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(共29张PPT)
3.3 人类对宇宙的探索
第1课时 宇宙学说
创设情境
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。“天宫课堂”对于培养青少年科学精神、激发探索浩瀚宇宙的兴趣具有独特优势。人类为什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些发现？
太阳系在银河系的位置
地球是宇宙的中心
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。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。那么，我们对宇宙的认识是如何改变的？
一、从地心说到日心说
我国战国时期的盖天说认为，天圆如张盖，地方如棋盘。
“天圆地方”的盖天说
盖天说这种宇宙观，虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示字宙的本质。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。
1、盖天说：
早期的希腊人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中心。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。
图3.3-1 “地心说”示意图
托勒密认为，地球是宇宙中心，且静止不动，太阳、月球、行星和恒星等所有天体都围绕着地球在各自的圆形轨道上运转。
2、地心说：
如图3.3-1，“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1000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。
科学家经仔细观测，发现行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合。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。在得出地球是颗行星后，哥白尼为太阳系建立了“日心说”模型。
图3.3-2 “日心说”示意图
哥白尼
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。
3、日心说：
哥白尼出版了著作《天球运行论》，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。“日心说”挑战了当时占主导地位的“地心说”。
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。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：
①太阳上有黑子，说明太阳并不完美；
②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；木星的有卫星运转的事实为哥白尼学说提供了强有力的证据。
③金星的位相变化也说明金星并不是围绕地球公转的。
图3.3-3 伽利略头像及其记录在本子上的7个夜晚的木星的4颗卫星图示
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1642年病逝。
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，太阳系中海包括行星及其卫星，以及各种更小的天体，都围绕太阳公转。
地心说到日心说
“日心说” 中有关宇宙以太阳为中心的提法也有不正确之处，请用相关知识解释。
太阳位于太阳系中，太阳属于银河系，太阳系也不是银河系的中心。银河系也是众多星系中的一个，并非宇宙中心。
宇宙从哪里来？宇宙将向何处去？宇宙有多大？宇宙有中心吗？宇宙中还有适合人类生存的家园吗？这些问题不断激励着人们去探索。
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。
二、现代宇宙学说
地月系
太阳系
银河系
可观测宇宙
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。
宇宙学：研究宇宙的性质、结构和演化（诞生、演化和死亡）的科学。
1.阅读图3.3-4，牧夫座星系离地球有多远，它的退行速度有多大？
2.哪个星系的退行速度最大？
哪个星系离地球最近？
3.得出结论，星系距离地球的远近与其
退行的速度有什么关系？
4.预测距离地球50亿光年的星系的退行速度。
离地球25亿光年，退行速度39000km/s。
长蛇座退行速度最大。室女座离地球最近。
星系距离地球的远近与其退行的速度成正比关系。
离地球50亿光年星系的退行速度为100000km/s 。
图3.3-4 不同星系的退行速度
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。
公式表示为：
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。
1、哈勃定律
（1）哈勃定律：
v=Hd
哈勃定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律反映了整个宇宙的整体性,展示了一幅宇宙整体退行图景，即宇宙正在不断地膨胀。
图3.3-5 星系间的距离在不断扩大的示意图
（2）所有星系都在远离我们而去，星系离我们越远，它的退行速度
越快；星系间的距离在不断扩大，宇宙在不断膨胀。
哈勃
几乎所有的星系都在退行，是否意味着地球处于宇宙的中心？
星系都在远离我们而去，并不意味着我们处于“宇宙的中心”。宇宙的膨胀使得所有的星系相互之间都在彼此分离。地球只是普通观测点之一；“所有星系远离我们”是空间膨胀的必然观测效应。你到任何一个星系上去，都会看到同样的情景。宇宙没有中心。
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。
海王星
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。
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，各个圆形小纸片间距离的变化。这些原先
靠得很近的“星系”之间的距离增大了吗？
增大了
图3.3-6 气球充气
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。
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。
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。
现代宇宙学以爱因斯坦的广义相对论为理论基础，以天文观测为事实依据。
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。
我们是否可以做出这样的推断：宇宙在不断膨胀，这意味着过去的宇宙比现在小。那么时间越往前，宇审中的星系之间的距离是否必然越小？再往前倒退至某一时间，宇宙是否密集在一个点上？
时间越往前宇宙中的星系之间的距离可能越小。再往前倒退至某一时间，宇宙可能密集在一个点上。
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。
2、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。
图3.3-7 伽莫夫
视频：宇宙大爆炸
宇宙大爆炸理论合理吗？理论预测的结果与实际观测的结果相一致，理论才能被人们接受。
测到来自空间各个方向的辐射，对应温度约为2.73 K，与理论预测温度非常接近。
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5K(K为热力学温度单位)。
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。因此，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。
宇宙大爆炸理论
该理论得到了广泛的认可，成为宇宙学中的标准模型。但宇宙的研究并没有结束，即使是标准模型，也面临着多方面的挑战。
3、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。
如图给出了宇宙演化年表，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。
图3.3-8 宇宙演化年表
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。宇宙让我们的思考广阔而深邃。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。
宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”。
爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)建立广义相对论后，意识到要将整个宇宙作为对象来研究，并将广义相对论作为研究宇宙的理论。宇宙论在落寞了几百年后，又开始恢复了生机。爱因斯坦坚信整个宇宙是一个和谐的整体。于是，爱因斯坦
提出了有限无边、静态的宇宙模型。他认为，宇宙
整体上应该是静态的。为此，他在方程中加了一个
字宙常数，以维持宇宙的静态。当宇宙膨胀的预言
被证实后，爱因斯坦为这一发现而欢呼，并承认自
己在宇宙模型中人为地引入字宙常数,是他人生中
犯下的一个大错误。
图3.3-9 爱因斯坦
迁移应用
1.下列有关大爆炸宇宙论的说法正确的是（　　）
A．大爆炸宇宙论是科学家通过科学观察和研究得出的科学结论
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．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
D．大爆炸宇宙论和牛顿第一定律一样是科学定律
D
迁移应用
2.宇宙热大爆炸后 （　　）
A．密度增大，温度升高 B．密度减小，温度升高
C．密度增大，温度降低 D．密度减小，温度降低
D
3.下列是宇宙大爆炸理论观点的是（　　）
A．大爆炸引起宇宙的膨胀，现在正在加速膨胀
B．大爆炸引起宇宙的膨胀，现在膨胀已开始变慢
C．大爆炸发生于很久的过去，现在宇宙已处于稳定状态
D．大爆炸引起宇宙的膨胀，现在膨胀已结束且开始收缩
4.关于大爆炸论的下列说法中，不正确的是（　　）
A．微波背景辐射是热大爆炸的有力证据
B．爆炸引起的宇宙膨胀至今还在继续
C．宇宙各星系间的相对位置不会再发生改变
D．宇宙有可能永远膨胀下去
C
A
5.2016年2月12日，美国科学家宣布探测到来自遥远天体的引力波信号，这个发现可以帮助科学家探索宇宙的诞生和发展。下列正确的是（　　）
A．宇宙是有起源的、膨胀的、演化的
B．太阳是宇宙的中心
C．宇宙中星系间的距离是恒定不变的
D．地球是宇宙的中心
A
再见

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