5.1 认识宇宙（讲义）物理新教材鲁科版（五四学制）八年级上册

第五章 宇宙和粒子 第1节 认识宇宙 课标要点 1. 了解人类探索太阳系及宇宙的历程。 2. 知道人类对宇宙的探索将不断深入。 3. 关注人类探索宇宙的一些重大活动。 学习重难点 重点：了解人类对宇宙的认识过程和宇宙的尺度结构层次。 难点：宇宙大爆炸说和黑洞。 知识点 人类对宇宙的认识 1．我国古代对宇宙的认识： 我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“上下四方日宇往古今来曰审”，字指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。古人通过对日月星辰的观察，认为地球是平的，日月星辰在大气中运行，上方扣着巨大的圆形穹顶。天圆地方的“盖天说”，闪烁着中国古人的理性之光，为科学认识宇宙奠定了思想基础。 2．世界其它文明对宇宙的认识： 世界其他文明也涌现出大批研究宁宙的先行者，他们在人类认识宇宙的过程中作出了卓越的贡献。16世纪，天文学家哥白尼用“日心说”推翻了影响人类一千多年的“地心说”，有力地推动了人类文明的进程。 3．牛顿和爱因斯坦对宇宙的探索： （1）牛顿在前人观到和实验的基础上，开创了经典力学。他的万有引力理论开辟了以力学方法研究宇宙的途径，从此天文学和宇宙学步人了科学发展阶段。 （2）1915年，爱因斯坦提出广义相对论，并在两年之后将广义相对论应用于整个宇宙，标志着现代宇宙学的诞生。至今，人们对宇宙的探索和认识仍在不断走向深入。 随学随练 1．（25-26八年级下·山东临沂·期末）从“神舟”到“天宫”，从“嫦娥”到“天问”，我国一代代科学家为探索宇宙付出了巨大的努力。下列对宇宙认识正确的是（　　 ） A．太阳是宇宙的中心 B．宇宙的大小是固定的，不再改变 C．宇宙是一个有层次的天体结构系统 D．太阳系和银河系是宇宙中两大并列的星系 【答案】C 【详解】A．太阳是太阳系的中心，但不是宇宙的中心，宇宙是没有中心的，故A错误； B．谱线红移表明宇宙在不断膨胀，宇宙的大小不是固定的，故B错误； C．宇宙是由不同层次的天体系统组成的，是一个有层次的天体结构系统，故C正确； D．太阳系是银河系的一部分，二者是包含关系，不是并列关系，故D错误。 故选C。 2．在下列各天体中，离太阳最远的类地行星是 （　　） A．水星 B．金星 C．海王星 D．火星 【答案】D 【详解】由物理学常识可知，太阳系中的类地行星由离太阳从近到远的顺序分别为：水星、金星、地球、火星。故可知离太阳最远的类地行星是火星，故ABC不符合题意，D符合题意。 故选D。 3．（25-26八年级上·山东济宁·阶段检测）下列物理学家与其贡献对应正确的是（    ） A．哥白尼——“地心说” B．爱因斯坦——发明望远镜 C．牛顿——万有引力 D．伽利略——“日心说” 【答案】C 【详解】A．哥白尼提出的是“日心说”，否定了“地心说”，并非“地心说”，故A错误； B．伽利略改进了望远镜并首次将其用于天文观测，并非爱因斯坦，爱因斯坦的主要贡献是相对论等，故B错误； C．牛顿发现了万有引力定律，该对应关系正确，故C正确； D．“日心说”是哥白尼提出的，伽利略主要贡献是天文观测，如用望远镜支持日心说，故D错误。 故选C。 知识点 宇宙的尺度 在人类目前能够观测到的范圈内，科学家发现，宁宙由近及远可分为太阳系、银河系、河外星系、星系团、总星系。 （1） 太阳系：是我们较熟悉的天体系统，太阳位于这个系统的中心距离太阳由近及远依次是水星、金星地球、火星、木星、土星、天王星和海王星这八大行星，它们总共携带了200多颗天然卫星。除此之外，太阳系还有数量众多的小行星、彗星等,围绕太阳不停地运转。 （2）银河系：银河系是一个由大量星体构成的庞大天体系统，太阳系就位于其中。太阳只是银河系中一颗普通的恒星，银河系中有1000亿颗以上的恒层。银河系直径约10万光年，最大厚度约1万光年。 银河系也只是字宙空间中一个非常普通的星系，银河系之外还有数以千亿计的类似星系，统称为河外星系。 （2） 星系团：许多星系还形成更大的星系团(或称星系群)。无数的星系团组成总星系。 （4）人类对宇宙的观察： 伽利略是最早使用自制的天文望远镜来观察宇宙的人。随着科技的发展，人类对宇宙的观测手段从光学望远镜发展到射电望远镜，观测能力来越强，插捉到的天体信息也越来越多。目前，望远镜已能观察到距离地球至少130亿光年的天体。 中国天眼：2016年，我国建戏的世界最大的500米口经球面射电报远镜(简称EAST)，被誉为“中国天眼”，它是引力波探测、航天器导航等前沿研究的理想工只，能够在无线电波段搜索来自百亿光年之外的微弱信号，极大拓展了人类观察宇宙的极限。 随学随练 1．（24-25九年级下·全国·课后作业）我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，宇指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。若我们有一天乘坐宇宙飞船从地球出发去探索宇宙，将先后飞离（　　） A．地月系、太阳系、银河系 B．银河系、太阳系、地月系 C．太阳系、银河系、地月系 D．银河系、地月系、太阳系 【答案】A 【详解】地球属于地月系，地月系属于太阳系，太阳系属于银河系。所以从地球出发探索宇宙，会先后飞离地月系、太阳系、银河系。故BCD不符合题意，A符合题意。 故选 A。 2．（25-26八年级下·全国·周测）经典力学和实验物理学的先驱伽利略率先用___________观察天空，由此得到的关于天体运行的结果，有力地支持了哥白尼的“___________说”。 【答案】 望远镜 日心 【详解】[1][2]哥白尼用日心说否定了影响人类达千年之久的托勒密地心说，有力地推动了人类文明的进程；伽利略是经典力学和实验物理学等先驱，他率先用望远镜观察天空，由此得到的关于天体运行的结果有力地支持了哥白尼的日心说。 知识点 现代宇宙模型 1.观察与实验：观察气球膨胀 （1）实验方法：准备一只气球，在其表而画一些小圆点，用打气筒给气球充气。据球你在充气过程中观察到的现象，此现象给你什么启发? （2）实验现象：在气球胀大过程中，对气球表面上任何一个小圆点而言，其他的小圆点都在不断地离它而去，离得越远，远离速度越快。 （3）分析论证：该实验用气球代表 宇宙，小圆点代表宇宙中的星系，该实验模拟星系之间的距离在不断增大。 结论：星系在膨胀的宇宙中就好比气球表面的小圆点，在宇宙膨胀的过程中，星系之间都在不断地远离，而且相距越远的星系，远离速度越快。 2.宇宙大爆炸说： 当今世界对宇宙起源问题的研究中，占据主流地位的是宇宙大爆炸学说。1929年，天文学家哈勃在观测河外星系的过程中，发现所有河外星系都在离我们远去，而且距离我们越远的星系，其逃离速度越大，说明宇宙在膨胀。以此观点为基础，1948年，科学家提出宇宙产生于一次“大爆炸”，即“大爆炸字宙模型”。虽然目前观测到的一些现象支持“大爆炸宇宙模型”，但是也有很多观测现象无法用此模型给出合理的解释。 3.“黑洞”： 宇宙中的天体都在不断地运动变化者，科学家研究发现，大质量恒星在衰亡的过程中会发生塌缩,塌缩后留下的物质会变成一种天体,它产生的引力能吸引附近的所有物质，连光都无法逃脱。这样的天体叫作“黑洞”。 随学随练 1．为了形象地说明宇宙大爆炸，课本上将一个黏有小金属粒的气球看成宇宙，看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒都在离它远去。这里运用的是主要一种思维方法___________（等效法/类比法/转换法）。 【答案】类比法 【详解】为了形象地说明宇宙大爆炸，课本上将一个黏有小金属粒的气球看成宇宙，金属粒看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒都在离它远去，这里运用的是主要一种思维方法类比法。 2．（25-26八年级上·北京平谷·期末）阅读《宇宙大爆炸》，回答下列小题。 宇宙大爆炸 宇宙由何而来？是困扰着现代物理学和天文学的一个难题。1946年，有科学家提出，宇宙起源于大约137亿年以前的一次大爆炸。大爆炸理论是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙在不断地膨胀，使物质从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸，但是科学家一直没有找到支持大爆炸理论的直接证据。 后来，科学家注意到，从我们所处的银河系观察，银河系外的星系（即河外星系）发出的光，绝大部分颜色会偏“红”，个别也有几个颜色偏“蓝”，分别称为“红移”和“蓝移”。理论分析表明，发生红移的河外星系，表示它在远离我们。蓝移则表示相应的星系在靠近我们。我们（银河系）之外的其他星系群和星系团中的星系几乎都表现出红移，而且离我们越远的星系，红移量越大。这似乎表明，绝大多数星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，远离越快。天文学家通过反复观测，得出一条规律：河外星系远离我们的速度与它到我们的距离成正比，这条规律被称为哈勃定律，其数学表达式为，式中称为哈勃常数。哈勃定律的发现，有力支持了宇宙大爆炸学说。 根据上述材料，回答下列问题： (1)如果我们看到某个星系发出的光的颜色偏“红”，说明这个星系正在______我们。 (2)类比得出速度、密度单位的方法，可推理得出哈勃常数的单位是（　　） A．米（） B．秒（） C．（） D．（） (3)若距离我们约33亿光年的“长蛇Ⅱ星系团”远离我们的速度约为，则距离我们约22亿光年的“牧夫座星系团”，远离我们的速度约为______。 【答案】(1)远离 (2)D (3) 【详解】（1）根据材料中“科学家注意到，从我们所处的银河系观察，银河系外的星系（即河外星系）发出的光，绝大部分颜色会偏‘红’，个别也有几个颜色偏‘蓝’，分别称为“红移”和“蓝移”。理论分析表明，发生红移的河外星系，表示它在远离我们”可知，如果看到某个星系发出的光颜色偏“红”（即发生红移），说明这个星系正在远离我们。 （2）由哈勃定律可得 因为速度v的单位是m/s等，距离s的单位是m，所以H的单位为 故D符合题意，ABC不符合题意。 故选D。 （3）由可得 因为H是一个常数，所以“长蛇Ⅱ星系团”远离我们的速度与其到我们距离的比值等于“牧夫座星系团”远离我们的速度与其到我们距离的比值，即 解得 题型 认识宇宙 1. 【宇宙即时空】“上下四方曰宇，往古来今曰宙”——宇指空间，宙指时间。 2. 【盖天说】我国古代认为地球是平的、上方扣着巨大圆形穹顶，为科学认识宇宙奠定思想基础。 3. 【日心说】16 世纪哥白尼提出，推翻影响人类一千多年的“地心说”。 4. 【牛顿】开创经典力学，万有引力理论开辟以力学方法研究宇宙的途径。 5. 【爱因斯坦】1915 年提出广义相对论，两年后应用于整个宇宙，标志现代宇宙学诞生。 6. 【宇宙尺度】由近及远：太阳系→银河系→河外星系→星系团→总星系。 活学活用 1．我国计划建设一台最终口径达8m的EAST通用光学望远镜，建成后它将是世界的“东方之眼”。利用EAST通用光学望远镜可研究宇宙中的物体。下列物体中，空间尺度最大的是（　　） A．银河系 B．太阳系 C．土星 D．月球 【答案】A 【详解】银河系是包含太阳系在内的庞大星系，直径约10万光年；太阳系直径约1光年，属于银河系的一部分；土星是太阳系中的行星，直径约12万千米，远小于银河系和太阳系；月球是地球的卫星，直径约3474千米，是四个选项中最小；故BCD不符合题意，A符合题意。 故选A。 2．（2025八年级下·全国·专题练习）随着科技的进步，霍金提出的黑洞理论和宇宙无边界的设想正逐步得到证实。如图，a、b、c、d四点分别表示处女座、大熊座、牧夫座和长蛇座四大星系离银河系的距离s与它们的退行速度v之间的关系。若在我们所在的星系1观测，下列选项能类比宇宙膨胀的是（箭头方向和长短分别表示运动方向和快慢）（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】由图象可知，所有的星系都在远离我们而去，离我们越远的星系，退行越快，且箭头方向和长短分别表示运动方向和快慢； 因此，从图上看，星系2和星系3应远离星系1，且速度变快（即箭头变长），故A符合题意，BCD不符合题意。 故选A。 3．火星与地球邻近且环境最为相似。火星的直径约为地球一半，自转轴倾角、自转方向、自转周期均与地球相近，其公转一周的时间约为地球公转一周时间的两倍。火星地表沙丘、砾石遍布。下列推测正确的是（　　） A．火星上有四季变化 B．火星的一天比地球的一天约长一倍 C．在火星上不能看到太阳东升西落 D．火星表层的成分与地球上土壤成分相似 【答案】A 【详解】A．地球上的四季变化是由于地球自转和公转造成的，火星的自转轴倾角与地球相近，也绕太阳公转，推测火星上也有季节变化成立。故A正确； B．火星自转周期与地球相近，故火星上一天与地球上一天相近。故B错误； C．火星自西向东自转，太阳东升西落。故C错误； D．火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，CO2为主的大气十分稀薄，密度仅为地球大气密度的1%，火星两极皆有干冰组成的板冠，会周期性的消长，与地球上土壤成分不同。故D错误。 故选A。 基础通关 1．如图所示，创立万有引力理论，使人们第一次科学认识神秘天体运动的科学家是（　　） A．  鲁斯卡 B．  哈勃 C．  罗雷尔 D．  牛顿 【答案】D 【详解】由物理常识可知，物理学家牛顿创立的万有引力理论，使人们第一次用统一的理论来认识天体运动。 故选D。 2．天问一号在距火星约220万千米处传回首幅火星图像，火星属于（　　） A．行星 B．恒星 C．卫星 D．彗星 【答案】A 【详解】太阳系的八大行星有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，故BCD不符合题意，A符合题意。 故选A。 3．（25-26八年级下·全国·课后作业）人类从未停止对宇宙的探索，下列说法中正确的是（     ） A．宇宙中天体在不停地运动，其中地球是宇宙真正的中心 B．我们认识到，宇宙是一个没有层次的天体结构系统 C．托勒密发展了“地心说”，认为地球居于中心，太阳和其他行星围绕地球转动 D．太阳是银河系中数以亿计的恒星中的一颗普通恒星，恒星的位置是固定不变的 【答案】C 【详解】A．“地心说”早就被科学推翻，宇宙没有真正的中心，地球只是太阳系中一颗普通行星，故A错误； B．宇宙是有层次的天体结构系统，从行星系统、恒星系、星系到星系团，存在明确的层级结构，故B错误； C．托勒密发展了“地心说”，核心观点就是地球居于宇宙中心，太阳和其他天体都围绕地球转动，表述符合史实，故C正确； D．宇宙中所有天体都在不停地运动，没有位置固定不变的恒星，太阳作为恒星也在围绕银河系中心运动，故D错误。 故选 C。 4．某同学在学习《地球太阳系》一节后，整理的知识结构如图所示。在有下划线的内容中，不正确的是（　　） A．（1）（3）（5） B．（2）（4）（6） C．（1）（4）（5） D．（2）（4）（5） 【答案】B 【详解】恒星是由炽热气体组成，能自己发光的天体，比如太阳。行星是在椭圆轨道上环绕恒星运行的、近似球状的天体。卫星是环绕一颗行星按闭合轨道做周期性运行的天然天体或人造天体。所以，太阳是恒星，火星、土星、地球和海王星是行星，月球是地球的卫星；综上，知识结构图中不正确的是（2）（4）（6）。 故选B。 5．（25-26八年级下·江苏徐州·期末）在人类探索宇宙的认知发展历程中，古罗马天文学家托勒密提出___________说，认为地球静止不动，处在宇宙中心；波兰天文学家哥白尼提出___________说，认为太阳是宇宙的中心；天文学中计量天体之间遥远的距离，常用___________作为长度单位。 【答案】 地心 日心 光年 【详解】古罗马天文学家托勒密提出地心说，该学说的核心观点为地球静止不动，处在宇宙中心，其他天体围绕地球运转； 波兰天文学家哥白尼提出日心说，该学说推翻了地心说的观点，认为太阳是宇宙的中心，地球等行星围绕太阳运动； 天体之间的距离极其遥远，因此天文学中常用光年作为长度单位，其物理意义是光在真空中一年内传播的距离。 6．从古至今，人们一直在观察着、探索着，从而构建出自己心目中想象的宇宙图景。中国古人很早就依靠肉眼观察太空，以此认识宇宙。古罗马天文学家托勒密提出了“______”，他认为地球位于宇宙的______，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着______旋转，恒星都镶嵌在最外边的天球上。后来，波兰天文学家哥白尼通过长期的观察和研究，向影响人们长达千年的“地心说”提出了挑战，他提出了“______”。 【答案】 地心说 中心 地球 日心说 【详解】[1][2][3][4]托勒密是古希腊著名的天文学家，他在其著作《天文学大成》中系统地阐述了地心说的观点。这一理论主张地球不动，位于宇宙中心，而太阳、月亮和行星都在不同的轨道上环绕地球旋转。这一学说在当时被广泛接受并影响了中世纪的天文学发展，直到十六世纪哥白尼提出日心说之后，地心说才逐渐被取代。 素养提升 7．关于宇宙起源，根据大多数宇宙科学家的认定，你认为下列说法中正确的（　　） ①宇宙诞生于距今约137亿年的一次大爆炸 ②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间 ③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀温度则相应下降 ④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等 A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④ 【答案】D 【详解】关于宇宙的起源，人类提出了很多种解释，其中被人普遍接受的为宇宙大爆炸理论，该理论认为： ①宇宙起源于“原始火球”，距今约137亿年的一次“原始火球”发生了大爆炸，故①正确； ②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间，故②正确； ③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀，温度则相应下降，故③正确； ④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等，故④正确。 故选D。 8．（2024·安徽滁州·二模）黑洞是宇宙中一种神秘的天体，很多黑洞都具有极其强大的引力，连它周围的恒星也不得不绕着它运动，就像人造地球卫星绕着地球运动一样。科学家对某颗恒星进行了长期观测，发现它每隔一年的位置如图所示，其运动轨迹是一个椭圆，从而推测该恒星附近有一个黑洞。忽略恒星质量的变化，则下列说法中正确的是（　　） A．该恒星1995年时的动能大于2001年时的动能 B．该恒星1995年时的势能小于2001年时的势能 C．黑洞在椭圆形轨迹内部D点的位置 D．黑洞在椭圆形轨迹内部A点的位置 【答案】C 【详解】从图片中可以看出，在相同的一年时间内，该恒星在靠近D点的附近位置运动时速度越来越快，恒星在椭圆轨道上运动时，恒星质量不变，离黑洞越近，其速度会越快，速度越快，动能越大。在椭圆轨道上，且该恒星1995年时的速度小于2001年时的速度，而宇宙为真空，恒星运动时机械能守恒，故该恒星从1995年到2001年运动时，动能增大，而重力势能减小，是将重力势能转化为动能，因此该恒星1995年时的势能大于2001年时的势能，故可以推断D点更靠近黑洞，因此可以推断黑洞在椭圆形轨迹内部D点的位置，故ABD错误，C正确。 故选C。 9．人造卫星在轨运行时必须要超过一定的速度才能挣脱______的束缚，成为绕太阳运动的人造行星，这个速度叫______宇宙速度，其大小应等于______km/s。 【答案】 地球引力 第二 11.2 【详解】[1][2][3]第二宇宙速度是指物体达到11.2km/s的运动速度时，能摆脱地球引力束缚的一种速度，在摆脱地球引力束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行，脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。 迁移创新 10．在地球上发射飞行器的三个宇宙速度的示意图如如图所示。下列说法错误的是（　　） A．是第一宇宙速度，它是飞行器在地球周围空间绕地球飞行的最小速度 B．是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球 C．是第三宇宙速度，发射速度大于第三宇宙速度的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外 D．当发射速度在7.9km/s与11.2km/s之间时，飞行器将绕地球在更高轨道上做圆周运动 【答案】D 【详解】A．7.9km/s是第一宇宙速度，又称为环绕速度，是绕地球做圆周运动的最小环绕速度，故A正确，不符合题意； B．11.2km/s是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球，而进入绕太阳运行的轨道，故B正确，不符合题意； C．16.7km/s是第三宇宙速度，以该速度发射的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外，故C正确，不符合题意； D．当发射速度介于v=7.9km/s与v=11.2km/s之间时，飞行器将绕地球做椭圆运动，故D错误，符合题意。 故选D。 11．（25-26八年级下·北京延庆·期末）阅读《宇宙的起源与演化》，并回答问题。 宇宙的起源与演化 现在大多数科学家都认为，我们所在的宇宙起源于一次大爆炸，并且正在不断地膨胀。 1929年，哈勃仅用23个星系的观测资料，做出了下面的退行速度与距离关系图。由此得出哈勃定律：河外星系远离我们的速度与它到我们的距离成正比，这条规律被称为哈勃定律，其数学表达式为，式中称为哈勃常数。哈勃定律的发现，有力支持了宇宙大爆炸学说。 根据传统的广义相对论与经典宇宙模型，引力应该减缓宇宙的膨胀。然而，1998年，天文学家在观测遥远的Ia型超新星（宇宙中的白矮星所产生的一种特殊爆发）时惊讶地发现，宇宙并非如人们此前所设想的那样减速膨胀，而是在加速膨胀。这一发现震惊了科学界。科学家们推测，一种未知的神秘力量推动宇宙加速膨胀。它约占整个宇宙总能量的68%，人们称这种力量为“暗能量”。 作为宇宙膨胀的“幕后力量”，暗能量可以说是现代宇宙学最神秘的谜团之一。许多观测项目，比如大型国际合作项目暗能量光谱仪巡天（DESI）、暗能量巡天（DES）等，都致力于更精确地测量宇宙膨胀历史，从而解密暗能量。 物理学家提出了一个数学方程来描述暗能量的性质，这就是暗能量的状态方程。传统的标准宇宙学模型（ACDM）认为，暗能量是一种恒定不变的真空能量。2025年，由中国科学院国家天文台领导的一项DESI项目首次明确探测到，宇宙中的暗能量的状态方程随着宇宙演化而变化。该结果挑战了传统的宇宙学常数理论，意味着暗能量可能并非简单的恒定真空能量，而具备动力学演化的特性。这一研究成果为探索暗能量的本质提供了重要线索，也为建立更加全面的宇宙学理论奠定了基础。尽管如此，暗能量的具体性质与来源仍是谜题。相信随着未来更深入的理论与观测研究，科学家们能进一步揭开其神秘面纱，为我们展现更加清晰完整的宇宙图景。 根据上述材料，回答下列问题： (1)中国科学院国家天文台观测表明，宇宙中的暗能量的状态方程随着________，而变化。 (2)从运动和相互作用的角度看，暗能量在宇宙膨胀中起到________（选填“引力”或“斥力”）作用。 (3)在大爆炸模型中，假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），类比速度或密度公式，由哈勃定律可以得到星系退行的时间（宇宙哈勃年龄）为________，人类可观测的宇宙半径（哈勃半径）为________。（已知光速为） 【答案】(1)宇宙演化 (2)斥力 (3) 【详解】（1）本题可直接从材料提取对应信息，材料明确说明“2025年，由中国科学院国家天文台领导的一项DESI项目首次明确探测到，宇宙中的暗能量的状态方程随着宇宙演化而变化”，因此该空填宇宙演化。 （2）根据原文，传统观点中引力会减缓宇宙膨胀，而暗能量推动宇宙加速膨胀，说明暗能量使星系相互远离，因此从运动和相互作用的角度，暗能量起到斥力作用。 （3）假设宇宙匀速膨胀，根据匀速运动公式，时间满足 ，结合哈勃定律，将代入时间公式后约去，可得 即宇宙哈勃年龄为。人类可观测的哈勃半径对应退行速度等于光速时的距离，将代入哈勃定律，变形可得，即哈勃半径为。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第五章 宇宙和粒子 第1节 认识宇宙 课标要点 1. 了解人类探索太阳系及宇宙的历程。 2. 知道人类对宇宙的探索将不断深入。 3. 关注人类探索宇宙的一些重大活动。 学习重难点 重点：了解人类对宇宙的认识过程和宇宙的尺度结构层次。 难点：宇宙大爆炸说和黑洞。 知识点 人类对宇宙的认识 1．我国古代对宇宙的认识： 我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“上下四方日宇往古今来曰审”，字指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。古人通过对日月星辰的观察，认为地球是平的，日月星辰在大气中运行，上方扣着巨大的圆形穹顶。天圆地方的“盖天说”，闪烁着中国古人的理性之光，为科学认识宇宙奠定了思想基础。 2．世界其它文明对宇宙的认识： 世界其他文明也涌现出大批研究宁宙的先行者，他们在人类认识宇宙的过程中作出了卓越的贡献。16世纪，天文学家 用“日心说”推翻了影响人类一千多年的“地心说”，有力地推动了人类文明的进程。 3．牛顿和爱因斯坦对宇宙的探索： （1） 在前人观到和实验的基础上，开创了经典力学。他的万有引力理论开辟了以力学方法研究宇宙的途径，从此天文学和宇宙学步人了科学发展阶段。 （2）1915年， 提出广义相对论，并在两年之后将广义相对论应用于整个宇宙，标志着现代宇宙学的诞生。至今，人们对宇宙的探索和认识仍在不断走向深入。 随学随练 1．（25-26八年级下·山东临沂·期末）从“神舟”到“天宫”，从“嫦娥”到“天问”，我国一代代科学家为探索宇宙付出了巨大的努力。下列对宇宙认识正确的是（　　 ） A．太阳是宇宙的中心 B．宇宙的大小是固定的，不再改变 C．宇宙是一个有层次的天体结构系统 D．太阳系和银河系是宇宙中两大并列的星系 2．在下列各天体中，离太阳最远的类地行星是 （　　） A．水星 B．金星 C．海王星 D．火星 3．（25-26八年级上·山东济宁·阶段检测）下列物理学家与其贡献对应正确的是（    ） A．哥白尼——“地心说” B．爱因斯坦——发明望远镜 C．牛顿——万有引力 D．伽利略——“日心说” 知识点 宇宙的尺度 在人类目前能够观测到的范圈内，科学家发现，宁宙由近及远可分为 、 、 、 、 。 （1） 太阳系：是我们较熟悉的天体系统，太阳位于这个系统的中心距离太阳由近及远依次是水星、金星地球、火星、木星、土星、天王星和海王星这八大行星，它们总共携带了200多颗天然卫星。除此之外，太阳系还有数量众多的小行星、彗星等,围绕太阳不停地运转。 （2）银河系：银河系是一个由大量星体构成的庞大天体系统，太阳系就位于其中。太阳只是银河系中一颗普通的恒星，银河系中有1000亿颗以上的恒层。银河系直径约10万光年，最大厚度约1万光年。 银河系也只是字宙空间中一个非常普通的星系，银河系之外还有数以千亿计的类似星系，统称为河外星系。 （2） 星系团：许多星系还形成更大的星系团(或称星系群)。无数的星系团组成总星系。 （4）人类对宇宙的观察： 是最早使用自制的天文望远镜来观察宇宙的人。随着科技的发展，人类对宇宙的观测手段从光学望远镜发展到射电望远镜，观测能力来越强，插捉到的天体信息也越来越多。目前，望远镜已能观察到距离地球至少130亿光年的天体。 中国天眼：2016年，我国建戏的世界最大的500米口经球面射电报远镜(简称EAST)，被誉为“中国天眼”，它是引力波探测、航天器导航等前沿研究的理想工只，能够在无线电波段搜索来自百亿光年之外的微弱信号，极大拓展了人类观察宇宙的极限。 随学随练 1．（24-25九年级下·全国·课后作业）我国自古就有很多关于宇宙的思考和对其结构的认识。“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，宇指的是空间，宙指的是时间，宇宙即时空。若我们有一天乘坐宇宙飞船从地球出发去探索宇宙，将先后飞离（　　） A．地月系、太阳系、银河系 B．银河系、太阳系、地月系 C．太阳系、银河系、地月系 D．银河系、地月系、太阳系 2．（25-26八年级下·全国·周测）经典力学和实验物理学的先驱伽利略率先用___________观察天空，由此得到的关于天体运行的结果，有力地支持了哥白尼的“___________说”。 知识点 现代宇宙模型 1.观察与实验：观察气球膨胀 （1）实验方法：准备一只气球，在其表而画一些小圆点，用打气筒给气球充气。据球你在充气过程中观察到的现象，此现象给你什么启发? （2）实验现象：在气球胀大过程中，对气球表面上任何一个小圆点而言，其他的小圆点都在 。 （3）分析论证：该实验用气球代表 ，小圆点代表宇宙中的 ，该实验模拟星系之间的距离在不断增大。 结论：星系在膨胀的宇宙中就好比气球表面的小圆点，在宇宙膨胀的过程中， 。 2.宇宙大爆炸说： 当今世界对宇宙起源问题的研究中，占据主流地位的是 学说。1929年，天文学家哈勃在观测河外星系的过程中，发现所有河外星系都在离我们远去，而且距离我们越远的星系，其逃离速度越大，说明宇宙在膨胀。以此观点为基础，1948年，科学家提出宇宙产生于一次“大爆炸”，即“大爆炸字宙模型”。虽然目前观测到的一些现象支持“大爆炸宇宙模型”，但是也有很多观测现象无法用此模型给出合理的解释。 3.“黑洞”： 宇宙中的天体都在不断地运动变化者，科学家研究发现，大质量恒星在衰亡的过程中会发生塌缩,塌缩后留下的物质会变成一种天体,它产生的引力能吸引附近的所有物质，连光都无法逃脱。这样的天体叫作 。 随学随练 1．为了形象地说明宇宙大爆炸，课本上将一个黏有小金属粒的气球看成宇宙，看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒都在离它远去。这里运用的是主要一种思维方法___________（等效法/类比法/转换法）。 2．（25-26八年级上·北京平谷·期末）阅读《宇宙大爆炸》，回答下列小题。 宇宙大爆炸 宇宙由何而来？是困扰着现代物理学和天文学的一个难题。1946年，有科学家提出，宇宙起源于大约137亿年以前的一次大爆炸。大爆炸理论是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙在不断地膨胀，使物质从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸，但是科学家一直没有找到支持大爆炸理论的直接证据。 后来，科学家注意到，从我们所处的银河系观察，银河系外的星系（即河外星系）发出的光，绝大部分颜色会偏“红”，个别也有几个颜色偏“蓝”，分别称为“红移”和“蓝移”。理论分析表明，发生红移的河外星系，表示它在远离我们。蓝移则表示相应的星系在靠近我们。我们（银河系）之外的其他星系群和星系团中的星系几乎都表现出红移，而且离我们越远的星系，红移量越大。这似乎表明，绝大多数星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，远离越快。天文学家通过反复观测，得出一条规律：河外星系远离我们的速度与它到我们的距离成正比，这条规律被称为哈勃定律，其数学表达式为，式中称为哈勃常数。哈勃定律的发现，有力支持了宇宙大爆炸学说。 根据上述材料，回答下列问题： (1)如果我们看到某个星系发出的光的颜色偏“红”，说明这个星系正在______我们。 (2)类比得出速度、密度单位的方法，可推理得出哈勃常数的单位是（　　） A．米（） B．秒（） C．（） D．（） (3)若距离我们约33亿光年的“长蛇Ⅱ星系团”远离我们的速度约为，则距离我们约22亿光年的“牧夫座星系团”，远离我们的速度约为______。 题型 认识宇宙 1. 【宇宙即时空】“上下四方曰宇，往古来今曰宙”——宇指空间，宙指时间。 2. 【盖天说】我国古代认为地球是平的、上方扣着巨大圆形穹顶，为科学认识宇宙奠定思想基础。 3. 【日心说】16 世纪哥白尼提出，推翻影响人类一千多年的“地心说”。 4. 【牛顿】开创经典力学，万有引力理论开辟以力学方法研究宇宙的途径。 5. 【爱因斯坦】1915 年提出广义相对论，两年后应用于整个宇宙，标志现代宇宙学诞生。 6. 【宇宙尺度】由近及远：太阳系→银河系→河外星系→星系团→总星系。 活学活用 1．我国计划建设一台最终口径达8m的EAST通用光学望远镜，建成后它将是世界的“东方之眼”。利用EAST通用光学望远镜可研究宇宙中的物体。下列物体中，空间尺度最大的是（　　） A．银河系 B．太阳系 C．土星 D．月球 2．（2025八年级下·全国·专题练习）随着科技的进步，霍金提出的黑洞理论和宇宙无边界的设想正逐步得到证实。如图，a、b、c、d四点分别表示处女座、大熊座、牧夫座和长蛇座四大星系离银河系的距离s与它们的退行速度v之间的关系。若在我们所在的星系1观测，下列选项能类比宇宙膨胀的是（箭头方向和长短分别表示运动方向和快慢）（　　） A． B． C． D． 3．火星与地球邻近且环境最为相似。火星的直径约为地球一半，自转轴倾角、自转方向、自转周期均与地球相近，其公转一周的时间约为地球公转一周时间的两倍。火星地表沙丘、砾石遍布。下列推测正确的是（　　） A．火星上有四季变化 B．火星的一天比地球的一天约长一倍 C．在火星上不能看到太阳东升西落 D．火星表层的成分与地球上土壤成分相似 基础通关 1．如图所示，创立万有引力理论，使人们第一次科学认识神秘天体运动的科学家是（　　） A．  鲁斯卡 B．  哈勃 C．  罗雷尔 D．  牛顿 2．天问一号在距火星约220万千米处传回首幅火星图像，火星属于（　　） A．行星 B．恒星 C．卫星 D．彗星 3．（25-26八年级下·全国·课后作业）人类从未停止对宇宙的探索，下列说法中正确的是（     ） A．宇宙中天体在不停地运动，其中地球是宇宙真正的中心 B．我们认识到，宇宙是一个没有层次的天体结构系统 C．托勒密发展了“地心说”，认为地球居于中心，太阳和其他行星围绕地球转动 D．太阳是银河系中数以亿计的恒星中的一颗普通恒星，恒星的位置是固定不变的 4．某同学在学习《地球太阳系》一节后，整理的知识结构如图所示。在有下划线的内容中，不正确的是（　　） A．（1）（3）（5） B．（2）（4）（6） C．（1）（4）（5） D．（2）（4）（5） 5．（25-26八年级下·江苏徐州·期末）在人类探索宇宙的认知发展历程中，古罗马天文学家托勒密提出___________说，认为地球静止不动，处在宇宙中心；波兰天文学家哥白尼提出___________说，认为太阳是宇宙的中心；天文学中计量天体之间遥远的距离，常用___________作为长度单位。 6．从古至今，人们一直在观察着、探索着，从而构建出自己心目中想象的宇宙图景。中国古人很早就依靠肉眼观察太空，以此认识宇宙。古罗马天文学家托勒密提出了“______”，他认为地球位于宇宙的______，月球、水星、金星、太阳及其他行星都绕着______旋转，恒星都镶嵌在最外边的天球上。后来，波兰天文学家哥白尼通过长期的观察和研究，向影响人们长达千年的“地心说”提出了挑战，他提出了“______”。 素养提升 7．关于宇宙起源，根据大多数宇宙科学家的认定，你认为下列说法中正确的（　　） ①宇宙诞生于距今约137亿年的一次大爆炸 ②大爆炸是整体的，涉及宇宙的全部物质及时间、空间 ③大爆炸导致宇宙空间处处膨胀温度则相应下降 ④宇宙温度下降至一定程度，逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等 A．①②③ B．①③④ C．②④ D．①②③④ 8．（2024·安徽滁州·二模）黑洞是宇宙中一种神秘的天体，很多黑洞都具有极其强大的引力，连它周围的恒星也不得不绕着它运动，就像人造地球卫星绕着地球运动一样。科学家对某颗恒星进行了长期观测，发现它每隔一年的位置如图所示，其运动轨迹是一个椭圆，从而推测该恒星附近有一个黑洞。忽略恒星质量的变化，则下列说法中正确的是（　　） A．该恒星1995年时的动能大于2001年时的动能 B．该恒星1995年时的势能小于2001年时的势能 C．黑洞在椭圆形轨迹内部D点的位置 D．黑洞在椭圆形轨迹内部A点的位置 9．人造卫星在轨运行时必须要超过一定的速度才能挣脱______的束缚，成为绕太阳运动的人造行星，这个速度叫______宇宙速度，其大小应等于______km/s。 迁移创新 10．在地球上发射飞行器的三个宇宙速度的示意图如如图所示。下列说法错误的是（　　） A．是第一宇宙速度，它是飞行器在地球周围空间绕地球飞行的最小速度 B．是第二宇宙速度，发射速度大于第二宇宙速度的飞行器可以克服地球引力离开地球 C．是第三宇宙速度，发射速度大于第三宇宙速度的飞行器可以挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系外 D．当发射速度在7.9km/s与11.2km/s之间时，飞行器将绕地球在更高轨道上做圆周运动 11．（25-26八年级下·北京延庆·期末）阅读《宇宙的起源与演化》，并回答问题。 宇宙的起源与演化 现在大多数科学家都认为，我们所在的宇宙起源于一次大爆炸，并且正在不断地膨胀。 1929年，哈勃仅用23个星系的观测资料，做出了下面的退行速度与距离关系图。由此得出哈勃定律：河外星系远离我们的速度与它到我们的距离成正比，这条规律被称为哈勃定律，其数学表达式为，式中称为哈勃常数。哈勃定律的发现，有力支持了宇宙大爆炸学说。 根据传统的广义相对论与经典宇宙模型，引力应该减缓宇宙的膨胀。然而，1998年，天文学家在观测遥远的Ia型超新星（宇宙中的白矮星所产生的一种特殊爆发）时惊讶地发现，宇宙并非如人们此前所设想的那样减速膨胀，而是在加速膨胀。这一发现震惊了科学界。科学家们推测，一种未知的神秘力量推动宇宙加速膨胀。它约占整个宇宙总能量的68%，人们称这种力量为“暗能量”。 作为宇宙膨胀的“幕后力量”，暗能量可以说是现代宇宙学最神秘的谜团之一。许多观测项目，比如大型国际合作项目暗能量光谱仪巡天（DESI）、暗能量巡天（DES）等，都致力于更精确地测量宇宙膨胀历史，从而解密暗能量。 物理学家提出了一个数学方程来描述暗能量的性质，这就是暗能量的状态方程。传统的标准宇宙学模型（ACDM）认为，暗能量是一种恒定不变的真空能量。2025年，由中国科学院国家天文台领导的一项DESI项目首次明确探测到，宇宙中的暗能量的状态方程随着宇宙演化而变化。该结果挑战了传统的宇宙学常数理论，意味着暗能量可能并非简单的恒定真空能量，而具备动力学演化的特性。这一研究成果为探索暗能量的本质提供了重要线索，也为建立更加全面的宇宙学理论奠定了基础。尽管如此，暗能量的具体性质与来源仍是谜题。相信随着未来更深入的理论与观测研究，科学家们能进一步揭开其神秘面纱，为我们展现更加清晰完整的宇宙图景。 根据上述材料，回答下列问题： (1)中国科学院国家天文台观测表明，宇宙中的暗能量的状态方程随着________，而变化。 (2)从运动和相互作用的角度看，暗能量在宇宙膨胀中起到________（选填“引力”或“斥力”）作用。 (3)在大爆炸模型中，假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化），类比速度或密度公式，由哈勃定律可以得到星系退行的时间（宇宙哈勃年龄）为________，人类可观测的宇宙半径（哈勃半径）为________。（已知光速为） 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $