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2020-2021学年高中物理 第5章 科学进步无止境 第3节 探索宇宙的奥秘教案 鲁科版必修第二册

2020-2021学年高中物理 第5章 科学进步无止境 第3节 探索宇宙的奥秘教案 鲁科版必修第二册

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姓名：

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第3节 探索宇宙的奥秘

本节分别设置了“宇宙的起源 ”“宇宙的演化 ”和对宇宙“永不停息的探索 ”三部分内容，
以科普的形式介绍了人类对宇宙研究的过去和现状。在本节的“科学书屋 ”栏目中，分别介绍了英
国科学家霍金身残志坚、勇敢面对病痛的精神以及致力于天体物理研究的事迹和建造“中国天眼 ”
的首席科学家兼工程师南仁东先生献身科学的感人事迹，旨在让学生了解人类对自然（包括宇宙）
的探索从未停止，让学生初步形成关注宇宙起源、宇宙演化研究进展的意识，激发学生热爱科学、
投身科学研究的热情，增强民族自信心和自豪感，形成探索自然、造福人类的意识。

物理观念：关注宇宙的起源和演化的研究进程，了解什么是科学探究和科学思维。
科学思维：初步了解宇宙中包含什么，知道创新对科学进步的重要意义。
科学探究：了解宇宙起源和演化有关的信息；能用收集的信息说明高速世界的一些特点以及典型恒星的演化过程。
科学态度与责任：人类对自然的探索永无止境；具有探索自然、造福人类的志趣，有关注宇宙起源与演化研究进展的意愿；能体会科学·技术·社会存在相互联系，需要协调发展。

1、 教学重点：了解从古至今人类对宇宙不断探索的历史，并指出这种探索不会停止。
2、 教学难点：关注宇宙的起源和演化的研究进程。

多媒体课件、视频片段

【新课导入】
人类第一次将目光投向太空时，就想知道这浩瀚无垠的宇宙从哪里来，又将去向何处。本节我们将一起探索宇宙起源和演化的奥秘。 观看视频人类探索太空之路。
【新课内容】
一. 宇宙的起源
自古以来，人们通过对日月星辰及周围事物的观察，设想着宇宙的模样。
1. 古人对宇宙的认识
我国有古人认为大地是平的，日月星辰在天空中运行，其上方扣着穹顶。

中国古人的宇宙观：浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小，天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。”

在古希腊，德谟克利特提出了“天体演化说”，即在原子碰撞等原因形成的原始旋涡运动中，较大的原子被赶到旋涡的中心相互聚集形成地球，较小的原子被赶到外围环绕地球做旋转运动，变得干燥后燃烧，形成各个天体。德国哲学家康德则提出了“星云假说”， 用引力和斥力的观点描述天体的形成和运动。

2.大爆炸宇宙模型
1929 年，哈勃（E. Hubble，1889—1953）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。

哈勃的惊人发现：
发现1、所有的星系都在远离我们而去。
发现2、星系离我们越远，运动的速度越快；
发现3、星系间的距离在不断地扩大
美国科学家伽莫夫（G.Gamow，1904-1968）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，认为宇宙从图5一个温度无限高、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。

大爆炸宇宙产生示意图：

大爆炸理论主要观点：大约150亿年前，我们所处的宇宙全部以粒子的形式、极高的温度、极大的密度，被挤压在一个“原始火球” 中。
大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。
大胆猜测：宇宙的将来：永远膨胀下去，不断地扩大，我们将看到所有星系的星球老化、死亡，剩下我们孤零零的，在一片黑暗当中。 或者会塌缩而在大挤压处终结。
二.宇宙的演化
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，最终坍缩；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。

1998年，科学家索尔·珀尔马特（S.Perlmutter）、布莱恩·施密特（B.Schmidt）和亚当·里斯（A.Riess）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，因而获得2011年诺贝尔物理学奖。
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。

三．不停息的探索
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。

射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。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。

2016年，我国落成启用的世界上最大单口径、最灵敏、具有我国自主知识产权的射电望远镜，是人类探索宇宙深处奥秘的神奇“眼睛” —“中国天眼”。

“中国天眼”的首席科学家兼总工程师南仁东（1945-2017），为选择最佳台址，带着300多幅卫星遥感图，跋涉在中国西南的大山里，先后对比了1000多个洼地。工程建设中，他克服了技术、资金等重重困难，为工程的顺利完成作出了卓越的贡献。他用人生最后的22年，精益求精、坚毅执着地实现了一个梦想，用生命铸就了世人瞩目的“中国天眼”。

引力波开启了探索宇宙的新窗口，它可让我们倾听宇宙，了解宇宙。 1916 年，爱因斯坦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。由于产生引力波的天体离我们过于遥远，引力波到达地球时就变得极其微弱。

2015年，人类首次直接探测到引力波的存在。这是由两个黑洞合并为一个更大黑洞时产 生的持续不 到 1 s 的引力波信号被激光干涉引力波天文台的两个探测器以7ms的时间差先后捕捉到。之后，人类多次探测到引力波，但信号皆产生于双黑洞合并。

雷纳·韦斯（R. Weiss）、巴里·巴里什（B. Barish）和基普·索恩（K. Thorne）这三位科学家因对 LIGO 探测器和引力波探测的重大贡献而获得 2017 年诺贝尔物理学奖。

宇宙茫茫无际，人类的探索将永不停歇。人类这一大自然的精灵，定会把视野扩至宇宙的更深处。