第3节 人类对宇宙的探索 第1课时（培优教学课件）科学浙教版2024七年级上册

七年级上册•浙教版 第3节 人类对宇宙的探索（1） 第三章 广袤浩瀚的宇宙 导入新课 2023年9月21日，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲，航天员为广大青少年带来一堂精彩的太空科普课，并通过视频与地面课堂师生进行实时互动交流。“天宫课堂”对于培养青少年科学精神、激发青少年探索浩瀚宇宙的兴趣具有独特优势。人类为什么孜孜不倦地探索宇宙？探索宇宙有哪些发现？ 2 科学观念 了解人类对宇宙认识的演变（如地心说、日心说、宇宙大爆炸理论等）及宇宙的基本组成与运动特点。 科学思维 理解科学理论的发展需要通过观测、检验等方法，认识到理论的局限性和进步性。 探究实践 通过模拟实验（如气球模拟宇宙膨胀）等活动，探究星系运动规律。 态度责任 激发探索宇宙的兴趣，培养科学精神。 学习目标 3 重点难点 重点 人类对宇宙认识的主要学说（地心说、日心说）的核心内容及演变；宇宙的基本组成（天体、星系等）和星系运动特点（如哈勃定律）。 难点 理解宇宙膨胀的抽象概念及证据；区分不同学说的局限性（如日心说中太阳是宇宙中心的错误）；认识科学理论的发展过程（从观测到验证的逻辑）。 4 1. 从地心说到日心说 2. 现代宇宙学说 3. 课堂总结 4. 练习与应用 5. 提升训练 学习内容 一、 从地心说到日心说 第3节 人类对宇宙的探索（1） 6 人类对宇宙认识的演变 地球曾被视为宇宙的中心。科学研究表明，地球位于太阳系内，是一个普通的行星，并没有明显的独特性。太阳系是宇宙中的一个普通的位置，并不是独特地位。关于宇宙和我们赖以生存的地球，从古到今，人们 的认识经历了根本性的变革。那么，我们对宇宙的认识是如何改变的? 一、 从地心说到日心说 7 一、 从地心说到日心说 我国古代对于宇宙的认识 盖天说 出现时间：中国战国时期 主要内容：天圆如张盖，地方如棋盘 影响：反映了人们认识宇宙结构的一个阶段，在描述天体的视运动方面也有一定的历史意义。 虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质。 秦汉时期的进展 到秦汉时期，人们初步认识了太阳、月球和 5 颗行星的基本运动规律，并能推算天象的发生。 这标志着中国古代天文学的重要进步，为后续的天文观测和历法制定奠定了基础。 一、 从地心说到日心说 8 一、 从地心说到日心说 “地心说” 起源与发展 早期希腊哲学家坚信宇宙是完美的，地球位于其中心。公元2世纪，希腊天文学家托勒密在亚里士多德等前人对宇宙认识的基础上，进一步完善了地球中心学说，创立了"地心说"模型。 影响与意义 "地心说"可以解释5颗行星的观测轨迹，以及太阳、月球的运动路径。尽管托勒密的模型并不正确，但它能解释很多人们观察到的天文现象，在随后的1000多年里，普遍为人们所接受，并给发现"地心说"不足的人们造成了难题。 9 一、 从地心说到日心说 行星、卫星的含义 核心理念 地球是宇宙中心，且静止不动 太阳、月球、行星和恒星都围绕地球在各自的圆形轨道上运转 10 一、 从地心说到日心说 行星、卫星的含义 提出背景 科学家们经过仔细观测，发现行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合 提出过程 16世纪，哥白尼用自制的简陋仪器，经过20年的天文观测与研究发现，与其他5颗行星一样，地球也是一颗行星。天空中观察到的行星运动可通过旋转的地球来简单地解释。在得出地球是一颗行星后，哥白尼为太阳系建立了一个“日心说”模型。 主要内容 认为太阳是宇宙的中心。 11 一、 从地心说到日心说 “日心说”的影响 影响 与地球是宇宙的中心的观点相比，“日心说”的提出是一个重大突破。但哥白尼保留了希腊人的行星做圆周运动的观点，未能正确解释行星的运动方式与成因。“日心说”吸引人的是它简单，人们可以更好地理解它。“日心说”挑战了当时占主导地位的“地心说”。 科学思维 用现代科学方法探索自然的思想，须用实际观测进行检验，检验不合格的思想会被抛弃。采用这种方式，科学家慢慢形成了理解宇宙的更好知识体系。哥白尼基于多年观测，开启了科学革命，推翻了“地心说”。 科学家在对宇宙各方面建模时遵循简单、对称和美观的原则 12 一、 从地心说到日心说 “日心说”的推广与发展 伽利略对“日心说”学说的推广 在绝大多数人仍相信“地心说”的时代，人们需要更多的证据才能接受“日心说”。科学家伽利略所收集的证据，逐渐让人们相信“日心说”是正确的。伽利略对哥白尼学说的发展与传播起到了很大作用，留下了不可磨灭的印记。 学说的证据 1609年，伽利略用自制望远镜观测天空，为“日心说”提供了有力支持，并证明了地球并非宇宙中心。这些发现推动了科学革命的进程。伽利略还提出了新的观测证据：a.太阳上有黑子，说明太阳并不完美；b.围着木星的有4颗卫星，说明并非所有天体都在绕地球运行。c.金星的位相变化也说明金星并不是围绕地球公转的。 13 一、 从地心说到日心说 “日心说”的代表人物 托勒密 发现行星运行规律 哥白尼 奠定了日心说的几轮基础 伽利略 推动了日心说的发展，后被罗马宗教处终身监禁 14 一、 从地心说到日心说 思考与讨论 太阳不是处于宇宙的中心。太阳位于太阳系中,太阳系属于银河系,太阳系也不在银河系的中心。银河系也是众多星系中的一个，并非宇宙中心。 “日心说”中有关宇宙以太阳为中心的提法也有不正确之处，请用相关知识解释。 15 二、 现代宇宙学说 探索活动 牧夫座星系离地球约25亿光年远。 它的退行速度约为39000 km/s。 1.牧夫座星系离地球有多远？它的退行速度有多大？ 16 2.哪个星系的退行速度最大？哪个星系离地球最近？ 退行速度最大的是长蛇座星系，约60000 km/s。 离地球最近的是室女座星系，距离约0.1亿光年。 探索活动 二、 现代宇宙学说 17 从图中可以看出，星系距离地球越远，其退行速度越大。 这表明星系距离地球的远近与其退行速度呈正相关关系。 3.得出结论，星系距离地球的远近与其退行速度有什么关系？ 探索活动 二、 现代宇宙学说 18 探索活动 要预测距离地球50亿光年的星系退行速度，我们需要根据图中的趋势进行推断。图中显示的最远星系(长蛇座星系)距离约4 × 10亿光年，退行速度约60000 km/s。假设这种线性关系继续保持，50亿光年远的星系退行速度大约会是: (50 ÷4) × 60000 ≈ 750000 km/s 4.预测距离地球50亿光年 的星系的退行速度。 二、 现代宇宙学说 19 宇宙的组成和观测 浩瀚的宇宙中有各种不同的天体，这些天体又组成了大小不同的天体系统。我们看到的宇宙就是由各种不同的天体系统组成的。科学家借助现代望远镜，揭开了宇宙中的许多奥秘。 宇宙学 研究宇宙的性质、结构和演化（诞生、演化和死亡）的科学。 星系的观测 二十世纪一二十年代,天文学家用大型望远镜观测了银河系以外的星系,测出不同星系间的距离,判断它们的运动速度以及运动方向。 二、 现代宇宙学说 20 一、 从地心说到日心说 星系的运动｜运动的发现和特点 时间和发现者 1929年,天文学家哈勃根据自己对银河系以外星系距离的测定,结合其他天文学家的工作,分析了20多个星系的退行速度和距离。 运动特点 银河系以外的大多数星系都在远离我们而去,距离越远,离开我们的速度越大。这表明,我们所处的宇宙正在膨胀。 二、 现代宇宙学说 21 思考与讨论 不是的，几乎所有的星系都在退行，并不意味着地球处于宇宙的中心。科学家们发现，除了距离最近的星系之外，其他的星系都在远离地球而去。此外他们还发现，距离越远的星系，其退行的速度越快。但是，这些星系的退行运动并不是穿越于宇宙空间之中的，而是宇宙空间自身的整体膨胀。 几乎所有的星系都在退行，是否意味着地球处于宇宙的中心？ 二、 现代宇宙学说 22 探索活动 1.准备一只气球，在其表面贴上一些圆形小纸片。小纸片代表星系。 2.在圆形小纸片上用笔做记号，表示星系上的居民，记录相邻“星系”的位置和距离。 3.用打气筒持续地向气球充气，使气球不断地胀大（即宇宙膨胀），如图所示。 4.观察气球在胀大过程中，各张圆形小纸片间距离的变化。这些“星系”之间的距离发生了怎样的变化? 二、 现代宇宙学说 23 探索活动 气球上贴上圆形小纸片后，持续向气球充气，我们会发现气球上圆形小纸片间的距离在不断扩大，如果这些圆形小纸片代表星系，那么原先靠得很近的“星系”之间的距离在不断地增大。 二、 现代宇宙学说 24 星系运动模型的建立 实验表明，不管是哪个“星系”，其他“星系”都在不断地离它而去。各张圆形小纸片(星系)彼此后退，膨胀没有中心。 1915年，著名科学家爱因斯坦(A. Einstein)建立了广义相对论，他将广义相对论用于宇宙的研究，建构了一个静态的宇宙模型。1922年，苏联科学家弗里德曼(A. Friedman)从广义相对论出发，得到了一个均匀地膨胀或收缩的宇宙模型，遗憾的是这个动态的当哈勃定律公布后，人们惊喜地发现，天文观测发现的现象正是理论模型所预言的现象。理论预言被天文观测证实了！ 现代宇宙学以爱因斯坦的广义相对论为理论基础，以天文观测为事实依据。 二、 现代宇宙学说 25 思考与讨论 根据目前的宇宙大爆炸理论，宇宙确实 在不断膨胀,这意味着在过去的某个时刻， 宇宙比现在小,星系之间的距离也更近。然而， 当追溯到宇宙诞生的极早期，根据现有理 论，宇宙可能经历了一个被称为“奇点”的 阶段，在这个点上，传统的物理学定律可 能不再适用。但目前对于“奇点”的本质 和在那之前的情况，我们的理解还存在很多 的未知和不确定性。 我们是否可以做出这样的推断：宇宙在不断膨胀，这意味着过去的宇宙比现在小。那么，时间越往前，宇宙中的星系之间的距离是否必然越小？再往前倒退至某一时间，宇宙是否密集在一个点上？ 爱因斯坦 二、 现代宇宙学说 26 探索活动 爱因斯坦 1915年,著名科学家爱因斯坦建立了广义相对论,他将广义相对论用于宇宙的研究,建构了一个静态的宇宙模型。 1922年,苏联科学家弗里德曼从广义相对论出发,得到一个均匀地膨胀或收缩的宇宙模型,遗憾的是这个动态模型并不为当时的人们所重视。当哈勃定律公布后,人们惊喜地发现,天文观测发现的现象正是理论模型所预言的现象。理论预言被天文观测证实了! 二、 现代宇宙学说 27 探索活动 宇宙大爆炸理论 理论概述 提出者：1948年，伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论。 主要内容：宇宙起源于极高温、极高密度的"奇点"的大爆炸，之后宇宙不断膨胀、温度不断下降，生成各种物质，形成各种星系，演化成今天的宇宙，今天的宇宙仍将继续膨胀下去。 理论预言 大爆炸使宇宙中充满了辐射，随着宇宙膨胀、降温，当今宇宙中仍充满着大爆炸残留的辐射，对应的温度约为5K。 理论证实 测到来自空间各个方向的辐射，对应温度约为2.73 K，与理论预测温度非常接近。 二、 现代宇宙学说 28 一、 从地心说到日心说 探索活动 宇宙大爆炸 29 探索活动 宇宙的起源与演化 宇宙的起源 多方面观测研究表明，我们的宇宙始于约138亿年前的一次大爆炸，大爆炸为后来的星系、恒星和行星的形成与演化提供了所有的能量。 理论证实 下图为宇宙演化年表，该图突出了重要的物质与能量演化事件。宇宙大爆炸理论是目前最准确的描述宇宙从诞生到当前状态的模型。 宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”。 二、 现代宇宙学说 30 三、课堂总结 第3节 人类对宇宙的探索（1） 三、课堂总结 四、练习与应用 第3节 人类对宇宙的探索（1） 四、练习与应用 1. 2022年10月，我国科学家利用中国天眼（FAST）在致密星系群——“斯蒂芬五重星系”及周围天区发现了1个尺度约为200万光年的巨大原子气体系统，该系统比银河系大20倍，为研究宇宙打开了一个崭新的窗口。关于宇宙，下列说法正确的是（　　） A．光年作为时间单位，可以衡量银河系的直径 B．热大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，且温度相应下降 C．宇宙的结构层次是：太阳系→银河系→河外星系→宇宙 D．“地心说”宇宙体系在科学发展史上的作用是发展“日心说”宇宙体系 B 34 【解析】 【分析】宇宙即所有的空间、时间、物质等及其所产生的一切事物的统称，是物质的整体，是物理学和天文学的最大研究对象。 【解答】解：光年是光在真空中行进一年所经过的距离，是长度单位，A错误。 热大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，且温度相应下降，B正确。 宇宙包含银河系和河外星系，银河系包含太阳系，C错误。 “地心说”宇宙体系在科学发展观上的作用是打破了天圆地方的宇宙观，建立了宇宙空间的观念，D错误。 故选：B。 四、练习与应用 35 四、练习与应用 2. 人类对宇宙的认识经历了漫长而曲折的过程：①中国古代很早就有天圆地方的认识；②公元2世纪，托勒密创立了“地心说”模型；③16世纪，哥白尼建立了“日心说”模型，由于缺乏证据，日心说无法被大多数人接受：④17世纪初，伽利略用自制的望远镜观测天空，为“日心说”提供新证据；⑤20世纪20年代，勒梅特、哈勃等人提出了宇宙大爆炸理论。 36 四、练习与应用 分析上述科学史料，判断下列观点正确的是（　　） A．只有完全正确的理论才是科学理论 B．当前被人们认同的理论已经很完善了 C．没有先进的科学技术将无法开展科学研究 D．科学理论的发现一般需要借助观察、测量等科学方法 D 37 【解析】 【分析】地理常识是学习地理的基础，涉及面广泛而多种多样，都是基础知识。 【解答】解：A错误，任何一种科学理论都不能确定完全正确；B错误，任何一种理论都不可能很完善；C错误，先进的科学技术是进行科学研究的条件之一，但不是唯一条件；D正确，科学理论的发现一般需要借助观察、测量等科学方法。 故选：D。 四、练习与应用 38 四、练习与应用 3. 哥白尼“日心说”的主要观点有：位于宇宙中心的太阳和其他恒星是固定不动的，地球和其他各颗行星都在不停地自转和以不同的周期在各自的轨道上绕太阳公转。现今经过科学观测和计算，“日心说”也有它的局限性，并非完全正确。以下“日心说”的观点中错误的是（　　） ①太阳是宇宙的中心 ②太阳是固定不动的 ③地球自转和绕太阳公转 ④太阳系其他行星也自转和绕太阳公转 A．①④ B．①② C．③④ D．②③ D 39 【解析】 【分析】天体之间相互吸引和绕转形成天体系统，天体系统分为不同的级别和层次，最高一级是总星系，总星系包括银河系和河外星系；银河系包括太阳系和其它恒星系；太阳系包括太阳、地月系和其它行星系；地月系包括地球和月球。一般而言，围绕恒星公转的是行星，围绕行星公转的是卫星。 【解答】解：太阳是太阳系的中心，不是宇宙的中心，①错误。 太阳在绕着银河系的中心转动，②错误。 地球在自转的同时绕着恒星太阳公转，③正确。 太阳系的其他行星在自转的同时绕着太阳公转，④正确。故选：B。 四、练习与应用 40 五、提升训练 第3节 人类对宇宙的探索（1） 五、提升训练 1.我们利用气球做了星系运动特点的模拟实验（如图所示），下列有关该实验的描述，错误的是（　　） A．在气球表面画上的这些小圆点，模拟的是宇宙中的星系 B．给气球充气，使气球不断地胀大，模拟的是宇宙的膨胀 C．气球胀大过程中各圆点间的距离变化模拟星系的运动特点 D．气球胀大时，对甲圆点而言，乙圆点的远离速度比丙圆点更快 D 42 【解析】 【分析】星系团作为整体的视向速度同星系团的距离满足哈勃定律，即距离越远视向速度越大。一个星系团内不同成员星系间的相对运动情况可用速度弥散度来表示；一般说来，随着星系团的范围的扩大和成员数的增加，速度弥散度也就越来越大。 五、提升训练 43 【解答】解：A、用气球做关于星系运动特点的模拟实验，用画的小圆模拟宇宙中的星系，故A正确，不符合题意。 B、给气球充气，使气球不断地胀大。用来模拟宇宙膨胀，故B正确，不符合题意。 C、各个小圆点之间的距离变化，说明了星系距离在变大，说明星系运动，故C正确，不符合题意。 D、充气时气球以球状胀大，对甲圆点而言，乙圆点的远离速度小于丙，故D错误，符合题意。 故选：D。 五、提升训练 44 五、提升训练 2.回顾2024年的天文圈，发生了许多事件，如流星雨、“紫金山-阿特拉斯”新星、ZS7星系黑洞合并、太阳活动进一步加强等。请同学们应用相关的宇宙知识完成下面小题。宇宙大爆炸理论认为，宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。假如宇宙的演化经历了先匀速后加速的膨胀过程，那么宇宙半径R和宇宙年龄t的关系图像大致是（　　） A B C D B 45 【解析】 【分析】一般而言，斜率越大，变化速度越快；斜率越小，变化速度越慢。 【解答】解：读图可知，图中横坐标是宇宙年龄t,纵坐标是宇宙半径R，由于宇宙的演化经历了先匀速后加速的膨胀过程，说明前期上升速度慢，斜率小，后期上升速度快，斜率大，故B正确，ACD错误。 故选：B。 五、提升训练 46 五、提升训练 3.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（　　） 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 C 47 【解析】 【分析】解答本题应掌握：宇宙大爆炸理论的内容。 宇宙大爆炸仅仅是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，我们称之为“原始火球”，“原始火球”不稳定，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。 【解答】解：图象中的纵坐标宇宙半径R可以看作是星球发生的位移x,因而其切线的斜率就是宇宙半径增加的快慢程度。由题意，宇宙加速膨胀，其半径增加的速度越来越大。故选：C。 五、提升训练 48 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $