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10.3 探索宇宙
一、宇宙的尺度：从地球到浩瀚星空
当我们仰望夜空，繁星点点引发无限遐想。宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一，它浩瀚无垠，蕴藏着无数奥秘。从我们居住的地球到太阳系，再到更广阔的银河系、河外星系，宇宙有着清晰的尺度层级。本节课我们将踏上探索宇宙的旅程，了解宇宙的构成、人类探索宇宙的历程以及宇宙的起源与演化，感受宇宙的壮丽与神秘。
二、太阳系：我们的家园星系
（一）太阳系的构成
太阳系是以太阳为中心，由八大行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、流星体等天体组成的天体系统。太阳是太阳系中唯一的恒星，它占据了太阳系总质量的约 99.86%，通过核聚变不断释放能量，为太阳系中的天体提供光和热。
八大行星按照与太阳的距离由近及远依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。它们都沿着近似圆形的轨道围绕太阳公转，同时也在自转。其中，木星是太阳系中最大的行星，体积是地球的 1300 多倍；水星是最小的行星，也是距离太阳最近的行星。
除了八大行星，太阳系中还有许多矮行星，如冥王星，它曾被列为第九大行星，后因定义标准的变化被重新归类为矮行星。此外，还有大量的卫星围绕行星运转，例如地球的卫星是月球，木星有 79 颗已知卫星。小行星带位于火星和木星之间，包含了大量的小行星；彗星则是由冰和尘埃组成的天体，当它们靠近太阳时，冰升华形成长长的彗尾，极具观赏性。
（二）地球在太阳系中的位置
地球是太阳系中的第三颗行星，距离太阳约 1.5 亿千米，这个距离被称为一个天文单位（AU）。地球围绕太阳公转一周的时间约为 365 天，也就是一年；地球自转一周的时间约为 24 小时，也就是一天。地球有一颗天然卫星 —— 月球，月球围绕地球公转，同时也随着地球一起围绕太阳公转。
地球是目前已知的唯一存在生命的行星，这与它所处的宇宙环境和自身条件密切相关：地球与太阳的距离适中，使得地球表面有适宜的温度，液态水能够存在；地球有厚厚的大气层，能够保护地球表面的生命免受宇宙射线和陨石的伤害；地球有磁场，能够阻挡太阳风对地球大气层的侵蚀。
三、银河系：恒星的巨大集合体
（一）银河系的结构
银河系是一个由数千亿颗恒星、大量的星云、星团、星际气体和尘埃组成的棒旋星系。它的形状像一个扁平的圆盘，中间有一个凸起的核球，周围有四条主要的旋臂。银河系的直径约为 10 万光年，中心厚度约为 1.2 万光年，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。
光年是计量天体距离的单位，1 光年等于光在真空中一年内传播的距离，约为 9.46×10 千米。由于银河系的尺度非常大，使用光年作为距离单位更为方便。
（二）银河系中的恒星
银河系中的恒星数量众多，它们的大小、质量、亮度、温度等各不相同。恒星的一生会经历诞生、成长、衰老和死亡的过程。恒星通常诞生于星云之中，星云是由气体和尘埃组成的巨大云团，在引力的作用下，星云逐渐收缩形成恒星。
像太阳这样的恒星，目前处于主序星阶段，它已经稳定燃烧了约 50 亿年，还将继续燃烧约 50 亿年。当恒星核心的氢燃料耗尽后，会膨胀成为红巨星，然后逐渐失去外层物质，核心收缩形成白矮星，最终白矮星会逐渐冷却变暗。质量比太阳大得多的恒星，在生命末期会发生超新星爆发，形成中子星或黑洞。
四、河外星系：宇宙中的 “岛屿”
（一）河外星系的发现
在过去很长一段时间里，人们认为银河系就是整个宇宙。直到 20 世纪 20 年代，美国天文学家埃德温 哈勃通过观测发现，一些被认为是银河系内星云的天体实际上距离我们非常遥远，它们不属于银河系，而是独立的恒星系统，这些天体被称为河外星系。
河外星系的数量极其庞大，目前观测到的河外星系数量已经超过了千亿个。它们的形状各异，主要分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。旋涡星系与银河系类似，有旋臂结构；椭圆星系则呈现出椭圆形，没有旋臂；不规则星系的形状不规则，没有明显的对称结构。
（二）著名的河外星系
距离银河系最近的河外星系是大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们是银河系的伴星系，距离银河系约 16 万光年和 19 万光年。仙女座星系是距离银河系较近的大型旋涡星系，距离约 250 万光年，它是肉眼可见的最遥远的天体之一。仙女座星系正在以约 110 千米 / 秒的速度向银河系靠近，预计在约 40 亿年后会与银河系发生碰撞融合。
五、人类探索宇宙的历程：从想象到实践
（一）古代的宇宙探索
人类对宇宙的探索可以追溯到古代。古代人类通过肉眼观测星空，记录天体的位置和运动规律，形成了早期的天文学。例如，中国古代的天文学家编制了详细的星表，发明了浑天仪等天文观测仪器；古希腊的天文学家托勒密提出了地心说，认为地球是宇宙的中心，其他天体围绕地球运转，这一学说在欧洲流传了一千多年。
古代人类对宇宙的认识往往与神话传说相结合，他们通过想象来解释宇宙中的各种现象。例如，中国古代有 “盘古开天辟地” 的神话，解释了宇宙的起源；古希腊有 “宙斯” 等众神主宰宇宙的传说。
（二）近代的天文突破
16 世纪，波兰天文学家哥白尼提出了日心说，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星围绕太阳运转，这一学说打破了地心说的统治地位，开启了近代天文学的新篇章。随后，意大利科学家伽利略发明了天文望远镜，通过望远镜观测到了月球表面的环形山、木星的四颗卫星等天体，为日心说提供了有力的证据。
17 世纪，英国科学家牛顿发现了万有引力定律，解释了天体之间的相互作用规律，为天体力学的发展奠定了基础。通过万有引力定律，人们能够准确地预测天体的运动，例如预测彗星的回归。
（三）现代的航天探索
20 世纪以来，随着科学技术的飞速发展，人类进入了航天时代。1957 年，苏联发射了第一颗人造地球卫星 —— 斯普特尼克 1 号，标志着人类开始进入太空探索的新阶段。1961 年，苏联宇航员尤里 加加林乘坐东方 1 号飞船进入太空，成为第一位进入太空的人类。1969 年，美国宇航员尼尔 阿姆斯特朗乘坐阿波罗 11 号飞船登上月球，成为第一位登上月球的人类，他说的 “这是个人的一小步，却是人类的一大步” 成为了经典名言。
如今，人类已经发射了大量的人造卫星、宇宙飞船、空间站和空间望远镜。人造卫星广泛应用于通信、气象、导航、遥感等领域，极大地改变了人类的生活；宇宙飞船则用于载人航天和深空探测，例如对火星的探测；空间站是长期在太空中运行的载人航天器，可供宇航员进行科学实验和生活，国际空间站是目前在轨运行的最大空间平台；空间望远镜如哈勃空间望远镜，摆脱了地球大气层的干扰，能够观测到更遥远、更清晰的天体。
六、宇宙的起源与演化：大爆炸理论
（一）大爆炸理论的提出
关于宇宙的起源，目前被广泛接受的理论是大爆炸理论。该理论认为，宇宙起源于约 138 亿年前的一次大爆炸。在大爆炸之前，宇宙是一个密度无限大、温度无限高的奇点。大爆炸发生后，宇宙迅速膨胀，温度逐渐降低，随着时间的推移，形成了各种基本粒子、原子、分子，进而形成了星云、恒星、星系等天体。
大爆炸理论的证据主要包括：宇宙微波背景辐射，这是大爆炸后残留的热辐射，被称为宇宙的 “余晖”；星系的红移现象，埃德温 哈勃发现大多数星系都在远离我们，而且距离越远的星系远离的速度越快，这表明宇宙在不断膨胀；宇宙中轻元素的丰度，大爆炸理论预测的氢、氦等轻元素的丰度与观测结果相符。
（二）宇宙的演化历程
根据大爆炸理论，宇宙的演化历程可以分为以下几个阶段：
极早期宇宙：大爆炸后的瞬间，宇宙处于极高温度和密度的状态，各种基本粒子不断产生和湮灭。
辐射主导时期：随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，基本粒子结合形成原子核，宇宙进入辐射主导时期，此时辐射能量占主导地位。
物质主导时期：宇宙继续膨胀，温度进一步降低，原子开始形成，宇宙变得透明，物质逐渐聚集形成星云。
星系形成时期：星云在引力的作用下逐渐收缩，形成第一代恒星和星系，随后星系不断演化，形成了我们今天所看到的宇宙结构。
当前时期：宇宙仍然在不断膨胀，星系之间的距离不断增大，宇宙的未来演化趋势目前还在研究之中，可能会一直膨胀下去，也可能会在引力的作用下收缩。
七、人类探索宇宙的意义：拓展认知与推动发展
（一）拓展人类对宇宙的认知
探索宇宙有助于人类了解宇宙的起源、演化和结构，揭示宇宙的奥秘。通过对天体的观测和研究，人类不断更新对宇宙的认识，从地心说到日心说，从银河系到河外星系，从大爆炸理论到暗物质、暗能量的研究，每一次认知的突破都极大地拓展了人类的视野。
（二）推动科学技术的发展
宇宙探索是一项高难度、高风险的工程，它需要综合运用物理学、天文学、数学、工程学等多个学科的知识和技术。为了实现宇宙探索的目标，人类不断研发新的技术和设备，例如火箭技术、卫星技术、空间探测器技术、天文望远镜技术等。这些技术的发展不仅推动了航天事业的进步，还带动了其他领域的科技发展，如新材料技术、信息技术、生物技术等，对人类社会的发展产生了深远的影响。
（三）促进人类文明的进步
探索宇宙让人类认识到地球在宇宙中的渺小和独特，增强了人类的环保意识和全球意识。同时，宇宙探索中的国际合作也促进了不同国家和地区之间的交流与合作，增进了人类的相互理解和团结。宇宙探索激发了人类的好奇心和创造力，激励着一代又一代的科学家和工程师不断追求卓越，为人类文明的进步做出贡献。
八、课堂小结
太阳系：以太阳为中心，由八大行星、矮行星、卫星等天体组成，地球是太阳系中唯一存在生命的行星。
银河系：由数千亿颗恒星组成的棒旋星系，太阳系位于银河系的猎户座旋臂上。
河外星系：独立于银河系的恒星系统，数量众多，形状各异。
探索历程：从古代的肉眼观测到近代的天文望远镜观测，再到现代的航天探索，人类对宇宙的认识不断深入。
宇宙起源与演化：大爆炸理论是目前被广泛接受的宇宙起源理论，宇宙经历了从奇点大爆炸到逐渐形成各种天体的演化过程。
探索意义：拓展人类认知、推动科技发展、促进文明进步。
九、课堂练习
太阳系中的中心天体是______，它通过______不断释放能量。
按照与太阳的距离由近及远，太阳系中的八大行星依次为：水星、、地球、、木星、土星、天王星、海王星。
银河系是一个______星系，它的直径约为______光年。
简述大爆炸理论的主要内容和证据。
十、课后作业
完成课本上的相关练习题，巩固对宇宙探索知识的理解。
查阅资料，了解我国的航天事业发展成就，如神舟飞船、嫦娥工程、天问一号等，写一篇简短的介绍文章。
绘制一幅太阳系的结构图，标注出八大行星的名称和它们与太阳的相对位置。
思考：如果人类能够实现星际旅行，会对人类社会产生哪些影响？写一段简短的畅想。
2024沪粤版物理八年级下册
10.3 探索宇宙
第十章 从粒子到宇宙
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
了解“地心说”、“日心说”的基本观点。（重点）
02
了解人类对宇宙的认识过程。
01
通过实验感受物体绕中心旋转需要拉力，知道万有引力是使行星绕太阳旋转的力。（难点）
03
茫茫宇宙，浩瀚星空,
诱人猎奇，发人深思!
宇宙有多大呢
人们能不能飞出地球去
从古至今，
人们一直在观察着，探索着….
导入新课
盖天说(西周)
太阳东升西落，星星们斗转星移，假如你是古代人，在看到这些现象后，会对宇宙有什么样的想象？
星星像悬挂的油灯吊在上空（古埃及）
一、古人富有想象的宇宙图景
浑天说(西汉)
随着时间的推移，盖天说有了一些不能解释的地方，后来人们提出了浑天说。
一、古人富有想象的宇宙图景
浑天说认为地球是圆的，上千年后，麦哲伦才通过环球航行证明这一结论。
麦哲伦环球航行
月食时地球的影子
地平线下的小船
一、古人富有想象的宇宙图景
浑天说模型有个很明显的问题，大海是垂直于地面的。所以浑天说很快演变为宣夜说，海洋应该是大地上的一部分
宣夜说
一、古人富有想象的宇宙图景
天象观察的深入和数学的应用推动了天文学的研究，公元150年，古希腊天文学家托勒密集当时天文学之大成，提出了“地心说”。这个模型很好地解释了行星逆行、日食、月食等天文现象。
托勒密的“地心说”宇宙图
托勒密(约90-168)
二、托勒密的“地心说”
地心说模型恰好满足了一些宗教统治者的虚荣心，为了证明人类是上帝的选民，西方教会将地心说规定为教条：地球是宇宙中心，天体及其轨道都是完美的正球、正圆。任何人都不可以违背教条。自此，地心说成为了禁锢人们思想的枷锁，一直流行了一千多年，严重阻碍了科学前进的脚步。
二、托勒密的“地心说”
波兰天文学家哥白尼通过长期的观察和研究，提出了太阳中心说宇宙模型，即“日心说”。
哥白尼(1473-1543)
地球
水星
金星
火星
木星
土星
月球
日心说
在哥白尼时代，人们只发现了除地球以外的五颗大行星。
三、哥白尼的“日心说”
在思想上，它挣脱了当时教会的束缚，使自然科学的研究从欧洲中世纪的神学桎梏下解脱出来，从而使人类迎来了科学的春天。
通过观察上面的两种模型，你认为哪种模型更接近实际？
三、哥白尼的“日心说”
观察是研究天体运动最基本的方法，意大利诗人卡里马赫曾教导哥白尼说，天文学家只有两样法宝：数学和观察。
根据对天体位置及运动的观察记录，天文学家就可以运用数学工具构筑一个宇宙模型，“地心说”和“日心说”就是两种典型的模型。
三、哥白尼的“日心说”
哥白尼的“日心说”对天体的位置作了安排，但没有告诉我们地球及其他行星为什么会依依不舍地绕着太阳旋转。
太阳引力使行星绕着它旋转
牛顿发现了万有引力定律
四、飞出地球
活动：模拟太阳吸引地球
这跟我们用一根绳子系着一个小物体旋转相似，是绳子的拉力使小物体绕中心旋转。
四、飞出地球
我们生活在地球上，也好像被地球用一根无形的绳子紧紧地拉着，但人们并不甘心总是被束缚在地球上，千百年来，人类就幻想着飞向宇宙，探索其奥秘。
嫦娥奔月
古代利用火药发射的火箭
利用火箭飞天第一人“万户”
四、飞出地球
人们通过不懈的研究发现，当地球上的物体有很大的速度时，就能挣脱地球引力的束缚，实现飞出地球的愿望。
第一宇宙速度v1，也叫做环绕速度，v1=7.9km/s。
第二宇宙速度v2，也叫做脱离速度，v2=11.2km/s。
第三宇宙速度v3，也叫做逃逸速度，v3=16.7km/s。
四、飞出地球
经过一代代人的努力，人类几千年来飞天的愿望终于变成了现实。
我们进入了航天时代，飞出了地球，开始踏上了迈向宇宙深处的征途！
采集月壤
四、飞出地球
中国空间站
了解人类探索宇宙的历程
1.托勒密提出的“地心说”和________提出的“日心说”都是天
文学家在对宇宙天体位置及运动的______记录的基础上，运
用__________构筑的宇宙模型。
哥白尼
观察
数学工具
2.人类对宇宙的认识是不断进步、不断完善的，哥白尼认为
地球围绕______公转，地球是太阳的一颗______。
太阳
行星
3.1687年，伟大的英国科学家牛顿发现了万有引力定律，解
释了太阳对各行星有________的作用，使行星在各自的轨道
上绕日运行。月球是地球的一颗天然______，地球对月球有
________的作用，使月球绕地球运行。
吸引力
卫星
吸引力
认识浩瀚的宇宙
4.宇宙是一个有层次的天体结构体系，太阳属于银河系中的
一颗______(填“恒星”“行星”或“卫星”)，太阳系的八大行星
中，离太阳最远的是______星。
恒星
海王
5.如图甲、乙所示分别为原子结构
示意图和太阳系模型，若将太阳系
类比为原子核式结构，我们居住的
地球相当于原子结构中的______。
电子
6.如图的示意图中，能反映银河系、太阳系、地月系之间大
小关系的是( )
C
A. B. C. D.
中国航天历史
古人对宇宙的探索
托勒密“地心说”
哥白尼“日心说”
飞出地球
万有引力定律
飞出地球
谢谢观看！

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