第3节 探索宇宙的奥秘（表格式教学设计）物理鲁科版必修第二册

第3节 探索宇宙的奥秘（教学设计） 年级 高一 学科 物理 教师 课题 第3节 探索宇宙的奥秘 教学 目标 物理观念 了解宇宙的基本层次结构与演化的初步知识，结合相对论等物理规律建立对宇宙时空、天体运动的整体认知模型。 科学思维 能运用已学物理规律分析宇宙探索中的典型问题，梳理人类探索宇宙的科学思路与方法，提升基于证据的推理与综合分析能力。 科学探究 能参与“梳理宇宙探索重大发现”“分析宇宙观测技术原理”等探究活动，体会科学探究在拓展人类认知边界中的作用，培养探究思维。 科学态度 与责任 感悟人类探索宇宙的执着精神与团队协作力量，认识物理学科对宇宙探索的支撑作用，激发科学探索热情与社会责任感。 教学 重难点 重点：了解宇宙基本结构与演化初步知识。 难点：运用物理规律分析宇宙探索中的问题。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 自古以来，人类就有一个“星空梦”！古人晚上仰望星空，越看越好奇，直接给地球封了个“宇宙C位”，坚信所有星球都围着自己转——这就是自信满满的“地心说”，虽然错得离谱，但这份探索欲值得点赞～ 直到有个叫哥白尼的“纠错达人”站出来，说“别自恋了，太阳才是中心”；后来伽利略扛着望远镜，第一个“近距离”扒开太空的神秘面纱；牛顿更厉害，用一个万有引力定律，直接给天体运行定了“规矩”。 从古人的“瞎猜”，到科学家的“实锤”，人类怎么一步步打破认知，把“飞天梦”变成现实？ 思考提出初步猜想。 新课讲授 一、宇宙的起源 教师设问：宇宙的起源是怎样的？大家可以谈一下。任意的关于宇宙的起源的理论都可以谈，包括传说。 教师活动：讲解大爆炸理论。 在探索宇宙奥秘的过程中，爱因斯坦发现，根据广义相对论建立的宇宙模型不是静态的，因此引入宇宙学常数进行修正，提出了“有限无界的静态宇宙”模型。 1929年，哈勃做了一个具有里程碑意义的观测：遥远的恒星发出的光谱与地球上同种物质的光谱相比，波长变长，即向红光方向偏移。这一现象说明：不管往哪个方向看，远处的星系都正在急速地远离我们而去，并且距离我们越远的星系离开我们的速度越快。 人类从此走出了静态绝对的宇宙观，开始用膨胀的宇宙观探索宇宙的起源。既然宇宙正在远离，那么原来他应该聚集在更小范围之内。美国科学家伽莫夫将微观的核物理、化学元素的起源与宏观的膨胀宇宙联系在一起，提出了描述宇宙起源和演化的大爆炸宇宙模型，认为宇宙从一个温度无限高、物质密度无限大的“奇点”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不仅能解释宇宙光谱的红移现象，而且预言在大爆炸的特殊宇宙背景下产生的微波辐射至今存在于宇宙空间中。1965年，威尔森和彭齐亚斯观测到了宇宙背景微波辐射，大爆炸宇宙模型得到了有力的支持。 看课本学习 识记记录 新课讲授 二、宇宙的演化 教师活动：讲解宇宙膨胀的可能的方向。 宇宙将会一直膨胀下去吗？宇宙的未来将走向何处？根据爱因斯坦广义相对论的预言，宇宙的未来在很大程度上依赖于宇宙中的物质分布(宇宙物质的平均密度)。如果宇宙物质的平均密度大于某个临界值，星系间的引力将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩，最终坰缩；如果宇宙物质的平均密度小于该临界值，宇宙将会继续膨胀。但对宇宙物质平均密度的观测非常困难，因为宇宙中除了可见的发光天体之外，还有大量的暗物质和暗能量。 自20世纪70年代以来，科学家根据对星系之间引力效果的观测发现，常规物质不可能产生如此大的引力。因此，人们推测有一种有质量能产生引力但没有电磁相互作用的物质存在于宇宙之中，人们称这种物质为暗物质。与暗物质相对应的能量称为暗能量。 1998年，科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀，并且证明了暗能量的存在。通过观测和理论分析，科学家推测宇宙的大部分都是由暗物质和暗能量组成的，但人类对暗物质和暗能量的本质至今仍不了解现有的天文观测资料还不能确定宇宙的未来将走向何处，这有待于人类的进一步探索。 新课讲授 三、永不停息的探索 教师活动：讲解人类运用光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜探测宇宙的状况。 光学望远镜和射电望远镜接收的都是无线电波。光学望远镜利用接收可见光，并成像。射电望远镜接收的是无线电波。 16 世纪初，意大利科学家伽利略用望远镜观测天空，从此人类的视野更加开阔。从伽利略开始，人类一直在通过不断增加电磁波谱的范围来探索宇宙的奥秘，每一种新的电磁波谱的拓展都意味着打开一扇通向宇宙的新的窗口。 1939 年，美国科学家雷伯利用世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜接收到了来自银河系中心的无线电波，根据观测结果绘制了第一张射电图。 为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。著名的哈勃太空望远镜自1990年4月24日升空以来，为人类源源不断地提供震撼人心的星际图像，如恒星的诞生和死亡等。人们把它的诞生视为天文学走向空间时代的一个里程碑。 哈勃望远镜取得了巨大的成就，对人们对宇宙的认识及思维观念有巨大的影响。但哈勃望远镜毕竟是光学望远镜，有其固有的局限性。如波长限制在可见光，且其分辨率也有一定的提升空间。 于是，人们设计了哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜。 主要的任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射)，即观测今天可见宇宙的初期状态。为达成此目的，它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。 教师活动：讲解引力波。 依据广义相对论预言，大质量天体发生碰撞、恒星爆炸、中子星合并、黑洞合并等极端天文事件发生时，时空会产生涟漪并产生“引力波”，以光速向外扩张。2015年，人类首次直接探测到引力波的存在。 【例题1】大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于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，宇宙基本上是匀速膨胀的．上世纪末，对1A型超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀。面对这个出人意料的发现，宇宙学家探究其背后的原因，提出宇宙的大部分可能由暗能量组成，它们的排斥作用导致宇宙在近段天文时期内开始加速膨胀，如果真是这样，则标志宇宙大小的宇宙半径R和宇宙年龄t的关系，大致是的哪个图象(　　) 【答案】C 【详解】由题意知，宇宙半径R随时间t先匀速增大后加速膨胀，加速膨胀过程中R和时间平方成正比，半径随时间增大急剧增大，图象C符合。 故选C。 针对训练1为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪（AMS）在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是（　　） A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成 B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成 C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成 D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成 【答案】B 【详解】反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。 故选B。 科学之美与哲学意蕴。 参与知识梳理，完善笔记结构。 了解有关内容 课 堂 练 习 1.太阳的寿命估计为100亿年，目前已度过了约50亿年，当太阳耗尽核燃料后，最终将会演化变成（　　） A．主序星 B．白矮星 C．中子星 D．红巨星 【答案】B 【详解】太阳只是宇宙中一颗普通的恒星，寿命可达100亿年，太阳进入暮年后，会把所有的燃料都耗尽，成为一颗白矮星，最终化为另一种天体存在于宇宙中。 故选B。 2.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。 3.（多选）在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播，下列说法中正确的是(　　) A．船外静止的观察者看到这束光是沿直线传播的 B．船外静止的观察者看到这束光是沿曲线传播的 C．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿直线传播的 D．航天员以飞船为参考系看到这束光是沿曲线传播的 【答案】AD 【详解】假设在引力可以忽略的空间有一艘宇宙飞船在做匀加速直线运动，一束光垂直于运动方向在飞船内传播(如图)，船外静止的观察者看到这束光是 沿直线传播的，但是航天员以飞船为参考系看到的却是另外一番情景．为了记录光束在飞船中的径迹，航天员在船里等距离地放置一些半透明的屏，光可以透过这些屏，同时在屏上留下光点．由于飞船在前进，光到达右边一屏的位置总会比到达左边一屏的位置更加靠近船尾．如果飞船做匀速直线运动，飞船上的观察者看到光的径迹仍是一条直线(图中的虚线)．然而，如果飞船做匀加速直线运动，在光向右传播的同时，飞船的速度也在不断增大，因此船上观察者记录下的光的径迹是一条曲线(图中的实线)． 根据等效原理，航天员完全可以认为飞船没有加速运动，而是在船尾方向存在一块巨大的物体，它的引力场影响了飞船内的物理过程．因此我们得出结论：物质的引力使光线弯曲。 4.关于大爆炸宇宙模型的下列说法正确的是(　　) A．宇宙起源于一个特殊的点，这个点大爆炸，是空间的开始 B．宇宙起源于一个特殊的点，在这个点爆炸之前时间已经存在 C．宇宙大爆炸后空间膨胀一定会一直持续下去，永不停止 D．宇宙起源的“奇点”温度无穷低，密度无穷大 【答案】A 【详解】根据大爆炸宇宙模型，宇宙起源于“奇点”，该“奇点”温度无穷高，密度无穷大，认为该点拥有无穷的能量，但体积无穷小．故D错．宇宙爆炸后，急剧膨胀，宇宙未来的演化有两种可能，一是持续膨胀，另一种是膨胀到极限后又收缩成一个新的“奇点”．故C错．“奇点”爆炸是宇宙的始点，既是时间的起点又是空间的始点．故A对，B错。 故选A。 5.美国科学家于2016年2月11日宣布，他们探测到引力波的存在。引力波是实验验证爱因斯坦相对论的最后一块缺失的“拼图”。相对论在一定范围内弥补了牛顿力学的局限性。关于牛顿力学，下列说法正确的是（　　） A．牛顿力学完全适用于宏观低速运动 B．牛顿力学取得了巨大成就，是普遍适用的 C．随着物理学的发展，牛顿力学将逐渐成为过时的理论 D．由于相对论的提出，牛顿力学已经失去了它的应用价值 【答案】A 【详解】A．牛顿力学适用于低速运动的宏观物体，故 A正确； B．牛顿力学取得了巨大的成就，但它具有一定的局限性，并不是普遍适用的，故B错误； CD．在微观高速领域，要用量子力学和相对论理论来解释，但是并不会因为相对论和量子力学的出现，就否定了牛顿力学，牛顿力学作为某些条件下的特殊情形，被包括在新的科学成就之中，不会过时，不会失去价值，故C、D错误。 故选A。 6.2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次利用激光干涉法直接探测到来自双中子星合并（距地球约1.3亿光年）的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号，此后2秒，美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴，这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代，也证实了爱因斯坦100多年前在广义相对论中有关引力波的预言，引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，宛如石头丢进水里产生的波纹．根据以上信息判断正确的是（　　） A．引力波的传播速度等于光束 B．具有质量的物体能产生引力波 C．干涉是波具有的性质，所以激光也是一种波 D．引力波的传播需要空气作为介质 【答案】ABC 【详解】A．发现引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号，说明引力波的传播速度等于光束，故A正确； B．引力波是由黑洞、中子星等碰撞产生的一种时空涟漪，因此具有质量的物体能产生引力波，故B正确； C．引力波是以光速传播的时空扰动，是横波，故引力波应该有偏振现象，故C正确； D．天文台探测到引力波，说明引力波可以在真空中传播，故D错误； 故选ABC。 课 堂 小 结 1.这节课我们跳出相对论，解锁“宇宙探秘副本”，从地球出发，一步步解锁宇宙的层层奥秘，主打一个“从近到远、从猜到期盼”！ 2.① 宇宙尺度：地球只是银河系里的“小尘埃”，银河系之外还有无数星系，宇宙大到超乎想象；② 探测手段：从望远镜“遥望”，到探测器“实地打卡”，人类靠智慧一点点揭开宇宙的神秘面纱；③ 核心关联：万有引力依旧是“宇宙总指挥”，牵着天体有序运行。 3.我们目前对宇宙的认知，还只是“冰山一角”，还有黑洞、暗物质等谜题没解开，但每一次探索，都是人类向宇宙迈出的重要一步！ 板 书 设 计 5.3探索宇宙的奥秘 一、宇宙“比例尺”：从近到远，颠覆认知 1.地球：银河系里的“一粒尘埃”（渺小但珍贵，是我们的“家园”） 2.银河系：像一个“巨大漩涡”，包含上千亿颗恒星（太阳只是其中一颗“小蜡烛”） 3.可观测宇宙：半径约465亿光年（大到离谱，人类目前能看到的全部） 趣味类比：宇宙≈无边无际的沙漠，地球≈沙漠里的一颗沙粒 二、探索“装备”：人类的宇宙“眼睛”和“脚步” 1. 观测装备：从伽利略望远镜（“入门款”）到哈勃望远镜（“太空顶配”） 功能：帮我们“遥望”遥远天体，打破肉眼局限（看得更远、更清） 2. 探测装备：探测器（“太空侦察兵”）、载人飞船、空间站 成就：登陆月球、探测火星，从“遥望”到“实地打卡” 三、宇宙“未解之谜”：留个脑洞给未来 1. 黑洞：宇宙“吞噬机”，引力强到光都逃不出去（神秘又迷人） 2. 暗物质/暗能量：宇宙的“隐形推手”，占宇宙绝大部分质量（至今没摸清真面目） 3. 地外生命：宇宙那么大，除了人类，还有其他“邻居”吗？ 作业 布置 1.梳理人类探索宇宙的主要阶段及对应成果（至少3项），简要说明万有引力定律在宇宙探索中的作用。 2.结合黑洞、暗物质等宇宙奥秘，分析人类探索这些未知领域的技术手段或物理依据，谈谈对宇宙探索意义的理解。 教学反思 1.宇宙知识与物理规律的融合讲解不足，学生难以建立关联认知，需强化原理衔接引导。 2.宇宙演化等抽象内容讲解偏理论，学生理解困难，应增加可视化资料辅助认知。 3.学生探索兴趣激发不足，课堂参与度低，需设计探究式任务引导主动思考。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $