《天体物理》校本课程教材

天体物理

校本课程新编教材

目录

第0部分绪言 (4)

一、天体物理概况 (4)

二、课程纲要 (6)

第一部分辐射基本知识 (7)

第一讲电磁辐射 (7)

第二讲黑体辐射 (9)

第二部分谱线图 (12)

第一讲电磁波谱 (12)

第二讲谱线位移............................................... 错误!未定义书签。第三部分恒星 . (16)

第一讲恒星的距离和大小 (16)

第二讲恒星的自行 (18)

第三讲恒星大小的测定 (19)

第四讲恒星的星等 (20)

第五讲恒星的光谱 (23)

第四部分赫罗图 .................................................. 错误!未定义书签。

第一讲赫罗图 .................................................. 错误!未定义书签。第五部分 Yerkes光谱分类.. (28)

第一讲 Yerkes光谱分类 (28)

第六部分双星和恒星 (29)

第一讲双星和恒星的质量 (29)

第七部分望远镜 (33)

第一讲天文望远镜 (33)

第二讲哈勃望远镜 (37)

第三讲望远镜接收设备 (38)

第四讲射电干涉仪 (40)

第五讲红外望远镜 (41)

第六讲紫外望远镜 (42)

第0部分绪言

一、天体物理概况

天体物理学是物理学和天文学的一个分支。它研究天空物体的性质及它们的相互作用。天空物体包括星，星系，行星，外部行星，宇宙的整体。

物理用全部电磁谱作为手段研究发光性质。并研究天体的密度和温度及化学成分等。天体物理研究的范围很广，要应用许多物理原理，包括:力学，电磁学，统计力学，热力学和量子力学，相对论，核和核子物理，原子和分子物理。

天体物理分为二大部分:观察天体物理和理论天体物理。观察天体物理使用电磁谱作为天体物理的观察手段。

无线电天文学:用波长大过几毫米的电磁波研究辐射。例如:无线电波一般由星际间的气体和尘云发出;宇宙微波辐射由大爆炸产生;脉冲星的光发生红移，这些观察都要求十分大的无线电望远镜。

红外天文学:用红外光研究辐射。通常用类似光学显微镜作红外观察。

光学天文学是最古老的天文学。最常用的仪器是配上电荷耦合器或谱仪的望远镜。大气对光学观察有些干扰，用改型光学和空间望远镜以得到最大可能清晰的图像。在此波段内，可观察到星体;也可观察到化学谱去分析星，星系和星云的化学成份。

紫外，X-射线和伽玛射线天文学:研究能量高的的天体，如双脉冲星，黑洞及其它这类辐射不易进入大气层。可用二种方法观察这类电磁谱:空间为基地的望远镜和以地为基地的切伦科夫空气望远镜。

除电磁辐射外在地球能观察很少从远距离辐射来的物体信息。已建立了一些重力波观察，但很难观察重力波。也建立了中微子观察。已初步研究了太阳的情况。也已观察到有高能的宇宙射线粒子冲击地球大气层。

可在不同时标观察，大多光学观察在分到小时内。变化快过这段时间的则看不到。但历史显示一些物体在世纪和千年内变化。另一方面，无线电观察可在毫秒内(毫秒脉冲星)或成年长(脉冲星减速研究)。不同时标所得到的信息也不同。

在天体研究中，研究太阳有便利之处。因为它比其它星的距离近。可用不同方法观察，了解较多。因此，从太阳所得的数据，可做为了解其它星的先导。

星如何变化，恒星如何演化的项目是常把各种星放在赫罗图(Hertzsprung-Russell)中模型化。在这图中可看到代表星体的状态(从生成到灭亡)。天体的材量成份，常用(1)光谱。(2)无线电天文学。(3)中微子天文学进行分析。

理论天体物理理论天体物理使用一些手段:包括分析模型化和计算机数字模拟。都各有自己的优点。分析模型化一般对不深入星体内部时较有利。数字模拟可指示存在的现象和尚未看到的效应。

理论天体物理努力去建造理论的模型和勾画出这些模型的结果。这有助于帮助观察者寻找驳倒模型的数据，或选择模型。

理论也企图用新数据去建造新模型或更正模型。在不一致情况下，一般是对模型做最少修改去适合数据。一段时间内大量不一致的数据会导致放弃模型。

理论天体物理研究的项目包括:星体动力学和演化;星系的形成;磁流体动力学;宇宙间大尺寸物质结构;宇宙射线的起源;广义相对论和物理宇宙学;包括弦(string)宇宙学和天体粒子物理。

天体物理中较广泛接受的理论和模型包括:Lambda CDM 大爆炸模型，宇宙膨胀论，暗物质，暗能量和物理的基本理论。虫洞(Wormholes)是还待求证的理论例子。

历史天体物理学主要利用古代历史记录、古温及古地质还原天体状态，用于古生物学、地质学、考古学及部分天体物理学说的验证上，这门学科自2011年来逐渐成为天体物理当中一门重要的学科，有相当程度的实用性。

由于天体运动具有不可逆算性，天体撞击会导致原有的轨道痕迹完全消失而无法进行逆计算，天体状态的还原精确度通常只能回算到一定的年代为止，年代较久远的逆运算只能透过古温粗略计算地球轨道位置，用于估计地质年代当中的古温及轨道影响。

考古学方面，在全新世以内的天文年代学几年来成为相当重要的参考，使用于计算古代气候变化对于社会发展的影响帮助非常的大。例如，古代大洪水的考证问题上，天文年代学及地质学成为最重要的参考依据。

二、课程纲要

基本项目

课程名称：《天体物理》

课程类型：科学素养类

授课老师：林明

授课对象：高二年级学生

教学材料：结合资料、教材自编，影像资料

授课时间：2020年5月-2020年7月

课程标准

1.认识宇宙的天体知识，增进对宇宙中未知的了解；

2.感悟宇宙的魅力，增强对宇宙的探索诉求。

课程内容

第一部分：辐射基本知识

第二部分：谱线图

第三部分：恒星

第四部分：赫罗图

第五部分：Yerkes光谱分类

第六部分：双星和恒星的质量

第七部分：望远镜

课程实施建议

本课程在高二年级开设，在一个学期内完成，本课程由18课时构成。通过学生通过观看相关宇宙天体影像资料，引导学生收集相关资料，并在课堂上互相交流。

课程评价

评价指标1：学生自评与互评相结合，即上课出勤情况、课堂纪律情况、参与活动情况、团结协作情况；

评价指标2：平时上课表现情况与考查相结合；

评价指标3：教师综合评定给与相应等级；

评价等级均为：优、良、合格、不合格四个等级。