资源简介

(共33张PPT)
3.3 人类对宇宙的探索（1）
——从地心说到日心说
课前引入｜天宫课堂
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？
人类对宇宙认识的演变
地球曾被视为宇宙的中心。科学研究表明，地球位于太阳系内，是一个普通的行星，并没有明显的独特性。太阳系是宇宙中的一个普通的位置，并不是独特地位。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
我国古代对于宇宙的认识
盖天说
出现时间：中国战国时期
主要内容：天圆如张盖，地方如棋盘
影响：反映了人们认识宇宙结构的一个阶段，在描述天体的视运动方面也有一定的历史意义。 虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质。
秦汉时期的进展
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。 这标志着中国古代天文学的重要进步，为后续的天文观测和历法制定奠定了基础。
“地心说”
起源与发展
早期希腊哲学家坚信宇宙是完美的，地球位于其中心。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。
影响与意义
"地心说"可以解释5颗行星的观测轨迹，以及太阳、月球的运动路径。尽管托勒密的模型并不正确，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。
“地心说”核心理念
核心理念
地球是宇宙中心，且静止不动
太阳、月球、行星和恒星都围绕地球在各自的圆形轨道上运转
“日心说”的产生过程
提出背景 科学家们经过仔细观测，发现行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合
提出过程 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。
主要内容 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。
“日心说”的影响
影响 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。但哥白尼保留了希腊人的行星做圆周运动的观点，未能正确解释行星的运动方式与成因。“日心说”吸引人的是它简单，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”。
科学思维 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”。
科学家在对宇宙各方面建模时遵循简单、对称和美观的原则
“日心说”的推广与发展
伽利略对“日心说”学说的推广 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，逐渐让人们相信“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。
学说的证据 1609年，伽利略用自制望远镜观测天空，为“日心说”提供了有力支持，并证明了地球并非宇宙中心。这些发现推动了科学革命的进程。伽利略还提出了新的观测证据：a.太阳上有黑子，说明太阳并不完美；b.围着木星的有4颗卫星，说明并非所有天体都在绕地球运行。c.金星的位相变化也说明金星并不是围绕地球公转的。
“日心说”的代表人物
托勒密
发现行星运行规律
哥白尼
奠定了日心说的几轮基础
伽利略
推动了日心说的发展，后被罗马宗教处终身监禁
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。
太阳不是处于宇宙的中心。太阳位于太阳系中,太阳系属于银河系,太阳系也不在银河系的中心。银河系也是众多星系中的一个，并非宇宙中心。
探索活动
1.牧夫座星系离地球有多远？它的退行速度有多大？
牧夫座星系离地球约25亿光年远。
它的退行速度约为39000 km/s。
探索活动
2.哪个星系的退行速度最大？哪个星系离地球最近？
退行速度最大的是长蛇座星系，约60000 km/s。
离地球最近的是室女座星系，距离约0.1亿光年。
探索活动
3.得出结论，星系距离地球的远近与其退行速度有什么关系？
从图中可以看出，星系距离地球越远，其退行速度越大。
这表明星系距离地球的远近与其退行速度呈正相关关系。
探索活动
4.预测距离地球50亿光年 的星系的退行速度。
要预测距离地球50亿光年的星系退行速度，我们需要根据图中的趋势进行推断。图中显示的最远星系(长蛇座星系)距离约4 × 10亿光年，退行速度约60000 km/s。假设这种线性关系继续保持，50亿光年远的星系退行速度大约会是: (50 ÷4) × 60000 ≈ 750000 km/s
宇宙的组成和观测
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。
宇宙学
研究宇宙的性质、结构和演化（诞生、演化和死亡）的科学。
星系的观测 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。
星系的运动｜运动的发现和特点
时间和发现者 1929年,天文学家哈勃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。
运动特点 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。
星系的运动｜哈勃定律
定义 星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。即星系到观察者的距离越远,星系退行速度越快。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。
意义 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。
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？
不是的，几乎所有的星系都在退行，并不意味着地球处于宇宙的中心。科学家们发现，除了距离最近的星系之外，其他的星系都在远离地球而去。此外他们还发现，距离越远的星系，其退行的速度越快。但是，这些星系的退行运动并不是穿越于宇宙空间之中的，而是宇宙空间自身的整体膨胀。
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
探索活动
气球上贴上圆形小纸片后，持续向气球充气，我们会发现气球上圆形小纸片间的距离在不断扩大，如果这些圆形小纸片代表星系，那么原先靠得很近的“星系”之间的距离在不断地增大。
星系运动模型的建立
实验表明，不管是哪个“星系”，其他“星系”都在不断地离它而去。各张圆形小纸片(星系)彼此后退，膨胀没有中心。
1915年，著名科学家爱因斯坦(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！
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。
思考与讨论
根据目前的宇宙大爆炸理论，宇宙确实 在不断膨胀,这意味着在过去的某个时刻， 宇宙比现在小,星系之间的距离也更近。然而， 当追溯到宇宙诞生的极早期，根据现有理 论，宇宙可能经历了一个被称为“奇点”的 阶段，在这个点上，传统的物理学定律可 能不再适用。但目前对于“奇点”的本质 和在那之前的情况，我们的理解还存在很多 的未知和不确定性。
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？
爱因斯坦相对论对宇宙研究的贡献
爱因斯坦
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,得到一个均匀地膨胀或收缩的宇宙模型,遗憾的是这个动态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!
宇宙大爆炸理论
理论概述
提出者：1948年，伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论。
主要内容：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。
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留的辐射，对应的温度约为5K。
理论证实
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。
宇宙大爆炸
宇宙的起源与演化
宇宙的起源
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。
理论证实
下图为宇宙演化年表，该图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。
宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”。
创立日心说的天文学家是（　　）
A．伽利略 B．哈雷 C．哥白尼 D．布鲁诺
C
小试牛刀
3．
我们利用气球做了星系运动特点的模拟实验（如图所示），下列有关该实验的描述，错误的是（　　）
A．在气球表面画上的这些小圆点，模拟的是宇宙中的星系
B．给气球充气，使气球不断地胀大，模拟的是宇宙的膨胀
C．气球胀大过程中各圆点间的距离变化模拟星系的运动特点
D．气球胀大时，对甲圆点而言，乙圆点的远离速度比丙圆点更快
D
小试牛刀
（2024春 柳州期末）在人类对宇宙的探索过程，15世纪哥白尼提出的“日心说”比托勒密的“地心说”简洁、和谐。下列与“日心说”相关的说法正确的是（　　）
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
B
小试牛刀
（2024 宁波自主招生）大爆炸理论认为，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙都是膨胀的。若标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系如图所示，图中AB为直线，BC为向上弯曲的曲线，则（　　）
A．AB和BC均说明宇宙在匀速膨胀
B．AB和BC均说明宇宙在加速膨胀
C．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在加速膨胀
D．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在减速膨胀
C
小试牛刀
思维点拨

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