第8.3节 宇宙的起源与演化-【帮课堂】2024-2025学年高一物理同步学与练（沪科版2020上海必修第二册）

第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 8.3 宇宙的起源与演化 课程标准 1.了解宇宙的起源和演化的基本概念。 2.了解恒星生命周期。 物理素养 物理观念：初步认识到牛顿力学的局限性和其适用范围。 科学思维：人类探索自然界客观规律的探究是打破旧观念，不断提高认识的过程。 科学探究：查阅资料，了解宇宙中恒星演化的最新研究成果的相关知识。 科学态度与责任：宇宙中还存在大量未解之谜，期待同学们的探索。 一、宇宙的结构 1.牛顿的观点：宇宙是无限的。 宇宙不仅空间上是无限的，时间上也是无限的，没有起点，也没有终点。 无限的宇宙中一定有无限多颗恒星，并且是均匀分布在宇宙中的。 2.哈勃定律 美国天文学家哈勃观测发现绝大部分星系都在远离我们，并且离我们越远的星系，其退行速度就越大。 哈勃定律：不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr。 式中H为一恒量，称为哈勃常数，H＝3×10-2m/（s•光年） 3.大爆炸宇宙学 根据哈勃定律，星系之间的距离在不断增加，宇宙是在不断地膨胀。 在大爆炸之前，没有空间，也没有时间。大爆炸之后，时间才有了开端，空间则随之膨胀。 4.天文学单位 (1)天文单位 (AU) 定义为日地平均距离，即1 AU = 1.495 978 7×108 km =1.5亿km； (2)光年 (l.y.) 定义为光在真空中沿直线传播一年所经过的距离，即1 l.y.= 9.460 553 6×1012 km (3)秒差距 (pc) 定义为地球公转轨道半径对应的视角为1秒时的距离，即：1 pc = 3.085 678×1013 km 在B点和D点分别测出∠B和∠D的大小，由三角函数知识可求近似得BA和DA的距离。 例1.（24-25高二上·上海·开学考试）人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 【答案】 B 爆炸 【详解】1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在远离我们，据此，科学家提出了爆炸宇宙学，以解释宇宙的起源。 二、宇宙的演化 根据大爆炸宇宙学的理论，宇宙演化的简明时间轴如下图。 大爆炸→宇宙的膨胀→温度下降→原子核形成→光子红移→宇宙微波→恒星→银河系→太阳系。 银河系是一种旋涡状星系。太阳系正处于其中一条旋臂的边缘。 三、恒星的演化 恒星的形成：恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质，在引力作用下收缩，通过核聚变反应并辐射能量。 恒星演化分诞生期、存在期和死亡期。 一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星寿命短。 最接近地球的恒星就是太阳。 恒星最稳定的时期称主序星，太阳也是一颗主序星。 恒星的生命周期如下图： 四、暗物质和暗能量 21 世纪物理学上空的两朵新的乌云。 1.暗物质 通过研究发现，星系内存在大量的暗物质，暗物质的总质量要远大于宇宙中所有可见物质的质量总和。 暗物质没有电磁辐射，和普通物质只发生引力作用，因此无法用望远镜等传统方法探测。 到目前为止，不清楚暗物质是由什么粒子组成。 2.暗能量 根据对宇宙微波背景辐射的测量，暗能量约占整个宇宙的 68%，暗物质约占 27%，普通的可见物质只占 5% 左右。但暗物质和暗能量目前无法探测，但却极大地影响着宇宙的演化和宇宙未来的命运。 例2. （24-25高二上·上海·开学考试）关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 【答案】C 【详解】A．绝大多数恒星有着和太阳相同的化学成分，故A错误； B．恒星燃料耗尽后其核心不再释放能量，核心开始收缩，而外部开始膨胀，于是恒星就变成了一颗红色的巨星或超巨星，故B错误； C．恒星是宇宙中最基本的天体之一，它们由气体、尘埃等物质聚集而成，通过核反应产生能量并持续辐射出来，故C正确； D．神秘天体—黑洞一般由大质量恒星演化形成，故D错误。 故选C。 1. 恒星的演化可分为 、 、 。 【答案】诞生期、存在期、死亡期。 2. 下面关于宇宙的说法正确的是（ ） （A）极少数恒星有着和太阳一样的化学成分 （B）当恒星变长红色的巨星或超巨星时，就以为这这颗恒星刚刚诞生 （C）黑洞就是质量最大的恒星 （D）超巨星、巨星、主序星、白矮星、和中子星等实际是恒星不同年龄段的形态 【答案】D 【解析】A绝大多数恒星都和太阳有着相同的化学成分，故A错误； B.恒星燃料耗尽后，其核心不会再释放能量，核心开始收缩，外部开始膨胀，于是恒星就会变成一颗红色的巨星或超巨星，故B错误； C.黑洞是引力极强的一种天体，导致任何物质，甚至光也无法逃脱其吸引，但不是质量最大的恒星，C错误； D.超巨星、巨星、主序星、白星和中子星实际上是恒星不同年龄阶段的形态，D正确。 3. 关于恒星，下列说法中正确的是（ ） （A）质量越大的恒星，寿命越短 （B）体积越大的恒星，亮度越大 （C）红色恒星的温度比蓝色恒星的温度高 （D）恒星发光、发热主要来自于恒星内部的化学反应 【答案】A 【解析】质量大的恒星寿命短。 4．（23-24高一下·上海闵行·期末）在体积巨大、表面温度较低的红巨星形成之后，若恒星外层物质不断膨胀，将形成（　　） A．白矮星 B．超新星 C．行星状星云 D．中子星 【答案】A 【详解】红巨星一旦形成，就朝恒星的下一阶段——白矮星进发。当外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力却强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过一亿度，点燃氦聚变。最后的结局将在中心形成一颗白矮星。 故选A。 5. 大爆炸理论认为，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，宇宙都是膨胀的．若标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系如图所示，图中AB为直线，BC为向上弯曲的曲线，则以下说法正确的是（ ） A．AB和BC均说明宇宙在匀速膨胀 B．AB和BC均说明宇宙在加速膨胀 C．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在加速膨胀 D．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在减速膨胀 【答案】C 【解析】纵坐标宇宙半径R可以看作是星球的位移，切线的斜率就是宇宙半径增加的速度。 6. 天文观测表明，宇宙在膨胀，不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr，式中H为一恒量，称为哈勃常数，已由天文观测测定。有人提出一种理论，认为宇宙是从一个爆炸的大火球开始形成的，大爆炸后各星体即以各自不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心。由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式为T＝______。根据近期观测，哈勃常数H＝3×10-2m/（s•光年），由此估算宇宙的年龄约为______年。 【答案】 1010 【解析】根据哈勃定律，v＝Hr，假设大爆炸后各星体即以不同的速度向外匀速运动，则有：r＝vT； 联立求解可得到时间T＝ 1光年＝3×108m/（s•光年） 代入数据T＝＝1010年。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第八章 牛顿力学的局限性与相对论初步 8.3 宇宙的起源与演化 课程标准 1.了解宇宙的起源和演化的基本概念。 2.了解恒星生命周期。 物理素养 物理观念：初步认识到牛顿力学的局限性和其适用范围。 科学思维：人类探索自然界客观规律的探究是打破旧观念，不断提高认识的过程。 科学探究：查阅资料，了解宇宙中恒星演化的最新研究成果的相关知识。 科学态度与责任：宇宙中还存在大量未解之谜，期待同学们的探索。 一、宇宙的结构 1.牛顿的观点：宇宙是无限的。 宇宙不仅空间上是无限的，时间上也是无限的，没有起点，也没有终点。 无限的宇宙中一定有无限多颗恒星，并且是均匀分布在宇宙中的。 2.哈勃定律 美国天文学家哈勃观测发现绝大部分星系都在远离我们，并且离我们越远的星系，其退行速度就越大。 哈勃定律：不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr。 式中H为一恒量，称为哈勃常数，H＝3×10-2m/（s•光年） 3.大爆炸宇宙学 根据哈勃定律，星系之间的距离在不断增加，宇宙是在不断地膨胀。 在大爆炸之前，没有空间，也没有时间。大爆炸之后，时间才有了开端，空间则随之膨胀。 4.天文学单位 (1)天文单位 (AU) 定义为日地平均距离，即1 AU = 1.495 978 7×108 km =1.5亿km； (2)光年 (l.y.) 定义为光在真空中沿直线传播一年所经过的距离，即1 l.y.= 9.460 553 6×1012 km (3)秒差距 (pc) 定义为地球公转轨道半径对应的视角为1秒时的距离，即：1 pc = 3.085 678×1013 km 在B点和D点分别测出∠B和∠D的大小，由三角函数知识可求近似得BA和DA的距离。 例1.（24-25高二上·上海·开学考试）人类对宇宙的探索已经有很长的历史。从2300多年前我国战国时期的思想家尸佼给出了宇宙的定义到广义相对论建立之后，宇宙学真正成为了现代科学意义上的一门学科。1929年，美国天文学家哈勃通过对大量星系的观测发现，银河系外的绝大部分星系都在 （选填：A．靠近  B．远离）我们，据此，科学家提出了 宇宙学，以解释宇宙的起源。 二、宇宙的演化 根据大爆炸宇宙学的理论，宇宙演化的简明时间轴如下图。 大爆炸→宇宙的膨胀→温度下降→原子核形成→光子红移→宇宙微波→恒星→银河系→太阳系。 银河系是一种旋涡状星系。太阳系正处于其中一条旋臂的边缘。 三、恒星的演化 恒星的形成：恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质，在引力作用下收缩，通过核聚变反应并辐射能量。 恒星演化分诞生期、存在期和死亡期。 一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星寿命短。 最接近地球的恒星就是太阳。 恒星最稳定的时期称主序星，太阳也是一颗主序星。 恒星的生命周期如下图： 四、暗物质和暗能量 21 世纪物理学上空的两朵新的乌云。 1.暗物质 通过研究发现，星系内存在大量的暗物质，暗物质的总质量要远大于宇宙中所有可见物质的质量总和。 暗物质没有电磁辐射，和普通物质只发生引力作用，因此无法用望远镜等传统方法探测。 到目前为止，不清楚暗物质是由什么粒子组成。 2.暗能量 根据对宇宙微波背景辐射的测量，暗能量约占整个宇宙的 68%，暗物质约占 27%，普通的可见物质只占 5% 左右。但暗物质和暗能量目前无法探测，但却极大地影响着宇宙的演化和宇宙未来的命运。 例2. （24-25高二上·上海·开学考试）关于恒星的说法正确的是（　　） A．极少数恒星有着和太阳相同的化学成分 B．当恒星变为红色的巨星或超巨星时，就意味着这颗恒星刚刚诞生 C．恒星起源于宇宙中的气体、尘埃等物质 D．神秘天体—黑洞一般由小质量恒星演化形成 1. 恒星的演化可分为 、 、 。 2. 下面关于宇宙的说法正确的是（ ） （A）极少数恒星有着和太阳一样的化学成分 （B）当恒星变长红色的巨星或超巨星时，就以为这这颗恒星刚刚诞生 （C）黑洞就是质量最大的恒星 （D）超巨星、巨星、主序星、白矮星、和中子星等实际是恒星不同年龄段的形态 3. 关于恒星，下列说法中正确的是（ ） （A）质量越大的恒星，寿命越短 （B）体积越大的恒星，亮度越大 （C）红色恒星的温度比蓝色恒星的温度高 （D）恒星发光、发热主要来自于恒星内部的化学反应 4．（23-24高一下·上海闵行·期末）在体积巨大、表面温度较低的红巨星形成之后，若恒星外层物质不断膨胀，将形成（　　） A．白矮星 B．超新星 C．行星状星云 D．中子星 5. 大爆炸理论认为，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，宇宙都是膨胀的．若标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系如图所示，图中AB为直线，BC为向上弯曲的曲线，则以下说法正确的是（ ） A．AB和BC均说明宇宙在匀速膨胀 B．AB和BC均说明宇宙在加速膨胀 C．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在加速膨胀 D．AB说明宇宙在匀速膨胀，BC说明宇宙在减速膨胀 6. 天文观测表明，宇宙在膨胀，不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr，式中H为一恒量，称为哈勃常数，已由天文观测测定。有人提出一种理论，认为宇宙是从一个爆炸的大火球开始形成的，大爆炸后各星体即以各自不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心。由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式为T＝______。根据近期观测，哈勃常数H＝3×10-2m/（s•光年），由此估算宇宙的年龄约为______年。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$