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第3章 广袤浩瀚的宇宙
第3节 人类对宇宙的探索
1.知道从地心说到日心说的发展历程，领悟科学家敢于质疑、追求
真理的科学精神。
2.认识宇宙的起源、膨胀和演化，理解宇宙大爆炸理论的主要观点，
发展科学思维。
3.了解银河系的大小和结构，知道银河系是宇宙中的一个普通星系，
说出太阳在银河系中的位置，发展科学观念。
4.知道太阳有形成、演化和衰老的过程，是银河系中一颗普通的恒
星；了解恒星的演化过程。
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。
1.我国古代对宇宙的认识
（1）盖天说
提出时间 中国战国时期
主要内容 天圆如张盖，地方如棋盘
影响 虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质
（2）到秦汉时期，人们初步认识了太阳、月球和5颗行星（金星、
木星、水星、火星、土星，即“金木水火土”）的基本运动规律，
并能推算天象的发生。
2.地心说
提出背景 早期的希腊人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中
心
提出过程 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
主要内容 地球是宇宙的中心，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
影响 “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1 000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
3.日心说
（1）哥白尼“日心说”
提出 背景 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
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。哥白尼在临终前，出版了著作《天球运
行论》，阐述了“日心说”的理论基础
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
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，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”
重要 意义 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
（2）伽利略对“日心说”的推广
①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。
②1609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。
③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”。1633年，罗马宗教裁判所判处伽利略
终身监禁，随后改为软禁，直到他在1642年病逝。
教材第117页
太阳不是宇宙的中心。科学研究表明，太阳位于太阳系中，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。
典例1 下列关于“地心说”和“日心说”的说法，正确的是( )
C
A.“地心说”认为地球绕太阳转，“日心说”认为太阳绕地球转
B.“地心说”宇宙体系在科学发展史上的作用是发展“日心说”宇宙体系
C.“日心说”阐明了天体运行规律，为后人认识太阳系，进而认识地
球的起源奠定了基础
D.“日心说”从现代天文学的角度看是正确的
解析：“地心说”认为太阳及其他天体围绕地球运动，“日心说”认为
地球和行星是绕太阳做圆周运动的，所以选项A错误。“地心说”宇
宙体系在科学发展观上的作用是打破了天圆地方的宇宙观，建立了
宇宙空间的观念，所以选项B错误。“日心说”在今天看来，也不是
正确的，因为太阳并不是宇宙的中心，所以选项D错误。
1.宇宙的组成
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。
2.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。
教材第118页
1.牧夫座星系离地球25亿光年，退行速度为 。（光年是
指光在一年内走过的距离，是一个长度单位，常用于表示天文距离，
1光年约为9.46×km。注意，光年不是时间单位。）
2.长蛇座星系的退行速度最大，室女座星系离地球最近。
3.得出结论：星系离地球越近，退行速度越小；星系离地球越远，
退行速度越大。
4.预测距离地球50亿光年的星系的退行速度约为 。
3.星系的运动——哈勃的研究
研究 过程 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。
研究 成果 星系运动 特点 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
研究 成果 哈勃 定律 内容 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：
（其中为星系退行速度， 为星系到观察
者的距离， 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
教材第119页
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以外，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行于宇宙空间之中的，而是宇
宙空间自身的整体膨胀。
4.星系运动模型的建立（含教材第119页探索活动答案）
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。
步骤 （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。
步骤 （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。
_____________________________
（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？
现象 在气球胀大过程中，气球上圆形小纸片间的距离在不断扩
大。这些“星系”之间的距离在不断增大
结论 在宇宙膨胀过程中，不管是哪个星系，其他星系都在不断
地离它远去，各个星系彼此后退，膨胀没有中心
5.爱因斯坦的广义相对论对宇宙研究的贡献
（1）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。
（2）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。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！
教材第120页
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，传统的物理学定理可能不再适用。
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。虽然当前的科学理论支持宇宙从一个高密度、
高温的状态开始膨胀，但对于宇宙最初的那个瞬间，还需要更多的
研究和探索来完善和验证相关的理论。
6.宇宙大爆炸理论
（1）宇宙大爆炸理论
奠基者 1948年，伽莫夫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
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
观测证据 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（ 为热力学温度单位）。而测到
来自空间各个方向的辐射，对应温度约为 ，与
理论预测温度非常接近。
意义 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。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，是目前最准
确的描述宇宙从诞生到当前状态的模型。
不足 虽然宇宙大爆炸理论已经取得很大的成功，但是随着
研究的不断深入，仍然遇到了不少的疑难问题。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”）
（2）宇宙的起源与演化
①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。
②如图为宇宙演化年表，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。
典例2 下列有关大爆炸宇宙论的说法正确的是( )
B
A.因为宇宙在不断膨胀的事实为大爆炸宇宙论提供了有力证据，所
以大爆炸宇宙论已经说明了宇宙起源的事实
B.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.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
D.大爆炸宇宙论和牛顿第一定律一样是科学定律
解析：大爆炸宇宙论是目前被人们广为接受的一种宇宙起源学说，
并不是科学结论，更不是科学定律。随着科技的进步，人们对宇宙
的认识还将不断深入。
1.星系
概念 星系是由单颗恒星、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
分类 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
形状 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
组成 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
2.银河系
太阳系处在银河系中，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。
大小 ①直径约为光年，中心厚度约为 光年，自中心向边缘逐渐变薄。
②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
光年，约2.4亿年绕银河系中心转一圈。
③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。
图示 _____________________________________________________
3.河外星系
河外星系即银河系外的其他星系。
（1）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。
其实，仙女星系是一个比银河系更巨大的星系。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。
（2）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。
4.宇宙
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。下图显示了不同尺度的天体所横跨的范围。
教材第124页
（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。
简单口诀：东南西北，春夏秋冬。
（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。
典例3 (2024·嘉兴期末)伴随着人类探索宇宙的步伐，关于牛郎织女
的“银河”对于我们来说也不再陌生。下列有关银河系的说法正确的
是( )
D
A.银河系是我们目前观察到的宇宙的全部
B.太阳系是银河系内唯一的天体系统
C.我们的家园——地球位于银河系的中心
D.银河系的形状侧视像大铁饼，俯视像大漩涡
解析：银河系只是宇宙的一部分，故A错误。太阳系是银河系内很
小的一个天体系统，故B错误。地球位于太阳系中，太阳系位于银
河系的一条旋臂上，所以地球没有位于银河系的中心，故C错误。
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，故D正确。
1.研究恒星演化的意义
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。
2.恒星的形成
（1）恒星的诞生：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。
（2）恒星的主序星阶段：当这颗恒星继续收缩升温，温度超过
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。恒星约 的
生命周期都处于主序星阶段。
3.恒星寿命与质量的关系
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。
4.太阳未来的演变过程
阶段 特点
红巨星 阶段 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
阶段 特点
白矮星 阶段 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
黑矮星 阶段 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
教材第127页
了解了太阳一生的演化后，让我们对宇宙的宏大、神秘、有序等有
了更深刻的感悟，太阳一生的演化过程展示了宇宙中天体的形成、
发展和消亡。这让我们意识到宇宙中存在着各种各样的天体，它们
都遵循着特定的规律，但又表现出丰富多样的特征，同时激发我们
对未知的探索欲望和对宇宙的敬畏之心。
5.恒星的演化
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。
（1）如果恒星的质量是 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。
（2）如果恒星的质量是太阳质量的 倍，它的体积会急剧变
大，形成红超巨星，随后爆发成超新星，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。
（3）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——黑洞。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。
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。恒星的
演化过程如下图所示（含教材第128页思考与讨论答案）。
6.黑洞的发现
典例4 下列有关恒星的说法，不正确的是( )
B
A.一颗恒星的寿命取决于它的质量
B.质量大的恒星可用于燃烧的核燃料较多,因此它们的寿命比较长
C.当恒星步入“老年时期”，恒星的核心将开始收缩，而其外层部分
则开始膨胀,就会成为一颗红巨星或红超巨星
D.红超巨星可能爆炸成为超新星
解析：恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星寿命越短，这
是因为质量越大压力就越大，这种情况下恒星内部的核反应就更加
剧烈，故A正确，B错误；当恒星步入“老年时期”，恒星的核心将
开始收缩，而其外层部分则开始膨胀，就会成为一颗红巨星或红超
巨星，红超巨星可能爆炸成为超新星，故C，D均正确。

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