第3节 银河系 宇宙（导学案）物理新教材沪科版（五四学制）九年级下册

第3节 银河系 宇宙（导学案） 【学习目标】 1. 知道太阳系、银河系及宇宙的关系 2. 通过分析宇宙天体的尺度数据，培养对大数的认知和空间想象能力；从宇宙层次结构理解物质世界的系统性。 【学习重点】 通过观察银河系示意图，认识银河系的基本结构和特点。 【学习难点】 了解人类探索宇宙的历程，体验探索精神。 【自主学习】 1.光年与米的换算关系是 2.作为比较，日地距离约 ，太阳光从发出到地球，约需时 3. 是天文观测的重要工具，望远镜的使用极大地提高了我们的观测能力，不仅让我们看得更远，也让我们看得更清。 4．大多数宇宙科学家都认定：宇宙诞生于距今约150亿年前的一次 ．日心说：建立了 是宇宙的中心．太阳是银河系中数以千亿计 星中的一颗． 5．在探究宇宙的同时，人类也在探索 ，电子显微镜是人类的“火眼金睛”通过它，人类能逐渐深入地看清 的不同粒子，能看到放大200万倍的铱原子的排列图． 6．世界上最古老的火箭是 （填国家名）发明的，现代我国载人飞船试验是 号飞船系列． 7．天文学中采取一些特殊的距离单位作为天体间的距离单位，光在真空中行进一年所经过的距离称为 ，符号为 ． 【课堂探究】 探究一 肉眼可见的恒星离我们有多远 【实验探究】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1 l.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8 min 由于视力所限，我们肉眼所见的恒星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。 【知识拓展】望远镜是天文观测的重要工具，望远镜的使用极大地提高了我们的观测能力，不仅让我们看得更远，也让我们看得更清。除了光学望远镜，还有用于其他波长的红外望远镜、射电望远镜、X 射线望远镜以及放置在太空的空间望远镜等。伽利略使用的第一架天文望远镜的口径有 4 cm，但伽利略用它发现了月球上的环形山、木星的卫星等。我国的大型望远镜项目在立足自主建设的同时，积极参与国际合作。2016 年在贵州平塘建成的 500 m 口径射电望远镜是目前世界上最大的射电望远镜，被誉为“中国天眼”，“中国天眼”自建成以来，已经在脉冲星、快速射电暴等方面取得多项世界领先的研究成果 “中国天眼”：500 m 口径射电望远镜 【例题01】在下列四幅图中，每幅图都能展示出一定的物理知识。其中说法错误的是 A．甲图反映太阳系由许多行星围绕太阳转动，地球是太阳系中的一颗普通恒星 B．乙图是伽利略时代的望远镜 C．丙图是显微镜的结构图。显微镜的物镜相当于幻灯机，成倒立放大的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像 D．丁图给出望远镜的物镜相当于照相机，成倒立缩小的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像 探究二 什么是银河系 【基本概念】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（Galaxy）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。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 3 000 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 27 000 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（external galaxy）。我们已知的河外星系超过 1 000 亿个。为距离我们约250 万光年的河外星系—仙女座星系 M31 仙女座 【拓展】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。 黑洞 【例题02】如图所示是由中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，它被誉为“中国天眼”，该望远镜将帮助科学家进一步探索宇宙。在①银河系、②地球、③太阳系、④宇宙中，按从小到大的顺序排列，依次为 （填序号）。 探究三 什么是宇宙？ 【基本概念】2 000 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（universe）。宇宙是物理学最大的研究对象。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。 【常见应用】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，远离的速度就越大。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；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。 【实验操作】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 气球膨胀前后 【例题03】宇宙大爆炸理论认为，宇宙一开始是一个“原始火球”，原始的火球发生了大爆炸，导致宇宙空间处处膨胀，温度 填“上升”、“下降”或“不变”到一定程度时，逐步形成了超星系团、星系团、星系乃至恒星和行星等若用如图所示黏有小金属粒的气球来类比宇宙，小金属粒可看成宇宙中的 ，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他金属粒都在 ，此理论被 现象所证实． 探究四 宇宙是如何演化的？ 【基本概念】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。 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。 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，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。物理学已经取得了伟大的成就，但人类探索自然奥秘的步伐不会停止，永无止境。 【课堂练习】 1.关于粒子和宇宙，下列说法正确的是（　　） A．破镜不能重圆，是因为分子间存在排斥力 B．扫地时灰尘飞舞，说明分子在做无规则运动 C．太阳位于银河系的中心，银河系位于宇宙的中心 D．原子核式结构模型认为原子是由原子核和电子构成的 2.请依据表中太阳系行星的相关数据和图中行星的等比例缩略图，回答问题： ①根据表中数据可以发现：图中的 是天王星（选填相应字母）． ②图中将行星按远日行星、巨行星和类地行星分成了3组，其中类地行星是指表面主要由岩石构成的行星，它们是： 3关于粒子和宇宙，下列认识中不正确的是 A．与玻璃棒摩擦过的丝绸带正电 B．谱线“红移”现象说明星系在逐渐远离我们 C．汤姆生发现了比原子小得多的带负电荷的电子，从而说明原子是可分的 D．宇宙、太阳系、地球、分子、质子、电子是按照尺度由大到小的顺序排列的 1 / 9 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3节 银河系 宇宙（导学案） 【学习目标】 1. 知道太阳系、银河系及宇宙的关系 2. 通过分析宇宙天体的尺度数据，培养对大数的认知和空间想象能力；从宇宙层次结构理解物质世界的系统性。 【学习重点】 通过观察银河系示意图，认识银河系的基本结构和特点。 【学习难点】 了解人类探索宇宙的历程，体验探索精神。 【自主学习】 1.光年与米的换算关系是1 l.y.= 9.46×1015m 2.作为比较，日地距离约 1.5×1011m，太阳光从发出到地球，约需时8 min 3.望远镜是天文观测的重要工具，望远镜的使用极大地提高了我们的观测能力，不仅让我们看得更远，也让我们看得更清。 4．大多数宇宙科学家都认定：宇宙诞生于距今约150亿年前的一次 大爆炸 ．日心说：建立了 太阳 是宇宙的中心．太阳是银河系中数以千亿计 恒星 星中的一颗． 5．在探究宇宙的同时，人类也在探索 微观世界 ，电子显微镜是人类的“火眼金睛”通过它，人类能逐渐深入地看清 组成物质 的不同粒子，能看到放大200万倍的铱原子的排列图． 6．世界上最古老的火箭是 中国 （填国家名）发明的，现代我国载人飞船试验是 神舟五 号飞船系列． 7．天文学中采取一些特殊的距离单位作为天体间的距离单位，光在真空中行进一年所经过的距离称为 1光年 ，符号为 1y ． 【课堂探究】 探究一 肉眼可见的恒星离我们有多远 【实验探究】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1 l.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8 min 由于视力所限，我们肉眼所见的恒星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。 【知识拓展】望远镜是天文观测的重要工具，望远镜的使用极大地提高了我们的观测能力，不仅让我们看得更远，也让我们看得更清。除了光学望远镜，还有用于其他波长的红外望远镜、射电望远镜、X 射线望远镜以及放置在太空的空间望远镜等。伽利略使用的第一架天文望远镜的口径有 4 cm，但伽利略用它发现了月球上的环形山、木星的卫星等。我国的大型望远镜项目在立足自主建设的同时，积极参与国际合作。2016 年在贵州平塘建成的 500 m 口径射电望远镜是目前世界上最大的射电望远镜，被誉为“中国天眼”，“中国天眼”自建成以来，已经在脉冲星、快速射电暴等方面取得多项世界领先的研究成果 “中国天眼”：500 m 口径射电望远镜 【例题01】在下列四幅图中，每幅图都能展示出一定的物理知识。其中说法错误的是 A．甲图反映太阳系由许多行星围绕太阳转动，地球是太阳系中的一颗普通恒星 B．乙图是伽利略时代的望远镜 C．丙图是显微镜的结构图。显微镜的物镜相当于幻灯机，成倒立放大的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像 D．丁图给出望远镜的物镜相当于照相机，成倒立缩小的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像 【答案】A 【解析】A．甲图反映太阳系由许多行星围绕太阳转动，地球是太阳系中的一颗普通行星，故A错误，A符合题意； B．乙图是伽利略时代的望远镜，故B正确，B不符合题意； C．丙图是显微镜的结构图。显微镜的物镜相当于幻灯机，成倒立放大的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像，故C正确，C不符合题意； D．丁图给出望远镜的物镜相当于照相机，成倒立缩小的实像，目镜相当于放大镜，成正立放大的虚像，故D正确，D不符合题意。 故选A。 探究二 什么是银河系 【基本概念】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（Galaxy）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。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 3 000 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 27 000 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（external galaxy）。我们已知的河外星系超过 1 000 亿个。为距离我们约250 万光年的河外星系—仙女座星系 M31 仙女座 【拓展】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。 黑洞 【例题02】如图所示是由中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，它被誉为“中国天眼”，该望远镜将帮助科学家进一步探索宇宙。在①银河系、②地球、③太阳系、④宇宙中，按从小到大的顺序排列，依次为 （填序号）。 【答案】②③①④ 【解析】宇宙由物质组成的，宇宙中拥有数十亿个星系，银河系只是其中之一。银河系很大，太阳系只是其中之一，地球是太阳系中一员。所以，宇宙宏观世界按尺度大小顺序排列为宇宙、银河系、太阳系、地球。从小到大的顺序为地球、太阳系、银河系、宇宙，即②③①④。 探究三 什么是宇宙？ 【基本概念】2 000 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（universe）。宇宙是物理学最大的研究对象。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。 【常见应用】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，远离的速度就越大。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；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。 【实验操作】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 气球膨胀前后 【例题03】宇宙大爆炸理论认为，宇宙一开始是一个“原始火球”，原始的火球发生了大爆炸，导致宇宙空间处处膨胀，温度 填“上升”、“下降”或“不变”到一定程度时，逐步形成了超星系团、星系团、星系乃至恒星和行星等若用如图所示黏有小金属粒的气球来类比宇宙，小金属粒可看成宇宙中的 ，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他金属粒都在 ，此理论被 现象所证实． 【答案】下降 天体 运动 谱线红移 【详解】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，因而发生了巨大的爆炸．宇宙大爆炸理论认为，宇宙一开始是一个“原始火球”，原始的火球发生了大爆炸，导致宇宙空间处处膨胀，温度下降到一定程度时，逐步形成了超星系团、星系团、星系乃至恒星和行星等，也就形成了今天我们看到的宇宙． 若用如图所示黏有小金属粒的气球来类比宇宙，小金属粒可看成宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他金属粒都在运动，此理论被谱线红移现象所证实．红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低．红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测上，简而言之，红移说明天体之间的距离在一天天的变大，所以说明宇宙大爆炸，而且目前处于膨胀阶段． 探究四 宇宙是如何演化的？ 【基本概念】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。 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。 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，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。物理学已经取得了伟大的成就，但人类探索自然奥秘的步伐不会停止，永无止境。 【课堂练习】 1.关于粒子和宇宙，下列说法正确的是（　　） A．破镜不能重圆，是因为分子间存在排斥力 B．扫地时灰尘飞舞，说明分子在做无规则运动 C．太阳位于银河系的中心，银河系位于宇宙的中心 D．原子核式结构模型认为原子是由原子核和电子构成的 【答案】 D 【解析】A．破镜不能重圆说明玻璃碎片间的距离太大，大于分子间发生相互吸引的距离，故A错误； B．扫地时灰尘飞舞是固体小颗粒的机械运动，不能用分子运动论的观点进行解释，故B错误； C．太阳系的中心是太阳，银河系的中心是银河，银河系是宇宙中的一个星系，并不位于宇宙中心，故C错误； D．1911年，卢瑟福建立了原子核式结构模型，认为：原子是由原子核和核外电子组成，故D正确。 故选D。 2.请依据表中太阳系行星的相关数据和图中行星的等比例缩略图，回答问题： ①根据表中数据可以发现：图中的 是天王星（选填相应字母）． ②图中将行星按远日行星、巨行星和类地行星分成了3组，其中类地行星是指表面主要由岩石构成的行星，它们是： 【答案】 c 水星、金星、地球和火星 【详解】（1）根据表中数据可知，天王星的直径在八大行星中居第三位，因此天王星的体积也应居第三位，根据图可知c球体积是第三位，所以c是天王星； （2）类地行星是以硅酸盐石作为主要成分的行星，地球所在的太阳系有四颗类地行星：水星、金星、地球和火星． 故答案为(1). c    (2). 水星、金星、地球和火星 3关于粒子和宇宙，下列认识中不正确的是 A．与玻璃棒摩擦过的丝绸带正电 B．谱线“红移”现象说明星系在逐渐远离我们 C．汤姆生发现了比原子小得多的带负电荷的电子，从而说明原子是可分的 D．宇宙、太阳系、地球、分子、质子、电子是按照尺度由大到小的顺序排列的 【答案】：A 【解析】：A．丝绸与玻璃棒摩擦时，束缚电子能力强的丝绸得到电子而带负电，束缚电子能力弱的玻璃棒失去电子而带正电，故A错误，符合题意； B．谱线“红移”现象是由于频率降低的现象，早可见光波段，表现为光谱的谱线向红端移动了一段距离，可以说明星系在逐渐远离我们，故B正确，不符合题意； C．汤姆生发现了比原子小得多的带负电荷的电子，从而说明原子是可分的，原子由原子核和核外电子组成，故C正确，不符合题意； D．质子和中子构成原子核，电子和原子核构成原子，原子构成分子，分子构成物质，所以宇宙、太阳系、地球、分子、质子、电子是按照尺度由大到小的顺序排列的，故D正确，不符合题意。 故选A。 1 / 9 学科网（北京）股份有限公司 $