第3節

人類對宇宙的探索

浙教版七年級上創設情境2023年9月21日，“天宮課堂”第四課在中國空間站開講，航天員為廣大青少年帶來一堂精彩的太空科普課，并通過視頻與地面課堂師生進行實時互動交流。“天宮課堂”對于培養青少年科學精神、激發探索浩瀚宇宙的興趣具有獨特優勢。人類為什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些發現？探究實踐關于宇宙和我們賴以生存的地球，從古到今，人們的認識經歷了根本性的變革。那么，我們對宇宙的認識是如何改變的？地球沒有明顯的獨特地位地球是宇宙的中心地球曾被人們認為是宇宙中獨一無二的天體，是宇宙的中心。地球位于太陽系內，太陽系位于銀河系比較邊緣的一個普通的位置。探究實踐我國戰國時期的蓋天說認為，天圓如張蓋，地方如棋盤。敕勒歌敕勒川，陰山下。天似穹廬，籠蓋四野。天蒼蒼，野茫茫。風吹草低見牛羊。蓋天說“天圓地方”蓋天說這種宇宙觀，雖然已經擺脫神話的影響，但遠沒有揭示字宙的本質。

人類對宇宙的認識是不斷發展的。到秦漢時期，人們初步認識了太陽、月球和5顆行星的基本運動規律,并能推算天象的發生。探究實踐公元2世紀，希臘天文學家托勒密在亞里士多德等前人對宇宙的認識的基礎上，進一步完善了地球中心學說，創立了“地心說”模型。早期的希臘人相信，宇宙是完美的，地球是宇宙的中心。恒星位于最外面的天球上，它們之間的相對位置保持不變，同時作為一個整體在天空中轉動。托勒密認為，地球是宇宙中心，且靜止不動，太陽、月球、行星和恒星等所有天體都圍繞著地球在各自的圓形軌道上運轉。“地心說”可以解釋5顆行星的觀測路徑，以及太陽、月球的運動路徑。探究實踐科學家經仔細觀測，發現行星運行規律與托勒密的宇宙體系并不吻合。16世紀，哥白尼用自制的簡陋儀器，經過20年的天文觀測與研究發現，與其他5顆行星一樣，地球也是一顆行星。天空中觀察到的行星運動可通過旋轉的地球來簡單地解釋。在得出地球是顆行星后，哥白尼，為太陽系建立了一個“日心說”模型。該模型認為太陽是宇宙的中心，地球和行星都圍繞太陽做圓周運動。科學家在對宇宙各方面建模時仍遵循簡單、對稱和美觀的原則。探究實踐哥白尼出版了著作《天球運行論》，闡述了“日心說”的理論基礎。與地球是宇宙的中心的觀點相比，“日心說”的提出是一個重大突破。但哥白尼在行星做圓周運動的觀點，也未能正確解釋行星的運動方式與成因。“日心說”吸引人的地方是它簡單，人們可以更好地理解它。“日心說”挑戰了當時占主導地位的“地心說”。在絕大多數人仍相信“地心說”的時代，人們需要更多的證據才能接受“日心說”。用現代科學方法探索自然的思想，須用實際觀測進行檢驗，檢驗不合格的思想會被拋棄。采用這種方式，科學家慢慢形成了理解宇宙的更好知識體系。哥白尼基于多年觀測,開啟了科學革命,推翻了“地心說”。探究實踐科學家伽利略所收集的證據，逐漸讓入們相信“日心說”是正確的。伽利略對哥白尼學說的發展與傳播起到了很大作用，留下了不可磨滅的印記。1609年，伽利略用自制的望遠鏡觀測天空，為“日心說”提供了新的觀測證據：①太陽上有黑子，說明太陽并不完美；②圍繞著木星的有4顆衛星，說明并非所有天體都在繞地球運行；③金星的位相變化也說明金星并不是圍繞地球公轉的。伽利略記錄在本子上的7個夜晚的木星的4顆衛星圖示木星的有衛星運轉的事實為哥白尼學說提供了強有力的證據。探究實踐伽利略的觀測發現與當時人們對宇宙的普遍認識并不一致，挑戰了居于統治地位的“地心說”。1633年，羅馬宗教裁判所判處伽利略終身監禁，隨后改為軟禁，直到1642年病逝。哥白尼“日心說”使人們的認識從“地球中心”走向“太陽中心”。今天我們知道，太陽系中的所有天體都圍繞太陽公轉。探究實踐思考與討論“日心說”中有關宇宙以太陽為中心的提法也有不正確之處，請用相關知識解釋。太陽并不是宇宙的中心，?而是太陽系的中心。?太陽系位于銀河系的一個偏遠臂旋上，太陽就連銀河系的中心也不是。銀河系而銀河系是宇宙中無數個星系中的一個，?就目前的科技來說并未發現宇宙的中心。?探究實踐宇宙從哪里來？宇宙將向何處去？宇宙有多大？宇宙有中心嗎？宇宙中還有適合人類生存的家園嗎？這些問題不斷激勵著人們去探索。浩瀚的宇宙中有各種不同的天體，這些天體又組成了大小不同的天體系統。我們看到的宇宙就是由各種不同的天體系統組成的。科學家借助現代望遠鏡，揭開了宇宙中的許多奧秘。宇宙學：研究宇宙的性質、結構和演化（誕生、演化和死亡）的科學。探究實踐二十世紀一二十年代，天文學家用大型望遠鏡觀測了銀河系以外的星系，測出不同星系間的距離，判斷它們的運動速度以及運動方向。探究實踐1.閱讀圖，牧夫座星系離地球有多遠，它的退行速度有多大？探索活動室女座星系大熊座星系牧夫座星系長蛇座星系2.

閱讀圖，哪個星系的退行速度最大？哪個星系離地球最近？3.得出結論，星系距離地球的遠近與其退行的速度有什么關系？4.預測距離地球50億光年的星系的退行速度。離地球25億光年，退行速度39000Km/s。長蛇座退行速度最大。室女座離地球最近。星系距離地球的遠近與其退行的速度成正比關系。?離地球50億光年星系的退行速度為100000Km/s。探究實踐1929年，天文學家哈勃根據自己對銀河系以外星系距離的測定，結合其他天文學家的工作，分析了20多個星系的退行速度和距離，發現：銀河系以外的大多數星系都在遠離我們而去，距離越遠，離開我們的速度越大。這表明，我們所處的宇宙正在膨脹。在此基礎上，哈勃提出了著名的哈勃定律：星系的退行速度與它們到地球的距離成正比。公式表示為：v=Hd。其中，v為星系退行速度，d為星系到觀察者的距離，H為哈勃常數。與地球的距離探究實踐哈勃定律被隨后的進一步觀測所證實。哈勃定律反映了整個宇宙的整體性,展示了一幅宇宙整體退行圖景，即宇宙正在不斷地膨脹。星系間的距離在不斷擴大。

所有星系都在遠離我們而去，星系離我們越遠，它的退行速度越快；星系間的距離在不斷擴大，宇宙在不斷膨脹。探究實踐幾乎所有的星系都在退行，是否意味著地球處于宇宙的中心？河外星系都在遠離我們而去，并不意味著我們處于“宇宙的中心”。思考與討論為了幫助我們更好地理解星系是如何運動的，我們可以建立星系運動模型，了解星系運動的特點。這種膨脹使得所有的星系并非只是遠離我們而去，而是相互之間都在彼此分離。你到任何一個星系上去，都會看到同樣的情景。造成無數星系四散離去的原因，是宇宙正處在一種整體膨脹之中。探究實踐海王星探索活動1.準備一只氣球，在其表面貼上一些圓形小紙片。小紙片代表星系。2.在圓形小紙片上用筆做記號，表示星系上的“居民”，記錄相鄰“星系”的位置和距離。3.用打氣筒持續地向氣球充氣:使氣球不斷地脹大(即宇宙膨脹)，如圖。4.觀察氣球在脹大過程中，各個圓形小紙片間距離的變化。這些原先靠得很近的“星系”之間的距離增大了嗎？增大了探究實踐不管是哪個“星系”,其他“星系”都在不斷地離它而去。各個圓形小紙片(星系)彼此后退，膨脹沒有中心。小圓紙片間都在相互遠離，說明圓紙片之間的距離在增大，且這種增大是沒有中心的。將小圓紙片比作星系，把氣球比作宇宙，想象宇宙中的星系的運動：實驗表明：探究實踐1915年，著名科學家愛因斯坦建立了廣義相對論，他將廣義相對論用于宇宙的研究，建構了一個靜態的宇宙模型。1922年，蘇聯科學家弗里德曼從廣義相對論出發，得到了一個均勻地膨脹或收縮的宇宙模型，遺憾的是這個動態的模型并不為當時的人們所重視。現代宇宙學以愛因斯坦的廣義相對論為理論基礎，以天文觀測為事實依據。當哈勃定律公布后，人們驚喜地發現，天文觀測發現的現象正是理論模型所預言的現象。理論預言被天文觀測證實了。探究實踐我們是否可以做出這樣的推斷：宇宙在不斷膨脹，這意味著過去的宇宙比現在小。那么時間越往前，宇審中的星系之間的距離是否必然越小？再往前倒退至某一時間，宇宙是否密集在一個點上？時間越往前宇宙中的星系之間的距離可能越小。再往前倒退至某一時間，宇宙可能密集在一個點上。思考與討論探究實踐1948年，伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理論。伽莫夫

宇宙大爆炸理論認為，宇宙起源于極高溫、極高密度的“奇點”的大爆炸，之后宇宙不斷膨脹、溫度不斷下降，生成各種物質，形成各種星系，演化成今天的宇宙，今天的宇宙仍將繼續膨脹下去。探究實踐宇宙大爆炸探究實踐宇宙大爆炸理論合理嗎？理論預測的結果與實際觀測的結果相一致，理論才能被人們接受。測到來自空間各個方向的輻射，對應溫度約為2.73K，與理論預測溫度非常接近。理論預言大爆炸使宇宙中充滿了輻射，隨著宇宙膨脹、降溫，當今宇宙中仍充滿著大爆炸殘余的輻射，對應的溫度約為5K(K為熱力學溫度單位)。宇宙膨脹得到了觀測事實的有力支持，宇宙大爆炸理論成功地解釋了很多觀測事實。因此，宇宙大爆炸理論已成為被人們廣為接受的一種宇宙起源學說。宇宙大爆炸理論該理論得到了廣泛的認可，成為宇宙學中的標準模型。但宇宙的研究并沒有結束，即使是標準模型，也面臨著多方面的挑戰。探究實踐多方面觀測研究表明，我們的宇宙始于約138億年前的一次大爆炸。大爆炸為后來的星系、恒星和行星的形成與演化提供了所有的能量。如圖給出了宇宙演化年表，突出了重要的物質與能量演化事件。探究實踐宇宙大爆炸理論是目前最準確的描述宇宙從誕生到當前狀態的模型。雖然宇宙大爆炸理論仍然遇到了不少的疑難問題。宇宙讓我們的思考廣闊而深邃。宇宙有沒有邊界？宇宙會終結嗎？

....這些問題，有待于人們去探索和證實。宇宙大爆炸理論也有局限性，是“未完成的樂章”。探究實踐愛因斯坦

阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)建立廣義相對論后，意識到要將整個宇宙作為對象來研究，并將廣義相對論作為研究宇宙的理論。宇宙論在落寞了幾百年后，又開始恢復了生機。愛因斯坦堅信整個宇宙是一個和諧的整體。于是，愛因斯坦提出了有限無邊、靜態的宇宙模型。他認為，宇宙整體上應該是靜態的。為此，他在方程中加了一個字宙常數，以維持宇宙的靜態。當宇宙膨脹的預言被證實后，愛因斯坦為這一發現而歡呼，并承認自己在宇宙模型中人為地引入字宙常數,是他人生中犯下的一個大錯誤。科學閱讀遷移應用1.關于大爆炸論的下列說法中，不正確的是（）A．微波背景輻射是熱大爆炸的有力證據B．爆炸引起的宇宙膨脹至今還在繼續C．宇宙各星系間的相對位置不會再發生改變D．宇宙有可能永遠膨脹下去

C2.下列是宇宙大爆炸理論觀點的是（）A．大爆炸引起宇宙的膨脹，現在正在加速膨脹B．大爆炸引起宇宙的膨脹，現在膨脹已開始變慢C．大爆炸發生于很久的過去，現在宇宙已處于穩定狀態D．大爆炸引起宇宙的膨脹，現在膨脹已結束且開始收縮A遷移應用3.下列有關大爆炸宇宙論的說法正確的是（）A．大爆炸宇宙論是科學家通過科學觀察和研究得出的科學結論B．大爆炸宇宙論是科學家通過科學觀察發現的一些自然現象所建立的假說C．因為宇宙在不斷膨脹的事實為大爆炸宇宙論提供了有力證據，所以大爆炸宇宙論已經說明了宇宙起源的事實D．大爆炸宇宙論和牛頓第一定律一樣是科學定律D遷移應用4.2016年2月12日，美國科學家宣布探測到來自遙遠天體的引力波信號，這個發現可以幫助科學家探索宇宙的誕生和發展。下列正確的是（）A．宇宙是有起源的、膨脹的、演化的B．太陽是宇宙的中心C．宇宙中星系間的距離是恒定不變的D．地球是宇宙的中心

A5.宇宙熱大爆炸后（）A．密度增大，溫度升高 B．密度減小，溫度升高C．密度增大，溫度降低 D．密度減小，溫度降低D板書設計第3節

人類對宇宙的探索（第1課時）

一、從“地心說”到“日心說”

地心說：托勒密靜止的地球是宇宙的中心

日心說：哥白尼太陽是宇宙的