质。
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。
托勒密
亚里士多德
托勒密认为，地球是宇宙中心，且静止不动，太阳、月球、行星和恒星等所有天体都围绕着地球在各自的圆形轨道上运转，
如图3.3-1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。
地心说
日月星辰东升西落
月亮东升西落
太阳东升西落
星星东升西落
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。
但给发现“地心说”不足的人们造成了难题。
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。在得出地球是颗行星后， 哥白尼，为太阳系建立了一个“日心说”模型。
科学家在对宇宙各方面建模时仍遵循简单、对称和美观的原则。
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。
哥白尼出版了著作《天球运行论》，阐述了“日心说”的理论基础。与地球是宇宙的中心的观点相比，“日心说”的提出是一个重大突破。但哥白尼在行星做圆周运动的观点，也未能正确解释行星的运动方式与成因。“日心说”吸引人的地方是它简单，人们可以更好地理解它。“日心说”挑战了当时占主导地位的“地心说”。
在绝大多数人仍相信“地心说”的时代，人们需要更多的证据才能接受“日心说”。科学家伽利略所收集的证据，逐渐让入们相信“日心说”是正确的。
伽利略对哥白尼学说的发展与传播起到了很大作用，留下了不可磨灭的印记。1609年，伽利略用自制的望远镜观测天空，为“日心说”提供了新的观测证据。
伽利略发现：太阳上有黑子，说明太阳并不完美；
围绕着木星的有4颗卫星，说明并非所有天体都在绕地球运行。
木星有卫星运转的事实为哥白尼学说提供了强有力的证据。
金星的位相变化也说明金星并不是围绕地球公转的。
用现代科学方法探索自然的思想，须用实际观测进行检验，检验不合格的思想会被抛弃。采用这种方式，科学家慢慢形成了理解宇宙的更好知识体系。哥白尼基于多年观测，开启了科学革命，推翻了“地心说”。
伽利略的观测发现与当时人们对宇宙的普遍认识并不一致，挑战了居于统治地位的“地心说”。
图3.3-3伽利略记录在本子上的7个夜晚的木星的4颖卫星图示
哥白尼“日心说”的建立，使我们的认识从“地球中心”走向“太阳中心”。
“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。
答：太阳并不是宇宙的中心，就连银河系的中心也不是， 而是太阳系的中心。 太阳系位于银河系的一个偏远臂旋上， 而银河系是宇宙中无数个星系中的一个， 就目前的科技来说并未发现宇宙的中心。
二、现代宇宙学说
宇宙学：研究宇宙的性质、结构和演化(起源、演化和死亡)的科学。
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，揭开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。
1.读图，牧夫座星系离地球有多远，它的退行速度有多大？
2. 哪个星系的退行速度最大，哪个星系离地球最近？
答：牧夫座星系离地球25亿光年。退行速度39000Km/s。
答：长蛇座退行速度最大。室女座离地球最近。
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。
答：星系距离地球的远近与其退行的速度成正比关系。
答：离地球50亿光年星系的退行速度为100000Km/s 。
哈勃分析了20多个星系的退行速度和距离发现锒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。
哈勃定律：
星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。
公式表示为：V=Hd
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
哈勃定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律反映了整个宇宙的整体性，展示了一幅宇宙整体退行图景，即宇宙正在不断地膨胀。
图3.3-5星系间的距离在不断扩大的示意图
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
为了帮助我们更好地理解星系是如何运动的，我们可以建立星系运动模型，了解星系运动的特点。
答：地球不是宇宙的中心。
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，各个圆形小纸片间距离的变化。这些原先靠得很近的“星系”之间的距离增大了吗？
答：增大了。
实验表明，不管是哪个“星系” ,其他“星系”都在不断地离它而去。各个圆形小纸片(星系)彼此后退，膨胀没有中心。
1915年，著名科学家爱因斯坦建立了广义相对论，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。
现代宇宙学以爱因斯坦的广义相对论为理论基础，以天文观测为事实依据。
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!
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，宇审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？
答：时间越往前宇审中的星系之间的距离可能越小。再往前倒退至某一时间，宇宙可能密集在一个点上。
伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论：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，随着宇宙膨胀、降温，当今宇宙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。但字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2.73 K，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。
如图给出了宇宙演化年表，突出了重要的物质与能量演化事件。宇宙大爆炸理论是目前最准确的描述宇宙从诞生到当前状态的模型。
虽然宇宙大爆炸理论仍然遇到了不少的疑难问题。宇宙让我们的思考广阔而深邃。宇宙有没有边界？宇宙会终结吗？ ....这些问题， 有待于人们去探索和证实。
像一切科学理论一样，宇宙大爆炸理论没有，也不会穷尽一切真理，它也有局限性，是“未完成的乐章”。
爱因斯坦
爱因斯坦建立广义相对论后，意识到要将整个宇宙作为对象来研究，并将广义相对论作为研究宇宙的理论。爱因斯坦坚信整个宇宙是一个和谐的整体。于是，爱因斯坦提出了有限无边、静态的字宙模型。他认为宇宙整体上应该是静态的。为此，他在
方程中加了一个宇宙常数，以维
持宇宙的静态。当宇宙膨胀的预
言被证实后，爱因斯坦为这一发
现而欢呼，并承认自己在宇宙模
型中人为地引入宇宙常数，是他
人生中犯下的一个大错误。
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2024 新版科学七上第 3 章第 3 节人类对字宙的探索 1
1．关于宇宙，下列说法中正确的是（ ）
A．地球是宇宙中唯一有卫星的星球
B．恒星的寿命取决于亮度
C．太阳能够发光、放热，主要是因为太阳内部不断发生化学反应
D．银河系是一种旋涡星系，太阳处在其中的一个旋臂上
2．如图所示为热大爆炸宇宙模型中宇宙半径、温度与时间之间的关系，从图中可以看出（ ）
①随着宇宙半径的增大，宇宙温度在降低
②随着宇宙半径的增大，宇宙温度在升高
③宇宙在不断膨胀
④宇宙在不断收缩
A．①④ B．①③ C．②④ D．②③
3．热大爆炸宇宙论认为宇宙处于不断地膨胀之中，所有的星系都在远离我们而去，离我们
越远的星系，退行越快。若在我们所在的星系 1 观测，如图 1 中能类比宇宙膨胀的是(箭头
方向和长短分别表示运动方向和快慢)（ ）
A． B．
C． D．
4．关于宇宙起源，根据大多数科学家的认定，你认为下列说法中正确的是（ ）
①宇宙诞生于距今约 137亿年前的一次大爆炸
②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间和空间
③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降
④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等
A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④
5．下列有关热大爆炸宇宙论的说法正确的是（ ）
A．热大爆炸宇宙论是科学家通过科学观察和研究得出的一个科学结论
B．热大爆炸宇宙论是科学家通过科学观察发现的一些自然现象所建立的假说
C．因为宇宙在不断膨胀的事实为热大爆炸宇宙论提供了有力证据，所以热大爆炸宇宙论
已经说明了宇宙起源的事实
D．热大爆炸宇宙论是科学定律
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6．关于宇宙的将来，下列说法中正确的是（ ）
A．宇宙的将来一定是永远膨胀下去
B．宇宙的将来一定是收缩塌陷的
C．宇宙的将来可能是永远膨胀下去，也可能是收缩塌陷的
D．宇宙的将来和现在一样没有什么变化
7．科学家证实宇宙各处都存在微波辐射，其热力学温度为（ ）
A．270 K B．0 K C．3 K D．-270 K
8．宇宙膨胀的最初时刻是（ ）
A．密度和温度都极小的时刻 B．密度极大，温度极小的时刻
C．密度极小，温度极大的时刻 D．密度和温度都极大的时刻
9．中国古代流传着“开天辟地”的神话，下列对该神话的说法正确的是（ ）
A．这是一个科学假设 B．它能科学地解释宇宙起源
C．它采用了宇宙膨胀的观点 D．它既是神话，也反映了人类对宇宙起源进行探究的思想
10．“日心说”宇宙体系学说在科学发展史上的作用主要是（ ）
A．认识到太阳是宇宙的中心 B．肯定了“地心说”宇宙体系学说
C．阐明天体运行现象，为认识太阳系奠定了基础 D．开创了对天体的观察研究
11．随着科技的进步，霍金提出的黑洞理论和宇宙无边
界的设想，正逐步得到证实。如图 a、b、c、d 四点分别
表示处女座、大熊座、牧夫座和长蛇座四大星系离银河
系的距离与它们的运动速度之间的关系。由图可知，星
系离我们越远，运动的速度 ；可推知宇宙正处于 之中。
12．宇宙热大爆炸理论认为，宇宙一开始是一个“原始火球”，原始的火球发生了爆炸。导致
宇宙空间处处膨胀，温度 (选填“上升”“下降”或“不变”)到一定程度时，逐步形成了
超星系团、星系团、星系乃至恒星和行星。而充斥于整个宇宙空间的 为
宇宙热大爆炸提供了证据。宇宙的未来演化趋势是由 决定的，根据对其分析，
科学家预测，宇宙的未来将继续 ，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； 膨胀
12.下降； 微波背景辐射； 宇宙密度； 膨胀； 加速膨胀
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