3.3 人类对宇宙的探索（1） 讲义 -2026-2027学年科学浙教版七年级上册

本初中科学讲义聚焦人类对宇宙的探索历程，系统梳理从古代盖天说到托勒密地心说，再到哥白尼日心说的演变，结合伽利略望远镜观测证据，延伸至哈勃定律及宇宙大爆炸理论，构建连贯的知识脉络与学习支架。 该资料以“天宫课堂”情境引入激发兴趣，通过气球模拟宇宙膨胀实验建构模型培养科学思维，避坑指南精准辨析易错点强化科学观念，实战与拓展题助力课后巩固。课中辅助教师教学，课后帮助学生查漏补缺，提升探究实践能力。

3.3 人类对宇宙的探索（1）——从地心说到日心说 本节导航·目标清单 教材精研·内容全解 避坑指南·易错辨析 实战演练·随堂检测 巩固拓展·课后提升 本节导航·目标清单 目标导航 1. 了解人类对宇宙认识的演变过程，知道从地心说到日心说的科学革命历程。 2. 理解托勒密地心说的核心理念及其历史影响，知道哥白尼日心说的提出背景和主要内容。 3. 了解伽利略对日心说推广的贡献，知道望远镜观测为日心说提供的三条证据。 4. 理解哈勃定律的内容和意义，知道星系退行速度与距离的正比关系，能用公式描述。 5. 了解宇宙大爆炸理论的主要内容，知道宇宙起源于约138亿年前的大爆炸，理解理论预言与观测证实的关系。 方法指导 地心说（托勒密，公元2世纪）→ 日心说（哥白尼，16世纪）→ 伽利略望远镜观测（1609年）→ 星系运动发现（哈勃，1929年）→ 哈勃定律（退行速度与距离成正比）→ 宇宙膨胀模型 → 宇宙大爆炸理论（伽莫夫，1948年）→ 理论预言与观测证实。 教材精研·内容全解 课前引入：天宫课堂 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？带着这些问题，让我们回顾人类对宇宙认识的演变历程。 天宫课堂第四课在中国空间站开讲 考点01 从地心说到日心说 1. 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。太阳系位于银河系比较边缘的一个普通的位置，也没有明显的独特地位。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。 我国战国时期的盖天说认为，天圆如张盖，地方如棋盘。盖天说这种宇宙观虽然已经摆脱神话的影响，但远没有揭示宇宙的本质。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。 人类对宇宙认识的演变——从地心说到日心说 2. 地心说的起源与发展 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。 “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。 我国古代对宇宙的认识——盖天说 3. 地心说的核心理念 地心说的核心理念包括两点： （1）地球是宇宙中心，且静止不动。 （2）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。 托勒密地心说示意图——地球位于中心，天体绕地球运转 4. 日心说的产生过程 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，地球和行星都围绕太阳做圆周运动。哥白尼在临终前出版了著作《天体运行论》，阐述了日心说的理论基础。 哥白尼日心说示意图——太阳位于中心，行星绕太阳运转 5. 日心说的影响 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。日心说吸引人的地方是它简单，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。 科学家在对宇宙各方面建模时遵循简单、对称和美观的原则。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。哥白尼基于多年观测，开启了科学革命，推翻了地心说。 6. 伽利略对日心说的推广 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。 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。伽利略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。 伽利略用自制望远镜观测天空，为日心说提供观测证据 伽利略记录的木星4颗卫星图示 7. 日心说的局限性 日心说中有关宇宙以太阳为中心的提法也有不正确之处。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。 哥白尼日心说的建立，使人们的认识从“地球中心”走向“太阳中心”，这是人类认识宇宙的重大进步，但太阳并非宇宙中心，宇宙没有中心。 太阳系在银河系中的位置——太阳并不在银河系中心 考点02 现代宇宙学说 探索活动：星系退行速度与距离的关系 阅读不同星系的退行速度图，回答以下问题： 1. 牧夫座星系离地球有多远？它的退行速度有多大？ 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。 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。 3. 星系距离地球的远近与其退行速度有什么关系？ 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。 4. 预测距离地球50亿光年的星系的退行速度。 根据图中的线性趋势进行推断：图中显示的最远星系（长蛇座星系）距离约40亿光年，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为（50÷4）×60000≈750000 km/s。 不同星系的退行速度与距离关系图 1. 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。 宇宙学是研究宇宙的性质、结构和演化（诞生、演化和死亡）的科学。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。 浩瀚的宇宙——各种不同的天体和天体系统 2. 星系运动的发现和特点 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。 哈勃发现，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。 哈勃发现星系退行——大多数星系都在远离我们而去 哈勃肖像 3. 哈勃定律 在发现星系退行规律的基础上，哈勃提出了著名的哈勃定律：星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。即星系到观察者的距离越远，星系退行速度越快。 哈勃定律可以用公式表示为： 其中v为星系退行速度，d为星系到观察者的距离，H为哈勃常数。 哈勃定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律反映了整个宇宙的整体性，展示了一幅宇宙整体退行图景，即宇宙正在不断地膨胀。 哈勃定律示意图——星系退行速度与距离成正比 4. 星系退行与地球位置的关系 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？答案是否定的。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。 5. 气球模拟实验——宇宙膨胀模型 为了理解星系是如何运动的，可以建立星系运动模型： 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）。 4. 观察气球在胀大过程中，各张圆形小纸片间距离的变化。 实验表明，气球上圆形小纸片间的距离在不断扩大。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。 气球充气模拟宇宙膨胀——小纸片代表星系，膨胀没有中心 气球膨胀过程中各“星系”间距离不断增大 6. 星系运动模型的建立 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，得到了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！ 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。 思考与讨论：宇宙膨胀意味着什么 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？ 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。 考点03 宇宙大爆炸理论 1. 宇宙大爆炸理论的提出 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。 宇宙大爆炸理论——宇宙起源于奇点的大爆炸 2. 宇宙大爆炸理论的预言与证实 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：科学家测到来自空间各个方向的辐射，对应温度约为2.73K，与理论预测温度非常接近。理论预测的结果与实际观测的结果相一致，理论才能被人们接受。 宇宙大爆炸理论成功地解释了很多观测事实，因此成为被人们广为接受的一种宇宙起源学说。但宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”。 宇宙大爆炸理论的理论预言与观测证实 3. 宇宙的起源与演化 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。 宇宙演化年表突出了重要的物质与能量演化事件：大爆炸后，基本粒子形成，温度降低后原始星云形成，第一批恒星诞生，第一批星系形成，最终演化成现代的星系。 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。虽然已经取得很大的成功，但随着研究的不断深入，仍然遇到了不少疑难问题，如宇宙有没有边界、宇宙会终结吗等问题，有待于人们去探索和证实。 宇宙演化年表——从大爆炸到现代星系 避坑指南·易错辨析 【温馨提示】 1. 易错点1：地心说和日心说的提出者——地心说由托勒密于公元2世纪创立，日心说由哥白尼于16世纪提出，不要混淆提出者和提出时间。 2. 易错点2：日心说的局限性——日心说认为太阳是宇宙的中心，但实际上太阳只是太阳系的中心，不是宇宙的中心。太阳系也不在银河系的中心，银河系也不是宇宙中心。 3. 易错点3：哥白尼日心说的不足——哥白尼保留了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，不要认为日心说完全正确。 4. 易错点4：伽利略的贡献——伽利略用自制望远镜观测天空，为日心说提供了三条证据：太阳黑子、木星的4颗卫星、金星的位相变化。伽利略不是日心说的提出者，而是推广者。 5. 易错点5：哈勃定律公式中各量的含义——v为星系退行速度，d为星系到观察者的距离，H为哈勃常数。不要把退行速度和距离的关系搞反，是距离越远退行速度越大。 6. 易错点6：星系退行不意味着地球是宇宙中心——几乎所有星系都在退行，是因为宇宙空间自身的整体膨胀，不是星系穿越空间运动，膨胀没有中心，地球并不在宇宙中心。 7. 易错点7：宇宙大爆炸理论的预言与实测——理论预言温度约为5K，实际观测温度约为2.73K，两者非常接近但不完全相等，不要记反。 8. 易错点8：宇宙的年龄——宇宙始于约138亿年前的一次大爆炸，不要误记为137亿年或其他数值。 实战演练·随堂检测 【实战演练】 1. 创立日心说的天文学家是（ ） A. 伽利略 B. 哈雷 C. 哥白尼 D. 布鲁诺 2. 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 3. 在人类对宇宙的探索过程，15世纪哥白尼提出的日心说比托勒密的地心说简洁、和谐。下列与日心说相关的说法正确的是（ ） A. 哥白尼还发现了万有引力定律 B. 日心说认为太阳是宇宙的中心 C. 日心说是一个正确的科学理论 D. 地心说什么天文现象都解释不了 4. 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 5. 关于哈勃定律，下列说法正确的是（ ） A. 星系的退行速度与它们到地球的距离成反比 B. 星系的退行速度与它们到地球的距离成正比 C. 哈勃定律说明地球处于宇宙的中心 D. 哈勃定律说明宇宙正在收缩 6. 下列关于宇宙大爆炸理论的说法中，正确的是（ ） A. 宇宙起源于极低温、极低密度的状态 B. 宇宙大爆炸后不断膨胀、温度不断下降 C. 大爆炸理论已完美解释了宇宙的所有问题 D. 大爆炸理论的预言温度与实际观测温度完全相等 巩固拓展·课后提升 【巩固拓展】 1. 关于伽利略对日心说的贡献，下列说法正确的是（ ） A. 伽利略提出了日心说 B. 伽利略用自制望远镜观测天空，为日心说提供了观测证据 C. 伽利略发现了行星运行规律与托勒密体系不吻合 D. 伽利略证明了太阳是宇宙的中心 2. 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。下列不属于伽利略观测发现的是（ ） 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. 金星的位相变化说明金星并不是围绕地球公转的 D. 行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合 3. 阅读以下材料，回答问题。 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，发现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。在此基础上，哈勃提出了著名的哈勃定律。 （1）哈勃定律的内容是什么？用公式如何表示？ （2）哈勃定律反映了什么宇宙图景？ （3）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？为什么？ 答：________________________________ 答：________________________________ 答：________________________________ 参考答案 【实战演练】 第1题： C 解析：日心说是由波兰天文学家哥白尼在16世纪提出的。伽利略是日心说的推广者，哈雷是发现哈雷彗星的天文学家，布鲁诺是支持日心说的哲学家。故选C。 第2题： D 解析：气球胀大时，对甲圆点而言，所有圆点都在远离甲圆点。乙圆点和丙圆点远离甲圆点的速度取决于它们与甲圆点的距离：距离越远的圆点远离速度越快，而不是固定的乙比丙快。D说法错误。A、B、C均正确描述了实验的模拟对象和过程。 第3题： B 解析：哥白尼提出的是日心说，并非万有引力定律（万有引力定律是牛顿发现的），A错误；日心说认为太阳是宇宙的中心，B正确；日心说也有局限性（太阳并非宇宙中心，且保留了圆周运动观点），不是完全正确的科学理论，C错误；地心说能解释很多天文现象，并非什么都解释不了，D错误。故选B。 第4题： C 解析：图中AB为直线，表示宇宙半径R随宇宙年龄t均匀增大，即宇宙在匀速膨胀；BC为向上弯曲的曲线，表示宇宙半径R随宇宙年龄t加速增大，即宇宙在加速膨胀。故选C。 第5题： B 解析：哈勃定律的内容是星系的退行速度与它们到地球的距离成正比，A错误，B正确；哈勃定律说明宇宙正在膨胀，不是说明地球处于宇宙中心，C错误；哈勃定律说明宇宙正在膨胀而非收缩，D错误。故选B。 第6题： B 解析：宇宙大爆炸理论认为宇宙起源于极高温、极高密度的“奇点”，A错误；宇宙大爆炸后不断膨胀、温度不断下降，B正确；宇宙大爆炸理论也有局限性，是“未完成的乐章”，并未完美解释所有问题，C错误；理论预言温度约为5K，实际观测温度约为2.73K，非常接近但不完全相等，D错误。故选B。 【巩固拓展】 第1题： B 解析：日心说是哥白尼提出的，不是伽利略，A错误；伽利略用自制望远镜观测天空，为日心说提供了观测证据，B正确；发现行星运行规律与托勒密体系不吻合的是哥白尼等科学家，不是伽利略，C错误；伽利略证明了地球并非宇宙中心，但不能证明太阳是宇宙中心，D错误。故选B。 第2题： D 解析：伽利略的三条观测证据是：太阳黑子（A）、木星的4颗卫星（B）、金星的位相变化（C）。“行星运行规律与托勒密的宇宙体系并不吻合”是哥白尼提出日心说的背景，不是伽利略的观测发现。故选D。 第3题： （1）哈勃定律：星系的退行速度与它们到地球的距离成正比。用公式表示为 ，其中v为星系退行速度，d为星系到观察者的距离，H为哈勃常数。（2）哈勃定律反映了整个宇宙的整体性，展示了一幅宇宙整体退行图景，即宇宙正在不断地膨胀。（3）不是。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。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，膨胀没有中心。 解析：（1）哈勃定律是哈勃于1929年提出的，公式中v为退行速度，d为距离，H为哈勃常数。（2）哈勃定律的意义在于揭示了宇宙正在膨胀的图景。（3）星系退行是宇宙空间自身膨胀的结果，不是星系在空间中运动，因此不能说明地球处于宇宙中心。气球模拟实验也证明了膨胀没有中心。 学科网（北京）股份有限公司 $