第16章 从原子到星系（复习课件）物理新教材沪科版（五四学制）九年级下册

该初中物理单元复习课件系统梳理了从原子结构到宇宙天体的知识体系，按微观粒子（原子、电子、夸克）到宏观天体（地球、太阳系、银河系、宇宙）的逻辑脉络，结合科学史与实验事实串联知识点，帮助学生构建完整的物质结构与宇宙认知网络。 其亮点在于融入科学史与模型建构（如核式结构模型），设计“五星连珠”成因分析、气球膨胀模拟宇宙膨胀等探究活动，培养科学思维与探究能力，结合中国科学家命名小行星等案例渗透科学态度，分层设计帮助学生巩固知识，教师可精准把握学情提升复习效率。

沪科版（五·四学制） 九年级下册 第16章 从原子到星系 单元复习 01 02 03 04 05 CONTENTS 原子 原子结构 地球 太阳系 银河系 宇宙 PART ONE 原子 原子结构 19 世纪初，英国科学家道尔顿（J. Dalton， 1766—1844）在研究化学反应时发现，物质是由在化学反应中保持不变的最小单元构成的，或者说，构成物质的最小单元在化学反应中保持不变。道尔顿把这个最小单元称为原子 。 原子 解释1：物质是由原子构成的。 解释2：我们知道，化学反应的实质是（分子分解成原子），原子的重新组合。 那么，原子在化学反应中自然是保持不变的。 如图 16-1-2 所示，碳完全燃烧时，与氧气反应生成二氧化碳，但碳原子和氧原子在燃烧前后都没有发生变化。我们所知道的常见物质是由分子、原子构成的，而分子又是由原子构成的。道尔顿通过科学实验将原子变成了一个科学概念，是对物质结构认识的一个飞跃。 图16-1-2 碳和氧气反应生成二氧化碳 解释 以图16-1-2出现的三种物质（碳、氧气、二氧化碳）为代表分析物质的构成。 原子直接构成物质 原子构成分子，分子再构成物质 代表物质是：一般情况下的所有金属都是直接由原子构成；还有碳、硅等。 原子非常小，小到什么程度呢？平均来说，一 个原子的直径约为 10-10m，也就是说，100 000 000 个原子紧密地排列成一行，长度也大约只有 1 cm 。一根头发的直径大约可以排列 60 万个以上的原子。要想看到原子，普通的显微镜是无能为力的，必须使用扫描隧道显微镜或原子力显微镜，图16-1-1是我国物理学家利用扫描隧道显微镜拍摄的单层碳原子照片。 原子概念被提出后，人们一开始认为原子是没有内部结构、不可再分的实心小球。1897 年英国物理学家汤姆孙（J. J. Thomson ，1856 — 1940）通过对阴极射线的研究，发现了比原子小得多的带负电的粒子，称为电子，这是人类发现的第一个比原子更小的微观粒子。电子的质量很小，大约只有氢原子质量的二千分之一。 电子的发现—汤姆孙 汤姆孙—揭开了电子世界的大门 电子的发现说明原子并不是构成物质的最小微粒，原子是有结构的，电子是原子的构成部分。由于电子带负电，而原子是电中性（对外不显电性）的，因此原子必定包含带正电的部分。汤姆孙由此提出了原子的结构模型—枣糕模型，即原子中的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子则嵌在其中，如图16-1-3所示。 这个模型虽然能解释原子的电中性，但并没有得到更多实验的支持。 汤姆孙提出原子的结构模型—枣糕模型 图16-1-3 枣糕模型 英国物理学家卢瑟福（E. Rutherford，1871— 1937）根据 α 粒子散射实验的研究在 1911 年提出 了原子的核式结构模型， 也称行星模型（图 16-1-4）。即原子的质量几乎全部集中在尺度很小的核心区域，称为原子核 ，原子核带正电，半径约为10-15m， 而电子则在核外绕原子核运动。卢瑟福的核式结构模型能很好地解释一些实验现象。 卢瑟福提出原子的核式结构模型 图 16-1-4 原子的核式结构模型示意图 原子的尺度要比原子核大近10万倍，如果把原子比作体育场，那原子核就只有蚂蚁那么大。 原子的核式结构被发现之后，物理学家又开始探索原子核的结构。为此，卢瑟福做了大量用α粒子轰击各种原子核的实验，并于 1919 年发现了一个新的带正电的粒子，称为质子。因为各种不同的原子核都能打出质子，所以可以确认质子是原子核的构成部分。质子实际上就是最简单的原子核—氢原子核。根据对质子质量和电荷的测量，卢瑟福预言原子核中一定还有另一种粒子—中子。1932 年，英国物理学家查德威克（J. Chadwick ，1891—1974）在实验中发现了中子。 质子和中子 中子的发现不仅确立了原子核的结构，也敲开了人类开发利用核能的大门，具有重大的科学意义。实验发现，中子不带电，质量比质子稍大。α 粒子实际上就是氦原子核，由2个质子和2个中子构成。 从 1897 年发现电子开始，经过 30 多年的研究，人们对原子及原子结构有了比较清晰的认识。原子是由集中了绝大部分质量的原子核与核外电子构成的，原子核又是由质子和中子构成的，其中质子的数量与核外电子数相同，以保证原子是电中性的。 原子 原子核 电子 质子 中子 + + - 不带电 集中了原子的绝大部分质量 随着物理学的不断发展，人们对物质结构的认识也在不断深入。1964 年，美国物理学家盖尔曼（M. Gell-Mann, 1929—2019）又提出了夸克模型，认为质子和中子都是由更小的微粒—夸克构成的。电子和夸克是目前已知构成常见物质的最小微粒。图16-1-5是原子及原子核结构的示意图。 图16-1-5 原子及原子核结构示意图 夸克 电子和夸克是否还有结构，是否由更小的微 粒构成，将是未来物理学进一步研究探索的目标。 PART TWO 地球 太阳系 在很长的时间里，人们一直认为地球是不动的，所有天体都围绕地球运动。古希腊天文学家托勒密（C. Ptolemaeus，约 90—168）系统总结 了前人的成就，完善了被称为“地心说”的天体运行理论［图 16-2-2（a）］。 图16-2-2 “地心说”示意图 古希腊天文学家托勒密 “地心说” 波兰天文学家哥白尼（N. Copernicus ，1473—1543）在他的《天体 运行论》一书中建立了被称为“日心说”的天体运行理论［图 16-2-2（b）］，即太阳位于中心， 地球和其他行星都围绕太阳公转。哥白尼的理论不仅引发了天文学的革命，也为近代科学的发展铺平了道路。 图16-2-2 “日心说”示意图 波兰天文学家哥白尼 “日心说” 实际上，所有天体都处于不断地运动之中， 日月星辰的东升西落是因为地球的自转造成的。 地球每隔约24 h自转一周，每隔约 365 天绕太阳公转一周。地球的赤道平面和公转轨道平面（即黄道面）有一个 23°26′的夹角。正是由于这个夹角，使得太阳的直射点每年在南北半球之间来回移动，这是造成地球上四季变化的根本原因。 随着物理学的发展，科学技术的进步，观测手段的提高，今天我们对太阳系已经有了比较清晰的认识。太阳是一颗普通的恒星，由内而外，围绕太阳公转的八颗行星分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星及海王星。在火星与木星之间是包含50万颗以上小行星的小行星带。有多颗小行星以中国科学家名字命名，如袁隆平星、 杨振宁星、钱学森星、钱三强星等。曾经长期作为第九颗行星存在的冥王星因其质量不够大等原因，在 2006 年被剔除出行星行列，而改称矮行星。 太阳及太阳系的八大行星 太阳 太阳系八大行星 所谓“五星连珠” 是指金、木、水、火、 土五颗行星在公转轨道上连成一线的现象。 这一现象是如何形成的呢？ 行星公转特性：水、金、火、木、土五颗行星公转周期不同（水星约88天、金星225天、火星687天、木星4333天、土星10760天），但它们都围绕太阳公转的轨道半径不同，导致公转速度存在差异。这种差异使行星在特定时间可能排列在太阳同侧或两侧，形成“连珠”现象。 另外还受观测者的观测条件等因素影响。 想一想 月球是地球唯一的天然卫星，而地球的人造卫星则数不胜数。由于从地球上看，月球的大小和太阳几乎相同，因此当月球、地球和太阳运行 到连成一线时，就会发生日食或月食；而当月球 处在其绕地球轨道的不同位置时就会造成不同的月相。“西楼望月几回圆”、“百尺老松衔半月”、“露似珍珠月似弓”都是描写月相的诗句。 月球 水星和金星是仅有的两颗没有卫星的行星，木星的卫星则是最多的，其中木卫一到木卫四是伽利略在1610年用自制望远镜发现的，这一发现对哥白尼的日心说是有力的支持。太阳系家族除了太阳、八颗行星、矮行星以及它们的卫星外，还有大量的小行星、彗星等。 德国哲学家康德（I. Kant ，1724-1804）于 1755 年提出了太阳系起源的星云假说，认为太阳系是由一团巨大的原始星云通过引力作用演化而来，星云中心部分形成太阳，外围部分形成星盘并演化成行星及卫星。随着物理学的不断发展和探测技术的提高，关于太阳系起源和演化的理论已经发展为现代星云说，人们对太阳系的形成和演化也有了更多的认识。 PART THREE 银河系 宇宙 天体之间的距离非常遥远，如果用米或者千米来衡量天体之间的距离会很不方便。在天文学上，我们常常用光年作为天体距离的单位。光年指的是光在真空中一年内行进的距离。光年的符号是 l.y.。 光年与米的换算关系是： 1l.y.= 9.46 ×1015m 作为比较，日地距离约 1.5×1011m ，太阳光从发出到地球，约需时8min。 光年 换算过程：1l.y.= 3×108m/s×(365×24×3600)s≈9.46 ×1015m 由于视力所限，我们肉眼所见的恒星（图16-3-2）大部分距离地球都在几百光年以内，比邻星是离我们最近的恒星，距离地球约4.3光年。 从地球上看，天狼星是除太阳外最亮的恒星，距离我们约8.6光年。伽利略在1609年首次使用望远镜观测天体，开启了天文学一个新的时代。 望远镜的使用，大大提高了我们的观测能力，极大开拓了人类的眼界，从此，人类的目光便从太 阳系转向了更广阔的恒星世界。 图16-3-2 部分肉眼可见的恒星 在很长的一段时期内，人类对宇宙的认识实际上局限在太阳系内。1750 年首次提出银河系的概念，太阳系以及我们肉眼可见的众多恒星都属于一个更大的恒星系统——银河系。图16-3-1 所示即为银河系的一部分。 银河系 200 多年来经过无数天文学家和物理学家的不断努力，我们对银河系已经有了比较清晰的认识。银河系是一个直径约10万光年，包含约3000亿颗恒星的庞大盘状恒星集团，中心是一个质量相当于400万个太阳的巨型黑洞，太阳位于距离银河系中心约27000光年的地方。 太阳携带整个太阳系围绕银河系中心转动，约2.5亿年旋转一周。银河系形成至今已有约100亿年。 银河系 银河系的认识 银河系只是宇宙中一个普通的星系，宇宙中还存在着无数个类似银河系的星系，统称为河外星系。我们已知的河外星系超过1000亿个。图16-3-4 所示为距离我们约250万光年的河外星系—仙女座星系M31。 河外星系 图16-3-4 仙女座星系M31 黑洞是一个非常神秘的天体，由于强大的引力，使得黑洞所在的区域具有奇特的性质，外面的物体和光可以进入黑洞，而黑洞内的任何物体甚至光都无法逃离。也就是说，黑洞无法发出光或其他信息，因而外界的观察者是看不到黑洞的， 这也是黑洞名称的由来。 近年来，科学家已经通过各种方法探测到了黑洞的存在，比如银河系中心就有一个巨大的黑洞，如图16-3-5所示，其中明亮部分是黑洞附近的气体发光所致。 图16-3-5 银河系中心黑洞照片 黑洞 2000多年前的《尸子》一书中已经有 “四方上下曰宇，往古来今曰宙”的说法。 我们将时间、空间以及所有物质、能量构成的整体称为宇宙。宇宙是物理学最大的研究对象。 宇宙 对一个均匀画有小圆点的气球缓慢吹气。观察气球膨胀时，相邻小圆点及相距较远的小圆点之间的距离如何变化（图 16-3-6 ）。 图16-3-6 气球膨胀前后 自主活动 相邻小圆点及相距较远的小圆点之间的距离都在变大。 美国天文学家哈勃（E. P. Hubble ，1889— 1953）通过对大量星系的观测研究发现，所有的星系都在远离我们，并且离我们越远的星系， 离的速度就越大。也就是说，随着时间的流逝， 星系之间的距离在不断增加。那么反过来看，在很久以前，星系之间的距离一定比现在小得多， 即宇宙是在膨胀的。发现星系都在远离，并不能说明地球是宇宙的中心。站在任何一个星系上看，所有其他星系也都在远离。 上述活动中，形象地模拟了哈勃的发现。气球上的每个小圆点都可看成一个星系；当气球膨胀时，站在任何一个圆点上看，会发现所有的圆点都在互相远离，并 且距离越远的圆点其远离的速度也越大。 美国核物理学家伽莫夫（G. Gamow，1904—1968）在前人研究工作的基础上，于1948 年提出我们的宇宙诞生于138 亿年前的大爆炸。根据这个理论，大爆炸之初，温度和密度极高。随着时间的推移，宇宙不断膨胀，温度逐渐下降，各种粒子开始形成。 宇宙的诞生 大爆炸之后约38万年，质子、中子和电子结合形成原子，大量原子形成分子云，最后在引力作用下形成恒星和星系。随着宇宙的膨胀，大爆炸留下的光就变成了今天探测到的宇宙微波背景辐射。这个理论与目前的观测结果符合得比较好，在解释元素起源、宇宙微波背景辐射以及星系形成等方面都取得了很大的成功。 因为光速是有限的，光的传播需要时间。当我们用望远镜观测一个遥远的天体时，我们看到的实际上是这个天体在遥远的过去的样子。现在世界上最大的望远镜能够探测到100亿光年以外的天体，也就是说，我们能看到宇宙100亿年以前的样子。宇宙早期的奥秘竟然隐藏在遥远的宇宙深处。图16-3-7所示为韦伯空间望远镜拍摄的遥远星空，其中有些星系距离我们将近100亿光年。 图16-3-7 韦伯空间望远镜拍摄的遥远星空 微观粒子是物理学最小的研究对象，宇宙则是物理学最大的研究对象。物理学既可以描述电子、质子的性质，也可以描述星系和宇宙的起源。极大和极小在物理学中得到了绝妙的统一。 无论是微观还是宏观或是宇观（图16-3-8），也无论是在实验室还是茫茫太空，物理世界的过去、现在和未来都应该遵循物理学的普遍规律。 图16-3-8 从微观、宏观到宇观 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING $