湘教版选修一 宇宙与地球《第一章 宇宙探索 第一节 认识宇宙的历程》优秀教案设计

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公元 2 世纪， C. 托勒密提出了 一个完整的地心说。 这一学说认为地球在宇宙 的中央安然不动， 月 亮、 太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转。

为了 说明行星运动的不均匀性， 他还认为行星在本轮上绕其中心转动， 而本轮中心则沿均轮绕地球转动。 地心说曾在欧洲流传了 1000 多年。 1543 年， N. 哥白尼提出科学的日 心说， 认为太阳位于宇宙 中心， 而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星。

到 16 世纪哥白尼建立日 心说后才普遍认识到 ： 地球是绕太阳公转的行星之一， 而包括地球在内 的八大行星则构成了 一个围 绕太阳 旋转的行星系── 太阳 系的主要成员 。 1609 年， J. 开普勒揭示了 地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转， 发展了 哥白尼的日 心说， 同年， 伽利略· 伽利雷则率先用望远镜观测天空， 用大量观测事实证实了 日 心说的正确性 。 1687 年， I. 牛顿提出了 万有引 力定律， 深刻揭示了 行星绕太阳运动的力学原因， 使日 心说有了 牢固的力学基础。 在这以后， 人们逐渐建立起了 科学的太阳系概念。

在哥白 尼的宇宙 图像中， 恒星只是位于最外层恒 星天上的光点。 1584 年， 乔尔丹诺· 布鲁诺大胆取消了 这层恒星天， 认为恒星都是遥远的太阳。 18 世纪上半叶， 由于 E. 哈雷对恒星自 行的发展和 J. 布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计， 布鲁诺的推测得到了 越来越多人的赞同。 18 世纪中叶， T. 赖特、 I. 康德和 J. H. 朗伯推测说， 布满 全天的恒星和银河构成了 一个巨大的天体系统。 弗里德里希· 威廉· 赫歇尔首创用取样统计的方法， 用 望远镜数出 了 天空中 大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例， 1785 年首先获得了 一幅扁而平、 轮廓参差、 太阳居中的银河系结构图， 从而奠定了 银河系概念的基础。 在此后一个半世纪中， H. 沙普利发现了 太阳不在银河系中心、J. H. 奥尔特发现了 银河系的自 转和旋臂， 以及许多人对银河系直径、 厚度的测定， 科学的银河系概念才最终确立。18 世纪中叶， 康德等人还提出， 在整个宇宙 中， 存在着无数像我们的天体系统(指银河系) 那样的天体系统。 而当时看去呈云雾状的“ 星云” 很可能正是这样的天体系统。 此后经历了 长达 170 年的曲折的探索历程， 直到 1924 年， 才由 E. P. 哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了 河外星系的存在

近半个世纪， 人们通过对河外星系的研究， 不仅已发现了 星系团、 超星系团等更高层次的天体系统， 而且已使我们的视野扩展到远达 200 亿光年的宇宙 深处宇宙 演化观念的发展在中国， 早在西汉时期，《淮南子· 俶真训》 指出：“ 有始者，有未始有有始者， 有未始有夫未始有有始者”， 认为世界有它 的开辟之时， 有它 的开辟以前的时期， 也有它 的开辟以前 的以前的时期。《淮南子· 天文训》 中还具体勾画了 世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天 地万物生成演变的过程。 在 古希腊， 也存在着类 似的见解。 例如留基伯就提出 ， 由于原子在空虚的空间中作旋涡运动， 结果轻的物质逃逸到外部的虚空， 而其余的物质则构成了 球形的天体， 从而形成了 我们的世界。

太阳系概念确 立以后， 人们开始从科学的角 度来探讨太阳系的起源。 1644 年， R.笛卡尔 提出了 太阳系起源的旋涡说； 1745 年， G. L. L. 布丰提出 了 一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说； 1755 年和 1796 年 ， 康德和拉普拉斯则各自 提出了 太阳系起源的星云说。 现代探讨太阳系起源 z 的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来。1911 年， E. 赫茨普龙建立了 第一幅银河星团的颜色星等图； 1913 年， 伯特兰?阿瑟?威廉?罗素则绘出了 恒 星的光谱-光度图， 即赫罗图。 罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始， 先收缩进入主序， 后沿主序下滑， 最终成为红矮星的恒星演化学说。 192 4 年 ， 亚瑟· 斯坦利· 爱丁顿提出 了 恒星的质光关系； 1937～1939 年，

C. F. 魏茨泽克和贝 特揭示了 恒星的能源来自 于氢聚变为氦的原子核反应。 这两个发现导致了 罗素理论被否定， 并导致了 科学的恒星演化理论的诞生。 对于星系起源的研究，起步较迟， 目 前普遍认为， 它 是我们的宇宙 开始形成的后期由原星系演化而来的。1917 年， A. 阿尔伯特· 爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了 一个“ 静态、有限、 无界” 的宇宙 模型， 奠定了 现代宇宙 学的基础。 1922 年， G. D. 弗里德曼发现，根据阿尔伯特· 爱因斯坦的场方程， 宇宙 不一定是静态的， 它 可以是膨胀的， 也可以是振荡的。 前者对应于开放的宇宙 ， 后者对应于闭合的宇宙 。 1927 年， G. 勒梅特也提出了 一个膨胀宇宙 模型. 1929 年 哈勃发现了 星系红移与它 的距离成正比， 建立了 著名的哈勃定律。 这一发现是对膨胀宇宙 模型的有力支持。 20 世纪中叶， G. 伽莫夫等人提出了 热大爆炸宇宙 模型， 他们还预言， 根据这一模型， 应能观测到宇宙 空间目 前残存着温度很低的背景辐射。 1965 年微波背景辐射的发现证实了 伽莫夫等人的预言。 从此， 许多人把大爆炸宇宙 模型看成标准宇宙 模型。 1980 年， 美国的古斯在热大爆炸宇宙 模型的 基础上又进一步提出 了 暴涨宇宙 模型。 这一模型可以解释目 前已知的大多数重要观测事实宇宙 图景 当代天文学的研究成果表明， 宇宙 是有层次结构的、 像布一样的、 不断膨胀、 物质形态多样的、 不断运动发展的天体系统。

层次结构 行星是最基本的天体系统。 太阳系中共有八颗行星： 水星 金星 地球火星 木星 土星 天王星 海王星。 （ 冥王星目 前已被从行星里开除， 降为矮行星）。除水星和金星外， 其他行星都有卫星绕其运转， 地球有一个卫星 月 球， 土星的卫星最多， 已确认的有 26 颗。 行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太 阳运转， 构成太阳系。 太阳占太阳系总质量的 99. 86％ ， 其直径约 140 万千米， 最大的行星木星的直径约 14 万千米。 太阳系的大小约 120 亿千米（ 以冥王星作边界）。 有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500 亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。 银河系中大部分恒星和星际物质集中 在一个扁球状的空间内 ， 从侧面看很像一个“ 铁饼” ， 正面看去　则呈旋涡状。 银河系的直径约 10 万光年， 太阳位于银河系的一 个旋臂中， 距银心约 3 万光年。 银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系， 常 简称星系。 现已观测到大约有 10 亿个。 星系也聚集成大大小小的集团， 叫星系团。 平均而言， 每个星系团约有百余个星系， 直径达上千万光年。 现已发现上万个星系团。 包括银河系在内 约 40 个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、 更高一层次的天体系统叫超星系团。 超星系团往往

具有扁长的外形， 其长径可达数亿光年。 通常 超星系团内 只含有几个星系团， 只有少数超星系团拥有几十个星系团。 本星系群和其附近的约 50 个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。 目 前天文观测范围已经扩展到 200 亿光年的广阔空间， 它 称为总星系。