资源简介

3.3 人类对宇宙的探索
本节导航·目标清单 教材精研·内容全解 避坑指南·易错辨析实战演练·随堂检测 巩固拓展·课后提升
本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解从地心说到日心说的人类认识宇宙的历程 · 理解哈勃定律及宇宙膨胀的观测证据 · 认识宇宙大爆炸理论的基本观点 · 了解银河系和河外星系的结构与天体系统层次 · 理解恒星的诞生、演化与消亡过程 · 通过模型法理解宇宙膨胀（气球模拟实验） · 运用类比法分析星系运动特点 · 结合图表分析恒星质量与寿命的关系 · 用发展的观点认识科学理论的演进
教材精研·内容全解
考点01 从地心说到日心说
1. 古代宇宙观与地心说
我国战国时期的盖天说认为，天圆如张盖，地方如棋盘。盖天说虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质。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。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。托勒密认为，地球是宇宙中心且静止不动，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。"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"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，具有一定的历史价值。
人类对宇宙认识的发展历程 托勒密地心说与哥白尼日心说模型对比
2. 哥白尼日心说的提出
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。该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。哥白尼在临终前出版了著作《天体运行论》，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。
3. 伽利略的观测证据
科学家伽利略对哥白尼学说的发展与传播起到了很大作用。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；金星的位相变化也说明金星并不是围绕地球公转的。这些观测发现挑战了居于统治地位的"地心说"。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"。但"日心说"中有关宇宙以太阳为中心的提法也有不正确之处，因为太阳只是太阳系的中心，并非宇宙的中心。
考点02 现代宇宙学说
1. 哈勃定律与宇宙膨胀
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，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。在此基础上，哈勃提出了著名的哈勃定律：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 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。哈勃定律反映了宇宙的整体性，展示了一幅宇宙整体退行的图景，即宇宙正在不断地膨胀。哈勃定律被随后的进一步观测所证实，成为现代宇宙学说最重要的证据。
星系退行现象——现代宇宙学说的重要证据 哈勃定律：星系退行速度与距离的关系
2. 星系运动特点与气球模型
星系运动具有以下特点：大多数星系都在离我们远去；星系离我们越远，它的退行速度越快；宇宙中的星系并非以地球为中心向外运动，膨胀没有中心；星系间的距离在不断扩大。为了理解星系运动，可以建立气球模型：在气球表面贴上一些圆形小纸片代表星系，用打气筒持续地向气球充气使气球不断胀大（即宇宙膨胀），观察各纸片间距离的变化。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。这说明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。
气球充气模拟宇宙膨胀实验 星系运动特点类比示意图
3. 宇宙大爆炸理论
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。宇宙大爆炸理论认为，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余的辐射，对应温度约为5K。实际测到来自空间各个方向的辐射，对应温度约为2.73K，与理论预测非常接近。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。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。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。
【知识扩展】 4. 多普勒效应与红移现象
当一列火车迎面驶来时，我们听到的汽笛声调会升高（即声波的频率升高）；当它离我们远去时，汽笛声调会降低（即声波的频率降低），这一现象叫多普勒效应。光同样可以产生多普勒效应，当一个光源靠近我们或离我们远去时，我们观测到它发出的光的频率也会发生变化，变化的规律与声音发生多普勒效应的规律相同。20世纪天文学家哈勃观察到，几乎所有远处星系发出光的频率都向红光方向偏移，即"红移"，这一现象说明星系在远离我们而去。由"红移"现象推知，红光的频率小于紫光的频率，远处星系的光谱正在变长，频率在减小，即向长波方向偏移。哈勃据此研究了20多个距离已知的星系，绘制出它们退行速度与距离的关系图像，得出哈勃定律。
考点03 银河系和河外星系
1. 银河系的结构
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。银河系是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。银河系的直径约为1.0×10 光年，中心厚度约为1.2×10 光年，自中心向边缘逐渐变薄。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2.6×10 光年，约2.4亿年绕银河系中心转一圈。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。
飞马座螺旋星系NGC 7469——与银河系结构层次相当的旋涡星系
2. 河外星系
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。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。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，因此推断仙女星系一定位于银河系之外。仙女星系是一个比银河系更巨大的星系，到地球的距离约为250万光年，即仙女星系发出的光需要传播250万年才能到达地球。天文学家估计，北斗七星范围内存在100多万个星系，每个星系中同样含有数量巨大的恒星。
3. 天体系统的层次
宇宙包含了银河系和河外星系，银河系包含了太阳系，太阳系包含了地月系。天体系统的结构层次由大到小为：宇宙→银河系和河外星系→太阳系→地月系。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位置，并没有明显的独特地位。从地月系到宇宙，尺度依次增大：地月系、太阳系、银河系、宇宙，每个层次都包含前一个层次。光年是天文学中常用的长度单位，表示光在真空中传播一年所经过的距离，用于测量天体间的距离，而不是时间单位。
考点04 恒星
1. 恒星的诞生
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。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。当这颗恒星继续收缩升温，温度超过1×10 ℃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90%的生命周期都处于主序星阶段。
2. 恒星的寿命与质量关系
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。像太阳这样的恒星的主序星阶段可持续约100亿年，太阳已存在约50亿年，它的主序星阶段还有约50亿年，今天的太阳正处在它的鼎盛时期。恒星寿命指恒星在耗尽燃料之前能存在的时间，通过观测和理论研究，科学家发现恒星质量与寿命之间存在反比关系。
3. 太阳的演化过程
科学家描绘出了太阳未来的演变过程：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。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，而球核进一步收缩，形成体积极小、密度很大的白矮星。最后，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。太阳的演化过程为：原始星云→主序星→红巨星→白矮星。
4. 黑洞与中子星
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。如果恒星的质量是1～8倍太阳质量，它会演变成红巨星，最终演变成白矮星；如果恒星的质量是太阳质量的10～20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。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。2019年，我国天文学家依托自主研制的郭守敬望远镜（LAMOST），发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞。2022年5月，天文学家展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片，该黑洞距离地球约2.7×10 光年。
考点05 人类探索宇宙的历程
1. 人类认识宇宙的发展
人类对宇宙的认识经历了漫长的过程。从古代的盖天说、地心说，到哥白尼的日心说，再到现代宇宙学说，每一次认识的深化都伴随着科学方法的进步。托勒密的"地心说"虽然不正确，但能解释很多天文现象，在历史上发挥了重要作用。哥白尼的"日心说"使人们的认识从"地球中心"走向"太阳中心"，是一个重大突破。哈勃通过观测发现宇宙正在膨胀，伽莫夫等人提出宇宙大爆炸理论。任何科学理论都不能简单地归结为正确或错误的，建立模型往往需要有一个不断完善、不断修正的过程，以使模型更接近事物的本质。
2. 中国航天成就
人类为什么孜孜不倦地探索宇宙？随着科学技术的发展，人类探索宇宙的能力不断增强。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。2019年，我国天文学家依托自主研制的郭守敬望远镜（LAMOST），发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞。2022年5月，天文学家向人们展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。这些成就展示了我国在天文学和航天领域的强大实力。
3. 科学精神与宇宙探索
探索宇宙需要一代代科学家的努力和智慧的结晶。从用自制的简陋仪器观测星空的哥白尼，到用望远镜为"日心说"提供证据的伽利略，再到发现宇宙膨胀的哈勃，每一位科学家都用严谨的态度和创新的精神推动着人类对宇宙的认识。2022年，詹姆斯·韦布空间望远镜发布了距离地球2.2亿光年的飞马座螺旋星系NGC 7469的照片，展示了现代科技在宇宙探索中的强大能力。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。科学的发展没有终点，宇宙探索永远在路上。
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. "地心说"虽然不正确，但它能解释很多天文现象，在一定历史时期推动了天文学发展，具有一定的科学价值，不能简单地认为它"没有科学依据"或"没有科学价值"。 2. 太阳是太阳系的中心，而不是宇宙的中心。哥白尼"日心说"认为太阳是宇宙的中心且固定不动，这一观点也有局限性，太阳只是银河系内几千亿颗恒星中的一颗普通恒星，太阳系围绕银河系中心旋转。 3. 哈勃定律中"大多数星系都在远离我们而去"并不意味着地球处于宇宙的中心。宇宙膨胀没有中心，从任何星系观测都会发现其他星系在远离自己，星系间的距离在不断扩大。 4. 光年是长度单位而不是时间单位。1光年表示光在真空中传播一年所经过的距离，常用于测量天体间的距离，不能用来"测量宇宙演化历程"。 5. 恒星的寿命与质量成反比：质量越大，寿命越短；质量越小，寿命越长。太阳的演化过程为"原始星云→主序星→红巨星→白矮星"，不会经历红超巨星阶段，也不会形成中子星或黑洞。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 下列对人们认识宇宙过程的说法，正确的是（ ）
A. "盖天说"的观点是受神话影响提出的，没有科学依据
B. "地心说"的提出阻碍了科学进步，没有科学价值
C. 人们对宇宙的认识经历了"天圆地方""地心说""日心说"等阶段
D. 人们已探索到宇宙的边界，对宇宙的认识近乎完美
答：__________
2. 关于宇宙大爆炸，下列说法错误的是（ ）
A. 大爆炸引起的宇宙膨胀一直延续至今，并将延续下去
B. 大爆炸宇宙模型认为，"奇点"的温度极高、密度极大
C. "奇点"的爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降
D. 宇宙诞生于距今约138年前的一次"奇点"大爆炸
答：__________
3. 哥白尼"日心说"的观点中，现今观测发现存在局限性的是（ ）
A. 地球是行星之一，自转并绕太阳公转
B. 太阳系其他行星也自转并绕太阳公转
C. 太阳是宇宙的中心，且固定不动
D. 行星在各自的轨道上绕太阳公转
答：__________
4. 关于银河系的说法，正确的是（ ）
A. 银河系是以太阳为中心的天体系统
B. 银河系是宇宙的中心
C. 银河系是由众多行星及星际物质组成的一个庞大的天体系统
D. 从俯视角度看，银河系像一个大旋涡
答：__________
5. 下列关于恒星的说法，正确的是（ ）
A. 恒星的质量越大，寿命越长
B. 太阳的演化过程为原始星云→主序星→红超巨星→白矮星
C. 中子星是恒星演化的最终状态，不会再变化
D. 大质量恒星在演化的最后阶段可能形成黑洞
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 用气球充气模拟宇宙膨胀的实验中，如何通过观察气球表面小纸片间距离的变化来理解星系运动的特点？请说明该实验得出的结论。
答：________________________________________________
________________________________________________
________________________________________________
2. 简述太阳的演化过程，并说明太阳为什么不会演变成中子星或黑洞。
答：________________________________________________
________________________________________________
________________________________________________
3. 人类对宇宙的认识经历了从"地心说"到"日心说"再到现代宇宙学说的过程，请谈谈你对"科学理论需要不断完善和修正"这一观点的理解。
答：________________________________________________
________________________________________________
________________________________________________
参考答案
一、选择题
1. C 解析："盖天说"虽有一定局限性，但它是古人根据对自然现象的观察得出的，并非完全没有科学依据，A错误；"地心说"在当时推动了天文学等学科的发展，有一定科学价值，B错误；人们对宇宙的认识确实经历了从"天圆地方"到"地心说"再到"日心说"等阶段，C正确；目前人类还没有探索到宇宙的边界，对宇宙的认识并不全面，D错误。
2. D 解析：宇宙大爆炸理论认为宇宙诞生于约138亿年前的一次大爆炸，而非138年前，D说法错误。大爆炸引起的宇宙膨胀一直延续至今，"奇点"温度极高、密度极大，爆炸后宇宙空间处处膨胀、温度下降，ABC说法均正确。
3. C 解析：哥白尼"日心说"认为太阳是宇宙的中心且固定不动，但现代观测表明宇宙正在不断膨胀、没有中心，太阳也并非固定不动而是围绕银河系中心旋转，因此C存在局限性。地球自转并绕太阳公转、其他行星也自转并绕太阳公转等观点是正确的。
4. D 解析：银河系不是以太阳为中心的天体系统，A错误；宇宙没有中心，B错误；银河系是由众多恒星及星际物质组成的天体系统，而非行星，C错误；从俯视角度看，银河系像一个大旋涡，四条旋臂从中间伸出，D正确。
5. D 解析：恒星质量越大，寿命越短，A错误；太阳的演化过程为原始星云→主序星→红巨星→白矮星，不会经历红超巨星阶段，B错误；中子星不是恒星的最终状态，还会进一步演化为不发光的黑矮星，C错误；大质量恒星在演化最后阶段可能形成黑洞，D正确。
二、简答题
1. 答：在气球表面贴上圆形小纸片代表星系，用打气筒向气球充气使其不断胀大（模拟宇宙膨胀）。观察发现，不管选择哪个"星系"作为参照，其他"星系"都在不断地离它而去，各"星系"彼此后退，距离越远的"星系"远离速度越快。实验结论：宇宙膨胀没有中心，星系间的距离在不断扩大，大多数星系都在远离我们而去，距离越远退行速度越快。
2. 答：太阳的演化过程为：原始星云→主序星→红巨星→白矮星→黑矮星。太阳是一颗中等质量的恒星，其质量不足以形成红超巨星，因此不会爆发成超新星，也就不会演变成中子星或黑洞。中子星和黑洞通常是大质量恒星（质量为太阳的10～20倍以上）在演化末期的产物。
3. 答：科学理论的发展是一个不断完善和修正的过程。托勒密的"地心说"虽然不正确，但能解释很多天文现象，在历史上发挥了重要作用。哥白尼的"日心说"纠正了"地心说"的错误，但本身也有局限性（如认为太阳是宇宙的中心且固定不动）。现代宇宙学说在哈勃定律、宇宙大爆炸理论等基础上进一步发展。任何科学理论都不能简单地归结为正确或错误的，建立模型需要不断修正以更接近事物的本质，科学的发展没有终点。

展开更多......

收起↑