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10.3 探索宇宙 （导学案）
【学习目标】
1. 从“地心说”到“日心说”了解人类探索宇宙奥秘的历程，知道万有引力定律（物理观念）
2. 通过模型法认识“地心说”和“日心说”，通过类比法、转换法理解万有引力定律，要怎样才能摆脱这种束缚（科学思维、科学探究）
3. 通过了解人类探索宇宙的历程，从历史伟人中体会不懈的探索精神，从中学习他们身上孜孜不倦、勇于创新的科学精神（科学态度与责任）
【学习重点】知道地心说和日心说；知道万有引力定律
【学习难点】理解天体间的万有引力定律
【自主预习】阅读教材第129页第3节《探索宇宙》，并完成以下内容：
1. 古人富有想象的宇宙图景
（1） 中国古代“浑天说”（浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内……）
（2）古埃及人的宇宙观（星星像悬挂的油灯吊在天空）
2. 托勒密的“地心说”
约公元 150 年，古罗马天文学家托勒密（C. Ptolemaeus，约 90 —168）集当时天文学之大成， 提出以地球为中心的宇宙结构学说，即“地心说”。他认为，地球位于宇宙的中心，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着地球旋转；恒星都镶嵌在最外边的天球上。
3. 哥白尼的“日心说”
波兰天文学家哥白尼（N. Copernicus，1473 —1543）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”。他认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳旋转，月球是地球的一颗卫星，它绕着地球旋转。
观察法：
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。
4. 飞出地球
哥白尼确定了天体的位置，但没有告诉我们地球及其他行星为什么会绕着太阳旋转。
1687 年，英国科学家牛顿发现了万有引力定律，对此作出了回答：任何两个物体间都存在着一种相互吸引的力，太阳依靠它对地球和其他行星之间的巨大吸引力，使地球和各个行星绕着它旋转。这与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着中心旋转。
千百年来，人类就幻想着飞向宇宙，探索其奥秘。我国民间流传的“嫦娥奔月”“孙悟空大闹天宫”等神话故事，就是这样的美妙幻想。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。
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。我们已进入航天时代，踏上了迈向宇宙深处的征途。
我的疑问：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
【合作探究】
探究一、“地心说”与“日心说”
1．古人富有想象的宇宙图景
中国古代“浑天说”(浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内……)
古埃及人的宇宙观(星星像悬挂的油灯吊在天空)
2．地心说与日心说
图示 模型 结论
托勒密的“地心说”宇宙图(地球位于宇宙的中心，太阳和行星绕着地球在不同的球面上运动) 约公元150年，古罗马天文学家托勒密集当时天文学之大成，提出以地球为中心的宇宙结构学说,即“地心说”。他认为，地球位于宇宙的中心，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着地球旋转；恒星都镶嵌在最外边的天球上。 托勒密的“地心说”能解释日食、月食等许多天文现象，并且符合当时人们普遍认同的地球不动的观念，因此很容易被人们接受。后来“地心说”又被当时的教会所利用，成为禁锢人们思想的枷锁，一直流行了1000多年，严重地阻碍了科学前进的脚步。
哥白尼的“日心说”模型 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”。他认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳旋转，月球是地球的一颗卫星，它绕着地球旋转。 哥白尼的“日心说”有着非常重要的意义，它比托勒密的模型简洁、和谐，能较好地解释当时的许多天文现象。根据哥白尼的“日心说”,科学家算出了各颗行星到太阳的距离，首次推算了宇宙大小的尺度。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。
【例题1】（1）下列物理学家与其贡献对应正确的是（ ）
A．哥白尼——“地心说” B．爱因斯坦——发明望远镜
C．牛顿——万有引力 D．伽利略——“日心说”
【答案】C
【解析】A．哥白尼提出的是“日心说”，否定了“地心说”，并非“地心说”，故A错误；
B．伽利略改进了望远镜并首次将其用于天文观测，并非爱因斯坦，爱因斯坦的主要贡献是相对论等，故B错误；
C．牛顿发现了万有引力定律，该对应关系正确，故C正确；
D．“日心说”是哥白尼提出的，伽利略主要贡献是天文观测，如用望远镜支持日心说，故D错误。
故选C。
（2）用“日心说”否定了影响人类达千年之久的托勒密的“地心说”，有力地推动了人类文明的进步的科学家是（ ）
A．牛顿 B．伽利略 C．爱因斯坦 D．哥白尼
【答案】D
【解析】A．牛顿主要贡献是经典力学，万有引力、牛顿运动定律，与“日心说”无关，故A不符合题意；
B．伽利略用天文观测支持了“日心说”，但不是“日心说”的提出者，故B不符合题意；
C．爱因斯坦主要贡献是相对论，时间晚于“日心说”的提出，故C不符合题意；
D．哥白尼提出“日心说”，否定了“地心说”，故D符合题意。
故选D。
跟踪训练1 率先用望远镜观察天体运动，由此得到的关于天体运行的结果支持了哥白尼的“日心说”的科学家是（ ）
A．伽利略 B．普朗克
C．爱因斯坦 D．霍金
【答案】A
【解析】A．伽利略是近代物理实验的先驱者，改进了望远镜用于观察天体的运行规律，率先用望远镜观察天体运行，得到的关于天体运行的结果支持了哥白尼的“日心说”，故A符合题意；
B．普朗克在解决黑体辐射问题时提出了量子理论，为后来的量子力学奠定了基础，故B不符合题意；
C．爱因斯坦创立了相对论，并为核能开发奠定了理论基础，故C不符合题意；
D．霍金的主要领域是黑洞和宇宙论，故D不符合题意。
故选A。
跟踪训练2 下列有关物理学史描述中正确的是（ ）
A．哥白尼提出“地心说”
B．牛顿最早研究了光的色散现象
C．伽利略总结出了杠杆平衡条件
D．卢瑟福发现了电子
【答案】B
【解析】A．哥白尼提出的是“日心说”，而“地心说”是长期以来居于宗教统治地位的学说，认为地球是宇宙的中心，不是哥白尼提出的，故A错误；
B．牛顿对光学有重要贡献，他通过三棱镜实验证明白光是色光的混合，最早研究了光的色散现象，故B正确；
C．杠杆平衡条件是由阿基米德总结出来的，不是伽利略，故C错误；
D．1897年，汤姆生利用阴极射线管发现了电子，说明原子可分，有复杂内部结构。卢瑟福通过a粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，他的学生查德威克在α粒子轰击铍核时发现了中子，故D错误。
故选B。
跟踪训练3 下列关于宇宙的说法，正确的是（ ）
A．哥白尼提出了“地心说”
B．太阳是恒星，它是银河系的中心
C．恒星的位置也是相对变化的
D．宇宙是一个无层次的杂乱的天体结构系统
【答案】C
【解析】A．哥白尼创立的是日心说，故A错误；
B．太阳是恒星，太阳是太阳系的中心，不是银河系的中心。故B错误；
C．运动和静止是相对的。因此若以地球为参照物，恒星也在高速地运动，恒星的位置也是相对变化的，故C正确；
D．宇宙是一个有层次的天体结构系统，故D错误。
故选C。
探究二、飞出地球
1．万有引力
太阳引力使行星绕着它旋转 绳子的拉力使小物体绕着中心旋转 敦煌的飞天壁画
古代利用火药发射的火箭 “玉兔二号”月球车 中国空间站
【探究归纳】1687年，英国科学家牛顿发现了万有引力定律，对此作出了回答：任何两个物体间都存在着一种相互吸引的力，太阳依靠它对地球和其他行星之间的巨大吸引力，使地球和各个行星绕着它旋转。
万有引力的大小与两个物体的质量和物体间的距离有关。通常，物体间的引力很小，我们觉察不到。天体的质量都是巨大的，因此，天体间的引力也就大得惊人。
2．三个宇宙速度
航天器在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度，叫做第一宇宙速度，其大小为7.9 km/s。 如果航天器的发射速度大于7.9 km/s,而小于11.2km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆，而是椭圆。当航天器的发射速度大于11.2km/s时，航天器就可以挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造行星，这个速度叫做第二宇宙速度。 达到第二宇宙速度的物体还受到太阳引力的束缚，要想使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去，必须使它的发射速度大于16.7 km/s,这个速度叫做第三宇宙速度。
【例题2】（1）我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，宇指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。若我们有一天乘坐宇宙飞船从地球出发去探索宇宙，将先后飞离（ ）
A．地月系、太阳系、银河系 B．银河系、太阳系、地月系
C．太阳系、银河系、地月系 D．银河系、地月系、太阳系
【答案】A
【解析】地球属于地月系，地月系属于太阳系，太阳系属于银河系。所以从地球出发探索宇宙，会先后飞离地月系、太阳系、银河系。故BCD不符合题意，A符合题意。
故选 A。
（2）我国计划建设一台最终口径达8m的EAST通用光学望远镜，建成后它将是世界的“东方之眼”。利用EAST通用光学望远镜可研究宇宙中的物体。下列物体中，空间尺度最大的是（ ）
A．银河系 B．太阳系 C．土星 D．月球
【答案】A
【解析】银河系是包含太阳系在内的庞大星系，直径约10万光年；太阳系直径约1光年，属于银河系的一部分；土星是太阳系中的行星，直径约12万千米，远小于银河系和太阳系；月球是地球的卫星，直径约3474千米，是四个选项中最小；故BCD不符合题意，A符合题意。
故选A。
跟踪训练1 在太阳系中，水星、金星、地球、火星是离太阳最近的四颗（ ）
A．卫星 B．行星 C．恒星 D．彗星
【答案】B
【解析】根据行星与太阳的平均距离，太阳系的八大行星按离太阳的距离从近到远排序为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，因此，“水星、金星、地球、火星”为“在太阳系中，离太阳最近的四颗行星”。故B符合题意，ACD不符合题意。
故选B。
跟踪训练2 火星与地球邻近且环境最为相似。火星的直径约为地球一半，自转轴倾角、自转方向、自转周期均与地球相近，其公转一周的时间约为地球公转一周时间的两倍。火星地表沙丘、砾石遍布。下列推测正确的是（ ）
A．火星上有四季变化
B．火星的一天比地球的一天约长一倍
C．在火星上不能看到太阳东升西落
D．火星表层的成分与地球上土壤成分相似
【答案】A
【解析】A．地球上的四季变化是由于地球自转和公转造成的，火星的自转轴倾角与地球相近，也绕太阳公转，推测火星上也有季节变化成立。故A正确；
B．火星自转周期与地球相近，故火星上一天与地球上一天相近。故B错误；
C．火星自西向东自转，太阳东升西落。故C错误；
D．火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，CO2为主的大气十分稀薄，密度仅为地球大气密度的1%，火星两极皆有干冰组成的板冠，会周期性的消长，与地球上土壤成分不同。故D错误。
故选A。
跟踪训练3 阅读短文，回答下列问题。
万有引力
牛顿发现的万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果之一，它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对物理学和天文学的发展具有深远的影响。
如图所示，任意两个物体有在连心线方向上的相互吸引的力，这种力叫万有引力，该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们中心之间距离的平方成反比，与两个物体的化学组成和其间介质种类无关。万有引力的计算公式为，其中F表示两个物体之间的引力，k表示万有引力常量，表示物体1的质量，表示物体2的质量，r表示两个物体中心之间的距离。两个质量为1kg的物体在相距1m时的吸引力约为。
太阳对地球的引力使地球不能离开太阳，地球对其上物体的引力使物体不能离开地球。要离开地球，必须借助运载火箭。2024年5月3日，我国成功发射嫦娥六号探测器。
(1)下列现象的成因，与万有引力无关的是______（填字母）；
A．月球绕地球运动而不能飞离地球
B．铁丝很难被拉断
C．行星绕太阳运动而不能飞离太阳
D．熟透了的苹果从树上落向地面
(2)任意两个同学之间也有引力，但行动却几乎没有受到影响，这是因为同学 （选填“质量”或“距离”）较小，导致引力较小；
(3)嫦娥六号探测器由地球飞向月球的过程中，地球对探测器的引力 （选填“变大”“变小”或“不变”）；
(4)质量为1kg的物体在地球表面受到的地球的吸引力约为10N，如果地球半径约为，则地球质量约为 kg。
【答案】(1)B
(2)质量
(3)变小
(4)
【解析】（1）任意两个物体间都有通过连心线方向上相互吸引的力，这种力叫万有引力。
A．月球绕地球运动而不能飞离地球，是地球与月球的相互吸引的力，是万有引力，故A不符合题意；
B．铁丝很难被拉断中没有两个物体相互吸引，所以不是万有引力，故B符合题意；
C．行星绕太阳运动而不能飞离太阳，是地球与太阳的相互吸引的力，是万有引力，故C不符合题意；
D．苹果从树上落向地面，是地球与苹果的相互吸引的力，是万有引力，故D不符合题意。
故选B。
（2）由万有引力公式
可知，万有引力的大小与两个物体的质量成正比，由于两个同学的质量太小，所以他们之间的引力也较小，所以他们的行动几乎没有受到影响。
（3）“嫦娥四号”探测器由地球飞向月球的过程中，“嫦娥四号”和地球的质量不变，距离逐渐变大，由万有引力公式
可知，万有引力的大小与两个物体中心之间的距离的平方成反比，所以万有引力变小。
（4）由题知，两个质量为1kg的物体在相距1m时的吸引力约为，由
可知
1kg的物体在地球表面受到的重力约为10N，地球半径约为，由可得地球质量约
则地球质量约为。
【归纳整理】
【课堂练习】
1．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（　B　）
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
2．下列说法错误的是（　C　）
A．“地心说”认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮及其他行星绕地球转动
B．“日心说”能解决很多“地心说”无法解释的现象
C．天王星的运行轨道偏离根据万有引力计算的轨道，说明万有引力定律是错误的
D．日心说和地心说都是错误的
3．如图所示，发现了万有引力定律，使人们第一次科学认识神秘天体运动的科学家是（　D　）
A．哥白尼 B．哈勃 C．伽利略 D．牛顿
4．用绳子系着一个小球做圆周运动，当小球速度逐渐加快时，你感受到的拉力（　B　）
A．逐渐变小 B．逐渐变大 C．不变 D．以上情况都有可能
5．人造地球卫星绕地球做圆周运动，当地球对它的吸引力突然消失的瞬间，不计阻力，它将（　D　）
A．静止在空中 B．竖直向下运动 C．继续做圆周运动 D．做匀速直线运动
6．1989年10月18日，人类发射的“伽利略号”木星探测器进入太空，于1995年12月7日到达木星附近，然后绕木星运转并不断发回拍摄到的照片，人类发射该探测器的发射速度应为（　C　）
A．等于7.9 km/s B．大于7.9 km/s而小于11.2 km/s
C．大于11.2 km/s而小于16.7 km/s D．大于16.7 km/s
7．著名的天文学家、自然科学的先驱 　哥白尼　 用日心说否定了影响人类达千年之久的地心说；经典力学和实验物理学的先驱 　伽利略　 率先用望远镜观察天空。
【课后巩固】
1．图为“嫦娥五号”探测器运动轨迹，下列对此过程说法正确的是（ ）
A．地球是太阳系的中心，月亮绕着地球旋转
B．探测器登月前需要减速，需要向运动方向的反方向喷射高速气体，以获得制动力
C．探测器绕月飞行时，它的运动状态一直在改变
D．随着嫦娥五号远离地球，其惯性越大
【答案】C
【解析】A．太阳系的中心是太阳，地球绕太阳公转，月亮绕地球旋转，故A错误；
B．探测器登月前需要减速，根据力的作用是相互的，需要向运动方向喷射高速气体，气体对探测器产生反方向的制动力，而不是向运动方向的反方向喷射，故B错误；
C．探测器绕月飞行时，运动方向不断改变，所以它的运动状态一直在改变，故C正确；
D．惯性的大小只与物体的质量有关，嫦娥五号远离地球时，质量不变，其惯性大小不变，故D错误。
故选C。
2．物理学的“殿堂”是经过无数“巨人”们的不断努力和探究构建的，他们为后人留下了永远高扬的科学精神。其中提出“日心说”的“巨人”是（ ）
A．焦耳 B．牛顿 C．奥斯特 D．哥白尼
【答案】D
【解析】哥白尼是文艺复兴时期的波兰天文学家，他在其著作《天体运行论》中系统阐述了 “日心说”，认为太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都围绕太阳运转，否定了长期以来占据统治地位的 “地心说”（认为地球是宇宙中心）。这一学说不仅是天文学上的重大突破，更动摇了当时教会的权威，推动了科学革命的发展，对后世自然科学的进步产生了深远影响。 故D符合题意，ABC不符合题意。
故选D。
3．人类从未停止对宇宙的探索，下列说法中正确的是（ ）
A．宇宙中天体在不停地运动，其中地球是宇宙真正的中心
B．我们认识到，宇宙是一个没有层次的天体结构系统
C．现代观测发现，离我们越远的星系，远离的速度就越快，由此推断宇宙是不断膨胀的
D．太阳是银河系中数以亿计的恒星中的一颗普通恒星，恒星的位置是固定不变的
【答案】C
【解析】A．宇宙中的天体都在不停地运动，不存在宇宙的中心。地心说认为地球是宇宙的中心，但早已被证明是错误的。现代科学表明宇宙是没有中心的，故A错误；
B．宇宙是有层次的天体结构系统，比如地月系是太阳系的一部分，太阳系又是银河系的一部分等，故B错误；
C．现代观测发现，离我们越远的星系，远离的速度就越快，这就是哈勃定律，由此可以推断宇宙是不断膨胀的，故C正确；
D．太阳是银河系中数以亿计的恒星中的一颗普通恒星，恒星也在不断地运动，并非位置固定不变，故D错误。
故选C。
4．哥白尼认为宇宙的中心是（ ）
A．地球 B．太阳 C．月亮 D．奥林匹斯山
【答案】B
【解析】哥白尼认为太阳是宇宙的中心，即“日心说”，故ACD不符合题意，B符合题意。
故选B。
5．如下图所示，①~⑧代表太阳系中的八大行星，则我们居住的星球是（ ）
A．⑦ B．⑥ C．⑤ D．③
【答案】B
【解析】太阳系中八大行星从内到外依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，我们人类居住在地球上，对应地球是⑥，故B符合题意，ACD不符合题意。
故选B。
6．在地球上发射飞行器的三个宇宙速度的示意图如如图所示。下列说法错误的是（ ）
A．是第一宇宙速度，它是飞行器在地球周围空间绕地球飞行的最小速度
B．是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球
C．是第三宇宙速度，发射速度大于第三宇宙速度的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外
D．当发射速度在7.9km/s与11.2km/s之间时，飞行器将绕地球在更高轨道上做圆周运动
【答案】D
【解析】A．7.9km/s是第一宇宙速度，又称为环绕速度，是绕地球做圆周运动的最小环绕速度，故A正确，不符合题意；
B．11.2km/s是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球，而进入绕太阳运行的轨道，故B正确，不符合题意；
C．16.7km/s是第三宇宙速度，以该速度发射的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，故C正确，不符合题意；
D．当发射速度介于v=7.9km/s与v=11.2km/s之间时，飞行器将绕地球做椭圆运动，故D错误，符合题意。
故选D。
7．2003年， 乘坐“神舟五号”载人飞船圆满完成了我国首次载人航天飞行，这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家之一；2004年中国启动 探测工程，并命名为“嫦娥工程”；2021年，“天问一号”探测器（如图甲）成功登陆 ，“祝融号”（如图乙）开始工作；同一年，我国又成功将“浚和号”太阳探测科学技术实验卫星送入预定轨道，标志着我国正式进入“探日时代”。
【答案】 杨利伟 月球 火星
【解析】[1][2][3]根据物理学史和常识可知，2003年，杨利伟乘坐“神舟五号”载人飞船圆满完成了我国首次载人航天飞行，这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家之一；2004年中国启动月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”；2021年，“天问一号”探测器（如图甲）成功登陆火星。
8．在长期的观察和探究中，波兰天文学家 提出了著名的“日心说”，从根本上否定了“地心说”；意大利科学家 率先用天文望远镜观察太空并得出天体运行的相关数据，从而有力地支持了“日心说”。
【答案】哥白尼 伽利略
【解析】[1]文艺复兴时期的波兰天文学家、数学家、教会法博士、神父哥白尼在他40岁那年提出了“日心说”，从根本上否定了“地心说”，并经过常年的观察和计算完成了他的伟大著作《天球运行论》。
[2]意大利天文学家、物理学家、数学家伽利略在17世纪早期使用望远镜进行了一系列重要的观测，他首次发现了木星的四颗最大卫星，这些卫星后来被称为“伽利略卫星”，这一发现为哥白尼的日心说提供了重要的观测依据。
9．宇宙是一个有 的天体结构系统。宇宙大千世界，从宏观到微观，从天体到原子，似乎都有那么多惊人的相同规律。如图所示，是太阳系模拟图，行星们在各自的固定轨道上围绕恒星太阳运转这与 （填科学家）的原子核式结构模型十分相似，其中原子核相当于太阳，绕核运动的 就相当于行星。
【答案】层次 卢瑟福 电子
【解析】[1]宇宙也是物质构成的，宇宙是一个有层次的天体系统，大多数科学家认为宇宙起源于距今约137亿年前的一次大爆炸。
[2][3]核式原子结构是1911年由卢瑟福提出的一种原子结构模型。原子的结构与太阳系十分相似，位于原子中心的原子核相当于太阳，原子核带正电，电子相当于绕太阳运行的行星，电子是带负电的。
10．物理课本上用一个黏有小金属粒的气球做演示实验，该实验将黏有小金属粒的气球看成宇宙，小金属粒看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他小金属粒都在离它远去，说明宇宙在 （膨胀/收缩），这主要运用的一种思维方法是 （等效法/类比法/转换法）。
【答案】 膨胀 类比法
【解析】[1][2]“宇宙大爆炸”是根据天文观测研究后得到的一种设想，大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸，大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。为了形象地说明宇宙大爆炸，课本上将一个黏有小金属粒的气球看着宇宙，金属粒看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒都在离它远去，说明宇宙在膨胀，这里运用的思维方法是类比法。
【课后自评】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
我的收获：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
我的错题：
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10.3 探索宇宙 （导学案）
【学习目标】
1. 从“地心说”到“日心说”了解人类探索宇宙奥秘的历程，知道万有引力定律（物理观念）
2. 通过模型法认识“地心说”和“日心说”，通过类比法、转换法理解万有引力定律，要怎样才能摆脱这种束缚（科学思维、科学探究）
3. 通过了解人类探索宇宙的历程，从历史伟人中体会不懈的探索精神，从中学习他们身上孜孜不倦、勇于创新的科学精神（科学态度与责任）
【学习重点】知道地心说和日心说；知道万有引力定律
【学习难点】理解天体间的万有引力定律
【自主预习】阅读教材第129页第3节《探索宇宙》，并完成以下内容：
1. 古人富有想象的宇宙图景
（1） 中国古代“ ”（浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内……）
（2）古埃及人的宇宙观（星星像悬挂的油灯吊在天空）
2. 托勒密的“地心说”
约公元 150 年，古罗马天文学家 （C. Ptolemaeus，约 90 —168）集当时天文学之大成， 提出以地球为中心的宇宙结构学说，即“ ”。他认为，地球位于宇宙的中心，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着地球旋转；恒星都镶嵌在最外边的天球上。
3. 哥白尼的“日心说”
波兰天文学家 （N. Copernicus，1473 —1543）通过长期的观察和研究，提出了太阳中心说宇宙模型，即“ ”。他认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳旋转，月球是地球的一颗卫星，它绕着地球旋转。
观察法：
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。
4. 飞出地球
哥白尼确定了天体的位置，但没有告诉我们地球及其他行星为什么会绕着太阳旋转。
1687 年，英国科学家 发现了万有 ，对此作出了回答：任何两个物体间都存在着一种相互吸引的力，太阳依靠它对地球和其他行星之间的巨大吸引力，使地球和各个行星绕着它旋转。这与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着中心旋转。
千百年来，人类就幻想着飞向宇宙，探索其奥秘。我国民间流传的“嫦娥奔月”“孙悟空大闹天宫”等神话故事，就是这样的美妙幻想。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。
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。我们已进入航天时代，踏上了迈向宇宙深处的征途。
我的疑问：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
【合作探究】
探究一、“地心说”与“日心说”
1．古人富有想象的宇宙图景
中国古代“浑天说”(浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内……)
古埃及人的宇宙观(星星像悬挂的油灯吊在天空)
2．地心说与日心说
图示 模型 结论
托勒密的“地心说”宇宙图(地球位于宇宙的中心，太阳和行星绕着地球在不同的球面上运动) 约公元150年，古罗马天文学家托勒密集当时天文学之大成，提出以地球为中心的宇宙结构学说,即“地心说”。他认为，地球位于宇宙的中心，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着地球旋转；恒星都镶嵌在最外边的天球上。 托勒密的“地心说”能解释日食、月食等许多天文现象，并且符合当时人们普遍认同的地球不动的观念，因此很容易被人们接受。后来“地心说”又被当时的教会所利用，成为禁锢人们思想的枷锁，一直流行了1000多年，严重地阻碍了科学前进的脚步。
哥白尼的“日心说”模型 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”。他认为，太阳是宇宙的中心，地球和其他行星都绕着太阳旋转，月球是地球的一颗卫星，它绕着地球旋转。 哥白尼的“日心说”有着非常重要的意义，它比托勒密的模型简洁、和谐，能较好地解释当时的许多天文现象。根据哥白尼的“日心说”,科学家算出了各颗行星到太阳的距离，首次推算了宇宙大小的尺度。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。
【例题1】（1）下列物理学家与其贡献对应正确的是（ ）
A．哥白尼——“地心说” B．爱因斯坦——发明望远镜
C．牛顿——万有引力 D．伽利略——“日心说”
（2）用“日心说”否定了影响人类达千年之久的托勒密的“地心说”，有力地推动了人类文明的进步的科学家是（ ）
A．牛顿 B．伽利略 C．爱因斯坦 D．哥白尼
跟踪训练1 率先用望远镜观察天体运动，由此得到的关于天体运行的结果支持了哥白尼的“日心说”的科学家是（ ）
A．伽利略 B．普朗克 C．爱因斯坦 D．霍金
跟踪训练2 下列有关物理学史描述中正确的是（ ）
A．哥白尼提出“地心说”
B．牛顿最早研究了光的色散现象
C．伽利略总结出了杠杆平衡条件
D．卢瑟福发现了电子
跟踪训练3 下列关于宇宙的说法，正确的是（ ）
A．哥白尼提出了“地心说”
B．太阳是恒星，它是银河系的中心
C．恒星的位置也是相对变化的
D．宇宙是一个无层次的杂乱的天体结构系统
探究二、飞出地球
1．万有引力
太阳引力使行星绕着它旋转 绳子的拉力使小物体绕着中心旋转 敦煌的飞天壁画
古代利用火药发射的火箭 “玉兔二号”月球车 中国空间站
【探究归纳】1687年，英国科学家牛顿发现了万有引力定律，对此作出了回答：任何两个物体间都存在着一种相互吸引的力，太阳依靠它对地球和其他行星之间的巨大吸引力，使地球和各个行星绕着它旋转。
万有引力的大小与两个物体的质量和物体间的距离有关。通常，物体间的引力很小，我们觉察不到。天体的质量都是巨大的，因此，天体间的引力也就大得惊人。
2．三个宇宙速度
航天器在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度，叫做第一宇宙速度，其大小为7.9 km/s。 如果航天器的发射速度大于7.9 km/s,而小于11.2km/s,它绕地球运动的轨迹就不是圆，而是椭圆。当航天器的发射速度大于11.2km/s时，航天器就可以挣脱地球引力的束缚，成为绕太阳运动的人造行星，这个速度叫做第二宇宙速度。 达到第二宇宙速度的物体还受到太阳引力的束缚，要想使物体挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去，必须使它的发射速度大于16.7 km/s,这个速度叫做第三宇宙速度。
【例题2】（1）我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，宇指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。若我们有一天乘坐宇宙飞船从地球出发去探索宇宙，将先后飞离（ ）
A．地月系、太阳系、银河系 B．银河系、太阳系、地月系
C．太阳系、银河系、地月系 D．银河系、地月系、太阳系
（2）我国计划建设一台最终口径达8m的EAST通用光学望远镜，建成后它将是世界的“东方之眼”。利用EAST通用光学望远镜可研究宇宙中的物体。下列物体中，空间尺度最大的是（ ）
A．银河系 B．太阳系 C．土星 D．月球
跟踪训练1 在太阳系中，水星、金星、地球、火星是离太阳最近的四颗（ ）
A．卫星 B．行星 C．恒星 D．彗星
跟踪训练2 火星与地球邻近且环境最为相似。火星的直径约为地球一半，自转轴倾角、自转方向、自转周期均与地球相近，其公转一周的时间约为地球公转一周时间的两倍。火星地表沙丘、砾石遍布。下列推测正确的是（ ）
A．火星上有四季变化
B．火星的一天比地球的一天约长一倍
C．在火星上不能看到太阳东升西落
D．火星表层的成分与地球上土壤成分相似
跟踪训练3 阅读短文，回答下列问题。
万有引力
牛顿发现的万有引力定律是17世纪自然科学最伟大的成果之一，它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对物理学和天文学的发展具有深远的影响。
如图所示，任意两个物体有在连心线方向上的相互吸引的力，这种力叫万有引力，该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们中心之间距离的平方成反比，与两个物体的化学组成和其间介质种类无关。万有引力的计算公式为，其中F表示两个物体之间的引力，k表示万有引力常量，表示物体1的质量，表示物体2的质量，r表示两个物体中心之间的距离。两个质量为1kg的物体在相距1m时的吸引力约为。
太阳对地球的引力使地球不能离开太阳，地球对其上物体的引力使物体不能离开地球。要离开地球，必须借助运载火箭。2024年5月3日，我国成功发射嫦娥六号探测器。
(1)下列现象的成因，与万有引力无关的是______（填字母）；
A．月球绕地球运动而不能飞离地球
B．铁丝很难被拉断
C．行星绕太阳运动而不能飞离太阳
D．熟透了的苹果从树上落向地面
(2)任意两个同学之间也有引力，但行动却几乎没有受到影响，这是因为同学 （选填“质量”或“距离”）较小，导致引力较小；
(3)嫦娥六号探测器由地球飞向月球的过程中，地球对探测器的引力 （选填“变大”“变小”或“不变”）；
(4)质量为1kg的物体在地球表面受到的地球的吸引力约为10N，如果地球半径约为，则地球质量约为 kg。
【归纳整理】
【课堂练习】
1．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
2．下列说法错误的是（　　）
A．“地心说”认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮及其他行星绕地球转动
B．“日心说”能解决很多“地心说”无法解释的现象
C．天王星的运行轨道偏离根据万有引力计算的轨道，说明万有引力定律是错误的
D．日心说和地心说都是错误的
3．如图所示，发现了万有引力定律，使人们第一次科学认识神秘天体运动的科学家是（　　）
A．哥白尼 B．哈勃 C．伽利略 D．牛顿
4．用绳子系着一个小球做圆周运动，当小球速度逐渐加快时，你感受到的拉力（　　）
A．逐渐变小 B．逐渐变大 C．不变 D．以上情况都有可能
5．人造地球卫星绕地球做圆周运动，当地球对它的吸引力突然消失的瞬间，不计阻力，它将（　　）
A．静止在空中 B．竖直向下运动 C．继续做圆周运动 D．做匀速直线运动
6．1989年10月18日，人类发射的“伽利略号”木星探测器进入太空，于1995年12月7日到达木星附近，然后绕木星运转并不断发回拍摄到的照片，人类发射该探测器的发射速度应为（　　）
A．等于7.9 km/s B．大于7.9 km/s而小于11.2 km/s
C．大于11.2 km/s而小于16.7 km/s D．大于16.7 km/s
7．著名的天文学家、自然科学的先驱 　 　 用日心说否定了影响人类达千年之久的地心说；经典力学和实验物理学的先驱 　 　 率先用望远镜观察天空。
【课后巩固】
1．图为“嫦娥五号”探测器运动轨迹，下列对此过程说法正确的是（ ）
A．地球是太阳系的中心，月亮绕着地球旋转
B．探测器登月前需要减速，需要向运动方向的反方向喷射高速气体，以获得制动力
C．探测器绕月飞行时，它的运动状态一直在改变
D．随着嫦娥五号远离地球，其惯性越大
2．物理学的“殿堂”是经过无数“巨人”们的不断努力和探究构建的，他们为后人留下了永远高扬的科学精神。其中提出“日心说”的“巨人”是（ ）
A．焦耳 B．牛顿 C．奥斯特 D．哥白尼
3．人类从未停止对宇宙的探索，下列说法中正确的是（ ）
A．宇宙中天体在不停地运动，其中地球是宇宙真正的中心
B．我们认识到，宇宙是一个没有层次的天体结构系统
C．现代观测发现，离我们越远的星系，远离的速度就越快，由此推断宇宙是不断膨胀的
D．太阳是银河系中数以亿计的恒星中的一颗普通恒星，恒星的位置是固定不变的
4．哥白尼认为宇宙的中心是（ ）
A．地球 B．太阳 C．月亮 D．奥林匹斯山
5．如下图所示，①~⑧代表太阳系中的八大行星，则我们居住的星球是（ ）
A．⑦ B．⑥ C．⑤ D．③
6．在地球上发射飞行器的三个宇宙速度的示意图如如图所示。下列说法错误的是（ ）
A．是第一宇宙速度，它是飞行器在地球周围空间绕地球飞行的最小速度
B．是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球
C．是第三宇宙速度，发射速度大于第三宇宙速度的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外
D．当发射速度在7.9km/s与11.2km/s之间时，飞行器将绕地球在更高轨道上做圆周运动
7．2003年， 乘坐“神舟五号”载人飞船圆满完成了我国首次载人航天飞行，这标志着中国成为世界上能够独立开展载人航天活动的国家之一；2004年中国启动 探测工程，并命名为“嫦娥工程”；2021年，“天问一号”探测器（如图甲）成功登陆 ，“祝融号”（如图乙）开始工作；同一年，我国又成功将“浚和号”太阳探测科学技术实验卫星送入预定轨道，标志着我国正式进入“探日时代”。
8．在长期的观察和探究中，波兰天文学家 提出了著名的“日心说”，从根本上否定了“地心说”；意大利科学家 率先用天文望远镜观察太空并得出天体运行的相关数据，从而有力地支持了“日心说”。
9．宇宙是一个有 的天体结构系统。宇宙大千世界，从宏观到微观，从天体到原子，似乎都有那么多惊人的相同规律。如图所示，是太阳系模拟图，行星们在各自的固定轨道上围绕恒星太阳运转这与 （填科学家）的原子核式结构模型十分相似，其中原子核相当于太阳，绕核运动的 就相当于行星。
10．物理课本上用一个黏有小金属粒的气球做演示实验，该实验将黏有小金属粒的气球看成宇宙，小金属粒看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他小金属粒都在离它远去，说明宇宙在 （膨胀/收缩），这主要运用的一种思维方法是 （等效法/类比法/转换法）。
【课后自评】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
我的收获：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
我的错题：
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

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