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3.3 人类对宇宙的探索
目标导航·素养导向 教材精研·考点突破 避坑指南·易错辨析实战演练·随堂检测 巩固拓展·课后提升
01 目标导航·素养导向
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。
02 教材精研·考点突破
考点01 从地心说到日心说
1. 古代对宇宙的认识
我国古代：战国时期盖天说认为“天圆如张盖，地方如棋盘”，虽摆脱神话但远未揭示宇宙本质；秦汉时期已初步认识太阳、月球和5颗行星（金木水火土）的运动规律并能推算天象。
早期希腊：相信宇宙完美、地球是宇宙中心。公元2世纪托勒密在亚里士多德等人基础上完善“地球中心学说”，创立地心说模型。
2. 托勒密的“地心说”
地心说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地球在各自的圆形轨道上运转（如图3.3-1所示）。
地心说能解释5颗行星及太阳、月球的观测运动路径，在随后1000多年里普遍为人接受，也给发现其不足的人造成难题。
图3.3-1 托勒密的“地心说”示意图
3. 哥白尼的“日心说”
16世纪哥白尼经20年观测研究发现地球也是一颗行星，建立“日心说”模型：太阳是宇宙中心，地球和行星都围绕太阳做圆周运动（如图3.3-2所示）。
哥白尼临终前出版《天体运行论》阐述日心说理论基础。日心说是对“地球中心”观点的重大突破，但保留了行星做圆周运动的观点，也未能正确解释行星运动方式与成因。
教材深挖：日心说中“宇宙以太阳为中心”也不正确——太阳位于太阳系中，太阳系位于银河系比较边缘的普通位置，并无独特地位。
图3.3-2 哥白尼的“日心说”示意图
4. 伽利略对“日心说”的推广
1609年伽利略用自制望远镜观测天空，为日心说提供新证据：太阳上有黑子（说明太阳不完美）；木星有4颗卫星（说明并非所有天体都绕地球运行）；金星有位相变化（说明金星不绕地球公转）。
伽利略的观测挑战了居于统治地位的地心说，1633年遭罗马宗教裁判所判处终身监禁、后改软禁，1642年病逝。科学的证据最终让人们接受日心说。
图3.3-3 伽利略头像及其记录的木星4颗卫星图示
5. 思考与讨论
“日心说”中有关宇宙以太阳为中心的提法也不正确：太阳只是太阳系的中心，太阳系位于银河系中较边缘处，银河系之外还有上千亿个星系，宇宙根本没有这样的中心。
考点02 现代宇宙学说
1. 宇宙的组成与星系的观测
浩瀚宇宙中有各种不同的天体，组成大小不同的天体系统；我们看到的宇宙就是由各种天体系统组成的。
20世纪一二十年代，天文学家用大型望远镜观测银河系以外的星系，测出不同星系间的距离，判断其运动速度与方向。
2. 哈勃的研究——星系的退行
1929年哈勃分析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，表明宇宙正在膨胀。
哈勃定律：星系的退行速度与其到观察者的距离成正比，公式 υ＝Hd（υ为退行速度，d为距离，H为哈勃常数）。这反映了宇宙的整体性，展示宇宙整体退行的图景。
图3.3-4 不同星系的退行速度（部分星系数据）：
星系 距离银河系/百万光年 退行速度/(km·s )
室女座某星系 80 1200
大熊座某星系 980 15000
牧夫座某星系 2540 39000
长蛇座某星系 3980 61000
3. 星系运动模型（气球实验）
探索活动：在气球表面贴圆形小纸片代表星系，充气使气球胀大。观察发现不管哪个“星系”，其他“星系”都在不断离它而去，膨胀没有中心。
结论：几乎所有星系都在退行，并不意味着地球处于宇宙中心——这是宇宙空间自身的整体膨胀（如图3.3-5、图3.3-6）。
图3.3-5 星系间的距离在不断扩大的示意图 图3.3-6 气球充气
4. 爱因斯坦的广义相对论与宇宙模型
1915年爱因斯坦建立广义相对论并用于宇宙研究，建构静态宇宙模型；1922年苏联科学家弗里德曼从广义相对论得到均匀膨胀或收缩的宇宙模型，当时不为人们重视。
当哈勃定律公布后，人们发现天文观测现象正是该理论模型所预言的现象，理论预言被天文观测证实。现代宇宙学以广义相对论为理论基础、以天文观测为事实依据。
教材深挖：爱因斯坦曾为维持静态宇宙在方程中引入“宇宙常数”，后承认这是一大错误。
图3.3-7 伽莫夫 图3.3-9 爱因斯坦
5. 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基础：宇宙起源于极高温、极高密度的“奇点”大爆炸，之后不断膨胀、温度下降，生成各种物质与星系，演化成今天的宇宙，并将继续膨胀。
多方面观测支持：宇宙始于约138亿年前的一次大爆炸；当今宇宙仍充满大爆炸残余辐射（对应温度约2.73 K），与理论预测（约5 K）非常接近。
宇宙大爆炸理论是被广为接受的一种宇宙起源学说（标准模型），但随着研究深入仍面临多方面挑战，并非终极结论。图3.3-8给出宇宙演化年表。
图3.3-8 宇宙演化年表
6. 科学阅读——爱因斯坦
爱因斯坦（1879—1955）建立广义相对论后，将整个宇宙作为研究对象，提出有限无边、静态的宇宙模型；其引入的宇宙常数后被他称为“一生中犯下的大错误”。宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”。
考点03 银河系和河外星系
1. 星系及其分类
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形成的大型天体系统。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（如图3.3-10）。
银河系是一个旋涡星系：从侧面看呈扁圆盘状；从上往下看能看到旋涡结构。因太阳系位于银河系一条旋臂上，我们在地球上无法看到银河系的旋涡结构。
图3.3-10 三类星系
2. 银河系的大小与结构
银河系由众多恒星及星际物质组成，所有恒星都围绕银河系中心旋转。直径约1.0×10 光年，中心厚度约1.2×10 光年，自中心向边缘逐渐变薄。
太阳是银河系内几千亿颗恒星中的一颗普通恒星，距银河系中心约2.6×10 光年，约2.4亿年绕银河系中心转一圈。离太阳最近的恒星是比邻星，相距4.22光年。
太阳不在银河系的中心——人类又一次破除了自己位于宇宙中心的观念。图3.3-11、图3.3-12分别为银河系侧视图与俯视图。
图3.3-11 银河系“侧视图”(模拟图) 图3.3-12 银河系“俯视图”(模拟图)
3. 不同尺度的天体与河外星系
图3.3-13显示不同尺度天体所横跨的范围：地球→太阳系→银河系→宇宙。银河系只是广阔深空中上千亿个星系中的一个普通星系，银河系与河外星系构成广阔无垠的宇宙。
1919年哈勃测定仙女座大星云（星系）的距离远大于银河系直径，推断它必位于银河系之外——仙女星系其实是一个比银河系更巨大的星系（如图3.3-14）。
探索活动——利用北斗七星找北极星：面向北天先找到大熊星座，北斗七星呈斗状易认；斗柄在不同季节指向不同（春东夏南秋西冬北，“东南西北，春夏秋冬”）。把斗前 two星连线向斗口延伸约5倍距离即到北极星（如图3.3-15）。
宇宙中上千亿个星系，每个星系含数量巨大的恒星（如北斗七星范围内估计有100多万个星系）。图3.3-16中每个可见的光点都可能是一个遥远的星系。
图3.3-13 不同尺度的天体所横跨的范围 图3.3-14 仙女星系 图3.3-15 北斗七星 图3.3-16 图中每个可见的光点都可能是一个遥远的星系
4. 科学阅读——时光回溯
遥远天体发出的光需几百万年甚至几十亿年才到达地球。仙女星系距地球约250万光年，我们现在看到的是它250万年前发出的光——光信息记录的是250万年前发生的事件。望远镜看得越远，可研究的宇宙年代越早。
考点04 恒星
1. 研究恒星演化的意义与恒星的诞生
太阳是银河系内一颗相当普通的恒星，每颗恒星都有诞生、演化和死亡的过程。太阳是地球能量之源，研究恒星演化对人类生存意义重大。
恒星诞生：宇宙膨胀降温出现中性原子构成的宇宙尘埃，在引力下聚集成气体星云团；收缩升温至非常炽热时星云团开始发光，恒星便诞生了。
2. 恒星的寿命与质量的关系
恒星寿命指恒星在耗尽燃料前能存在的时间，长短取决于质量大小：质量越大，寿命越短；质量越小，寿命越长。
探索活动：质量约为太阳80%的恒星能存在约150亿年；质量约为太阳1.7倍的恒星能存在约30亿年（见图3.3-17）。
图3.3-17 恒星的寿命与质量的关系图
3. 太阳未来的演变过程
约50亿年后太阳中心氢不足，球核开始收缩，外层氢变氦、星体急剧扩大成红巨星（接近火星轨道时会吞噬水星、金星、地球，持续约10亿年，亮度升至近1万倍）。
红巨星不断抛外层物质形成行星状星云，球核进一步收缩成体积极小、密度很大的白矮星；最后慢慢“熄灭”成看不见的黑矮星，进入新的循环。今天的太阳正值鼎盛（主序星阶段已约50亿年，还能约50亿年）。
4. 恒星的归宿
质量1～8倍太阳质量：演变成红巨星，最终成白矮星。1054年我国记录的“客星”超新星爆发诞生了蟹状星云（图3.3-18），是首个有清晰历史记录的超新星遗迹。
质量10～20倍太阳质量：急剧变大成红超巨星，爆发成超新星，最终成体积极小、密度极大的中子星。质量更大时内部巨大压力把物质“压”成黑洞——密度极大、引力极强，连光都无法逃脱（图3.3-19、图3.3-20）。
黑洞发现：2016年科学家宣布探测到黑洞存在；2019年我国依托郭守敬望远镜（LAMOST）发现迄今质量最大的恒星级黑洞；2022年5月展示银河系中心超大质量黑洞首张照片（距地球约2.7×10 光年）。
科学阅读——中子星：质量大于8倍太阳质量的恒星可能演变为中子星；典型直径仅约20 km，密度惊人（1 cm 质量达1亿吨甚至几十亿吨），表面温度可达1×10 ℃，能量辐射近太阳的100万倍（图3.3-21）。
图3.3-18 蟹状星云 图3.3-19 恒星的演化 图3.3-20 银河系中心黑洞 图3.3-21 中子星从极点喷发强大气流
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 1. 易错点1：地心说认为地球静止于宇宙中心、万物绕地球转；日心说认为太阳是中心。但太阳也不是宇宙中心——它只是太阳系中心，太阳系位于银河系较边缘的普通位置。 2. 易错点2：星系都在远离我们而去，并不意味着地球是宇宙中心；这是宇宙空间自身的整体膨胀（气球模型），膨胀没有中心。 3. 易错点3：宇宙大爆炸理论是被广为接受的宇宙起源“学说/假说”，不是已被证明的科学结论，更不是科学定律（如牛顿第一定律）。 4. 易错点4：银河系是旋涡星系，太阳系位于银河系的一条旋臂上，太阳（及地球）并不在银河系的中心；银河系只是上千亿个星系中的一个普通星系。 5. 易错点5：恒星寿命与质量成反比——质量越大，寿命越短；质量越小，寿命越长。不要记反。 6. 易错点6：黑洞密度极大、引力极强，连光都无法逃脱，故远处观测者看不到来自黑洞的光；中子星、黑洞都是大质量恒星演化的最终归宿。
04 实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 下列关于“地心说”和“日心说”的说法，正确的是（ ）
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
2. 下列有关大爆炸宇宙论的说法正确的是（ ）
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
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（ ）
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
4. 下列有关恒星的说法，不正确的是（ ）
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
参考答案
【实战演练】
第1题： C
解析：“地心说”认为太阳及其他天体围绕地球运动，“日心说”认为地球和行星绕太阳做圆周运动，故A错误。“地心说”在科学发展观上的作用是打破了天圆地方的宇宙观、建立宇宙空间观念，故B错误。“日心说”今天看来也不正确（太阳并非宇宙中心），故D错误。C正确。
第2题： B
解析：大爆炸宇宙论是目前广为接受的一种宇宙起源学说，并非科学结论，更不是科学定律；它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。随着科技进步，人们对宇宙的认识还将不断深入。故B正确。
第3题： D
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、太阳系在银河系一条旋臂上，故地球不在银河系中心，C错误。从侧面看银河系呈扁圆盘状，从上往下看能看到旋涡结构，故D正确。
第4题： B
解析：恒星寿命与质量有关，质量越大寿命越短——因质量越大压力越大、内部核反应更剧烈，故A正确、B错误；恒星步入“老年期”时核心收缩、外层膨胀，成为红巨星或红超巨星，红超巨星可能爆炸成超新星，故C、D均正确。
05 巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 畅想空间站中航天员的生活有哪些特点，并解释原因。
2. 设计一个模拟实验，解释宇宙大爆炸理论的主要内容。
3. 说一说你了解的我国近年来在航天事业建设方面取得的主要成就。

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