实践 追寻人类探索宇宙的进展（同步课件）-【上好课】2024-2025学年八年级物理全一册同步精品课堂（沪科版2024）

八年级物理全一册 •沪科版2024 实践 追寻人类探索宇宙的进展 （本课件包含PPT30张；图片：23张；动图视频：3个） 学习要点 本节要点 围绕宇宙起源、宇宙黑洞、宇宙暗物质与暗能量的探测、物质与反物质的探索等现代物理前沿问题，设计调研活动方案，并举办科普活动进行交流、分享，让学生深刻体会宇宙的浩瀚与神秘，加深对科学前沿的关注。 素养提升 素养提升 让学生通过调研，了解现代字宙学的探索进展，从而开阔学生的眼界，激发学习热情。 新课学习 一、问题缘起　 人们自古以来就对宇宙充满好奇：宇宙是什么？宇宙是如何产生的？宇宙有多大？宇宙未来的发展趋势如何？现代宇宙学仍然在不断探索这些问题。科学家们的探索进展如何？下面我们通过调研活动来了解。 新课学习 二、活动方案　 本活动涉及与物理学、宇宙学、科学史相关的内容。在下面任务中，选择自己感兴趣的一项进行调研，完成一篇相关论文。 任务一： 查阅资料，了解人类对宇宙起源的研究模型与证据。 新课学习 二、活动方案　 任务一：了解人类对宇宙起源的研究模型与证据。 1.大爆炸理论模型 宇宙源于一个极度高温、高密度的奇点。在某一时刻，奇点发生爆炸，释放出巨大的能量和物质，宇宙开始一边膨胀一边降温，不断发生着物质与能量的相互转换，在这个过程中，物质逐渐聚集形成了恒星、行星和其他天体，从而演变成我们今天所看到的宇宙。 新课学习 二、活动方案　 任务一：了解人类对宇宙起源的研究模型与证据。 2.大爆炸理论模型的支持证据 （1）宇宙微波背景辐射：这是一种均匀分布 于整个宇宙空间的微弱电磁辐射，其频谱具备热 辐射特征，温度均匀，约为 2.725K，被视作宇宙 大爆炸的 “余晖”。它是宇宙早期高温状态的残留， 随着宇宙的膨胀和冷却而逐渐红移到微波波段。这种各向同性的辐射场为宇宙大爆炸理论提供了强有力的证据，因为它符合大爆炸理论中宇宙从高温高密度状态演化而来的预测。 新课学习 二、活动方案　 任务一：了解人类对宇宙起源的研究模型与证据。 2.大爆炸理论模型的支持证据 （2）哈勃定律与宇宙膨胀：通过对星系的观测发现，星系退行速度和它们与地球的距离成正比，这一关系被称为哈勃定律，该定律表明宇宙在不断膨胀。这意味着在过去，宇宙中的物质必然更为密集，从而支持了宇宙从一个初始的高密度状态开始演化的大爆炸理论。 新课学习 二、活动方案　 任务一：了解人类对宇宙起源的研究模型与证据。 2.大爆炸理论模型的支持证据 （3）元素丰度：宇宙中氢、氦以及少量锂等轻元素的相对丰度与宇宙大爆炸理论的预测相符。在宇宙早期的高温高密度环境中，通过核合成过程形成了这些元素。随着宇宙的膨胀和冷却，核合成过程停止，从而确定了这些元素的相对比例。观测到的宇宙元素丰度与理论预测的一致性是宇宙大爆炸理论的重要证据之一。 新课学习 二、活动方案　 任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果 1.探索历程 早期理论预测 ：1783 年，剑桥大学的约翰・米歇尔预测出存在超大质量、逃 逸速度大于光速的 “暗星”。1796 年，法国科学家拉普拉斯也提出类似推论。 广义相对论奠基：1915 年爱因斯坦提出广义相对论，为黑洞研究提供重要理论依据。1916 年，卡尔・史瓦西通过对爱因斯坦场方程的运算，证明宇宙中存在致密且周围时空极度弯曲的天体，光和其他物体进入其周围界面就无法逃脱。 新课学习 二、活动方案　 任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果 1.探索历程 关键理论突破：1928 年钱德拉塞卡确认 “钱德拉塞卡极限”，1939 年奥本海默发现中子星质量上限 “奥本海默极限”，为黑洞形成理论奠定基础。1963 年罗伊・克尔得到描述不带电旋转恒星的爱因斯坦引力场方程的解，1965 年纽曼等人求得旋转并带电荷的克尔 - 纽曼黑洞的精确解。1967 年乔瑟琳・贝尔发现中子星，同年约翰・阿奇博尔德・惠勒在学术会议上首次使用 “黑洞” 一词。 新课学习 二、活动方案　 任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果 观测证据积累：1964 年，科学家用观测的方法发现了第一颗恒星级的黑洞。1970 年彭罗斯与霍金合作发表论文，提出 “霍金 - 彭罗斯奇点定理”。1971 年霍金证明 “黑洞视界面积不减定理”，1974 年霍金又发现了黑洞的量子辐射，即霍金辐射。2016 年 2 月 11 日，美国 LIGO 项目科学家宣布人类首次直接探测到引力波，这是黑洞存在的有力证据。 新课学习 二、活动方案　 任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果 直接成像与深入研究：2019 年 4 月 10 日，视界望远镜团队发布人类首张黑洞照片。2019 年 11 月，中国科学家借助郭守敬望远镜发现 70 倍太阳质量的恒星级黑洞。2022 年 5 月 12 日，视界望远镜合作组织发布银河系中心黑洞人马座 A * 的直接图像。2023 年 1 月 19 日，中国科学家利用郭守敬望远镜发现恒星初始质量分布规律的变化，为黑洞研究提供新思路。2023 年 3 月 30 日，美国科学家利用詹姆斯・韦伯空间望远镜发现迄今已知最古老黑洞。2024 年 5 月 28 日，牛津大学科学家领导的团队证实黑洞周围存在 “坠落区”，6 月 18 日，德国天文科学家称首次观测到质量超太阳一百万倍的黑洞 “苏醒”。 新课学习 二、活动方案　 任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果 2.探索结果 黑洞存在的证实：通过引力波探测、黑洞成像等 多种方式，确凿地证明了黑洞的存在。 黑洞性质的了解：明确黑洞具有封闭视界、奇点等特征，由质量、角动量和电荷三个物理量唯一确定，还具有熵、温度等物理性质，了解到黑洞通过吸积成长、随量子辐射而蒸发衰亡等。 黑洞类型的发现：发现了恒星级质量黑洞、超大质量黑洞和中等质量黑洞等。 新课学习 二、活动方案　 任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展。 1.暗物质探测进展 “悟空” 号暗物质粒子探测卫星：中国的 “悟空” 号自 2015 年底发射升空后，已探测了大量的高能宇宙射线。其在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动，在 1.4 万亿电子伏特的超高能谱段出现 “尖峰”，这一神秘讯号首次为人类所观测，暗示了暗物质粒子存在的可能。 新课学习 二、活动方案　 任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展。 1.暗物质探测进展 宇宙射电探测器：该探测器基于轴子准粒子（AQ），利用轴子与特定频率共振会释放微弱光信号的原理来探测暗物质。科学家认为在太赫兹频率范围内寻找轴子最有希望，计划在未来 5 年内制造出更大规模的 AQ 材料构建功能齐全的探测器，再用 10 年时间扫描高频段频谱，有望在 15 年内发现暗物质。 新课学习 二、活动方案　 任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展。 2. 暗能量探测进展 桌面式磁悬浮精密力测量系统：2025 年 1 月 20 日，由南京大学、中国科学技术大学、浙江大学研究人员组成的联合团队，发表了基于数值模拟设计搭建的桌面式磁悬浮精密力测量系统的研究成果。他们利用该系统对对称场暗能量理论进行了高精度实验检验，实验精度相较于当前国际最高水平提高了六个数量级，极大地拓展了先前实验未能触及的参数空间。 新课学习 二、活动方案　 任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展。 2. 暗能量探测进展 欧几里得空间望远镜：2023 年，欧洲航天局主导的欧几里得空间望远镜发射升空。它将对 15 亿个星系的图像和距离进行精确分析，还将测量超过 3500 万个星系的光谱，以准确测量其与地球的距离，进一步揭示宇宙物质分布及宇宙演变过程，推断暗物质和暗能量属性。 新课学习 二、活动方案　 任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展。 2. 暗能量探测进展 重子声波振荡观测：中国天文学家基于对 100 多万个星系的观测，利用重子声波振荡这把 “量天尺” 重建了宇宙的暗能量演化历史，发现暗能量是 “动态” 的，这一成果发表在《自然・天文》上。这意味着引起宇宙膨胀的暗能量可能不是很多科学家认为的密度为常数的真空能，而是某种具有动力学性质的能量场。 新课学习 二、活动方案　 任务四：查阅资料，了解人类对物质与反物质的探索进展。 1.反物质原子的制造与研究：欧洲核子研究中心（CERN）的科学家通过相关技术实现了实验室捕捉反氢原子。2024 年，CERN 的 ALPHA 合作组织宣布首次测量了反氢原子的光谱线，经过 20 多年的努力，利用激光观测到了反氢原子的 1s - 2s 跃迁，结果显示在实验误差范围内，氢原子和反氢原子的这一跃迁是相同的，进一步验证了标准模型。 新课学习 二、活动方案　 任务四：查阅资料，了解人类对物质与反物质的探索进展。 2.反物质超核的观测：2024 年，中国科学院近代物理研究所仇浩研究员团队等在参与 RHIC - STAR 国际合作实验研究中，首次在相对论重离子金金碰撞中观测到一种新的反物质超核 —— 反超氢 - 4，这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。研究团队还测量了反超氢 - 4 的寿命，与其对应的正粒子超氢 - 4 比较，在测量精度范围内两者寿命没有明显差异，再次验证了正反物质性质的对称性。 新课学习 二、活动方案　 任务四：查阅资料，了解人类对物质与反物质的探索进展。 3.反物质引力性质的测量：2023 年，国际反氢激光物理仪器（ALPHA）合作组织的科研人员使用 CERN 的新型 ALPHA - g 装置首次完成了重力对反物质运动影响的直接测量，结果证实，与物质一样，反物质受到重力作用会 “向下坠落”。 此外，2025 年 “科学突破奖” 授予了欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的四大实验合作组，以表彰他们在精确测量希格斯玻色子特性、发现新型强相互作用粒子、研究稀有过程和物质 - 反物质不对称性等方面的贡献4。其中，LHCb 实验致力于探索物质与反物质的细微差异、基本对称性破缺现象。 新课学习 三、交流评价　 交流评价 举办关于探索宇宙奥秘的科普活动，利用收集的信息（含图片及视频等）完成用于讲演的多媒体课件，与同学分享调研结果及自己的观点，体会人类在探索宇宙中孜孜不倦、持之以恒的科学精神，体会宇宙之大、奥秘无穷，科学探索之无止境。 新课学习 四、拓展研究　 拓展研究： 查阅资料，了解人类对微观世界的探索进展，如量子纠缠的研究现状等，为关于微观世界的科普活动做准备。 1.纠缠性质深入理解：科学家们对量子纠缠的非局域性、不可分割性等特性有了更深刻的认识。明确了量子纠缠是量子力学区别于经典力学的核心特征之一，是理解微观世界本质的关键。 新课学习 四、拓展研究　 2.实验技术方面： 2023 年 7 月，中国科学家成功实现 51 个超导量子比特簇态制备和验证，刷新所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录。9 月，中国科学技术大学团队使用光晶格中束缚的超冷原子，制备出多原子纠缠态，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步。 新课学习 四、拓展研究　 3.纠缠探测：2024 年，中国科学技术大学研究团队发现原本只是探测纠缠有无的实验数据可以用来估计纠缠大小，为量子纠缠的定量分析提供了新方法。 4.可视化技术：香港大学研究人员开发出 “纠缠显微镜” 技术，能够在微观层面可视化和绘制量子纠缠，为研究量子纠缠的微观结构提供了新手段。 新课学习 四、拓展研究　 5.实际应用方面： （1）量子通信：量子科学实验卫星 “墨子号” 成功实现了千公里级地星双向量子纠缠分发、地星量子密钥分发和地星量子隐形传态，为量子通信的实用化奠定了基础。量子密钥分发技术基于量子纠缠的特性，可实现无条件安全的信息传输，在保密通信、数据中心互连、金融交易等领域具有广泛的应用前景。 新课学习 四、拓展研究　 5.实际应用方面： （2）量子计算：量子纠缠是量子计算中的核心资源，有助于实现量子并行性等独特的计算能力。2025 年，中国构建了 105 比特超导量子计算原型机 “祖冲之三号”，科研团队正在量子纠缠等多方面加快探索，以提升量子计算机的性能和功能。 新课学习 四、拓展研究　 5.实际应用方面： （2）在微观世界探索方面：中国散裂中子源作为 “超级显微镜”，是当今人类深度探索微观世界的有力工具。建成运行 6 年多来，已向全球科学家完成 12 轮开放，每年开放时间超过 5000 小时，注册用户超 7000 人，完成 1700 多项课题，在材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术开发中发挥了重要作用。 八年级物理全一册 •沪科版2024 谢谢观看 THANKS $$