探索宇宙的奥秘
【教学目标】
一、知识与技能
1．宇宙空间分布着大小不同的天体系统。
2．宇宙是运动变化的，膨胀的，组成宇宙的天体也是运动变化着的。
二、过程与方法
1．对提供的资料或自己收集的资料进行研究，发现一些有效信息。
2．学习利用数据、文字等来表述研究过程和研究结果。
三、情感、态度与价值观
1．从人类探索宇宙的历程中，认识到科学是不断发展的。
2．意识到宇宙是运动变化着的。
【教学重难点】
1．初步认识宇宙的结构和运动，建立宇宙系统的概念。
2．学习利用数据、文字等来表述研究过程和研究结果。
【教学过程】
一、宇宙的起源
1．天体演化说
我国古人认为大地是平的，日月星辰在天空中运行，其上方扣着穹顶。
在古希
腊，德克利特提出了“天体演化说”，即在原子碰撞等原因形成的原始旋涡运动中，
较大的原子被赶到旋涡的中心相互聚集形成地球，较小的原子被赶到外围环绕地
球做旋转运动，变得干燥后燃烧，形成各个天体。
2．星云假说
德国哲学家康德则提出了“星云假说”。
构成我们太阳系星球的物质，在最初
时都分解为基本微粒，充满整个宇宙空间。
……这些微粒具有促使它们相互运动
的基本能力，它们本身就是活力的一个源泉。
在这种情况下，物质就立即努力于形成自己。
密度较大而分散的一类微粒，凭
借引力从它周围的天空区域，把密度较小的物质聚集起来。
但它们自己又与所聚集的物质一起，聚集到密度更大质点所在的地方。
而所有这些又以同样方式聚集到质点密度更为巨大的地方，并如此一直继续下去，直到形成诸团块天体。
在这同时，斥力使凝聚起来的团块天体发生旋转运动。
3．有限无界的静态宇宙
1916年，爱因斯坦的广义相对论横空出世。
根据广义相对论，科学家们得出了一个有限无界的
静态宇宙模型，正式开始了现代宇宙学研究。
宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。
比如，我们的地球就是有限而无界的。
在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到
地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。
实际上，我们都
知道地球是有限的。
地球如此，宇宙亦是如此。
4．哈勃定律
1929年，美国天文学家哈勃在研究星系的光谱后提出了哈勃定律。
认定所有的星系都在彼此远离，宇宙处于普遍膨胀之中。
遥远恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长边
长，即向红光方向偏移。
不管往哪个方向看，远处的星系都正在急速地远离我们而去，
并距离我们越远的星系离开我们的速度越快。
5．宇宙大爆炸
1940年，美国科学家伽莫夫与他的两个学生一道，提出了更加耸人听闻的热大爆炸宇宙学模型。
认为我们的宇宙在大约150亿年前由一个无限小的奇点（被无限压缩的点）爆炸产生，大爆炸形成了时间、空间、能量和物质。
1970年，科学家发现了“大爆炸”模型所预言的宇宙微波背
景辐射的“余烬”，大爆炸假说一跃而成主流宇宙理论，大爆炸
学说更是成了真理的化身，成了书中的标准答案。
二、宇宙的演化
设问：宇宙会一直膨胀下去吗？宇宙未来是怎么样的？
学生发言，老师不评判对错。
教师：宇宙除了发光天体，还有暗物质。
暗物质是一种不能释放任何电磁辐射的物质。
珀尔马特、里斯和施密特的研究对象，是一些大质量恒星在演化后期伴随星核与星壳分离出现的一种现象，即超级规模大爆炸。
质量相当于太阳的8至25倍的恒星以超新星爆发方式结束“生命”，而恒星外侧气体包则高速抛离，所显现的绝对光度可超过太阳光度100亿倍。
分析特定类型的超新星爆发，珀尔马特、里斯和施密特所属的研究小组发现，超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。
对这一结果的解释，是宇宙正在加速扩张。
1．恒星的诞生
教室介绍恒星诞生的过程：
大爆炸10万年后，温度下降到3000K左右，开始了恒星的形成过程：
宇宙尘埃在万有引力的作用下成为更密集的尘埃，然后逐渐演化成气体状态的星云团，星云不断凝聚，其内能不断增加，温度升高并发光，恒星就形成了。
2．恒星的稳定期
当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要
以电磁波的形式向外辐射。
辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩
压力平衡，这时星体稳定下来。
恒星在这一阶段停留的时间最长。
太
阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化
阶段。
3．恒星的衰老
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩。
这时引力热能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。
类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重要
的元素。
恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周
期性的变化。
当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力
也消失了。
星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大。
4．恒星的归宿
恒星最终归宿与恒星的质量大小有关，当恒星的质量小于1.4
倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的 1.4
倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞。
斯蒂芬·威廉·霍金发现黑洞不完全是“黑”的，而是有向
外辐射，黑洞的温度会随其辐射而升高，最终会爆炸而消失。
这
就是著名的“霍金辐射”。
三、永不停息的探索
为了摆脱大气层的影响，人们先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器，用于天文观测。
从伽利略的折射式望远镜到射电望远镜，再到哈勃太空望远镜。
哈勃太空望远镜自1990年以来，为人来源源不断地提供震撼人心的星际图像。
2015年，人类首次直接探测到引力波的存在。
这标志着天文学进入一个新时代。
宇宙茫茫无际，人类的探索将用不停歇。
教师展示中国天眼并做简单介绍。
【课堂小结】
人类对宇宙的探索是探测工具不断改进的过程，体现着科学技术的进步；中国宇航事业的发展让我们感受到了一种民族的尊严和自豪感；我们更不会忘记，无数科学家和宇航员为实现人类遨游太空的伟大理想，体现出的前赴后继的献身精神；人类对宇宙的探索是没有止境的。
【练习检测】
1．判断对错
（1）哈勃发现远处的星系正急速地远离我们而去。
（√）
（2）宇宙起源于一个“奇点”。
（√）
（3）科学家还没有证据证明黑洞的存在。
（×）
2．关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是（）
A．宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始
B．宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在
C．宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止
D．宇宙起源的“奇点”温度无穷大，密度无穷大
E．宇宙膨胀到某个极大值后会收缩
答案：ADE
3．以下说法中正确的是（）
A．矮星表面的引力很强
B．时钟在引力场弱的地方比在引力场强的地方走得快些
C．在引力场越强的地方，物体长度越长
D．在引力场强的地方，光谱线向绿端偏移
E．引力场越强，时钟变慢的效应越明显
答案：ABE
4．黑洞是质量非常大的天体，由于质量很大，引起了其周围的时空弯曲，从地球上观察，我们看到漆黑一片，那么关于黑洞，你认为正确的是（）
A．内部也是漆黑一片，没有任何光
B．内部的光由于引力的作用发生弯曲，不能从黑洞中射出
C．内部应该是很亮的
D．如果有一个小的星体经过黑洞，将会被吸引进去
E．人类还没有发现黑洞存在的证据
答案：BCD
5．下列说法正确的是（）
A．哈勃发现的“红移”现象说明远处的星系正急速的远离我们
B．哈勃发现的“红移”现象说明地球是宇宙的中心
C．“新星”和“超新星”是刚刚产生的恒星
D．“超新星”和“新星”的产生说明恒星正在不断灭亡
E．“超新星”爆发后少数可能形成黑洞
答案：ADE
6．宇宙大爆炸理论被认为是________的开始。
答案：时间和空间
7．大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。
除开始瞬间外，在演化至今的大部分时间内，宇宙基本上是匀速膨胀的。
上世纪末，对1A型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀。
面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀，如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系，大致是下面哪个图象________（填序号）。
答案：C。