现代科学技术概论宇宙篇(宇宙的起源与演化)
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现代科学技术概论宇宙篇 教 案
宇宙的起源与演化
任课教师 教学单位 授课对象 课程总学时 基本教材
刘金寿 物理学院 05、06 级全校文科类学生 32 现代科学技术概论
二 OO 六 年 九 月
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大 连 大 学 教 案（略案模版）
第 3 章 内容名称
宇宙的起源与演化
教学目标和基本要求 了解古今中外描述宇宙的模型，掌握银河系和宇宙膨胀的发现，了解大爆炸模型，理解 宇宙大爆炸的证据。 重点、难点分析 重点：银河系和宇宙膨胀的发现，宇宙大爆炸模型，重要的支持证据 难点：宇宙大爆炸模型 讲课提纲 一、人类对宇宙的认识 二、从太阳系到广阔的宇宙空间 三、发现宇宙膨胀 四、大爆炸模型的建立 五、支持大爆炸模型的证据 教学小结 教学方法 发现银河系 演示、诱导、知识联想 演示、诱导、知识联想 启发、讨论、知识联想 时间分配 0.5 课时 0.5 课时 0.5 课时 0.2 课时 0.3 课时 教学手段 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授
宇宙的起源与演化小结
1．古今中外描述宇宙的模型 盖天说：天似穹颅，陇盖四野 浑天说：天如鸡子，地如鸡子中黄 大象龟蛇说：海浮乌龟，龟负四象，象驮大陆，蟒蛇环绕 地心说：以地球为中心，依次排列月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星 等九重天” 日心说：较正确地反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、 牛顿建立经典力学体系铺平了道路。 2．从太阳系到广阔的恒星世界 1718 年，哈雷首次指出所谓恒星不动的观念是错误的 1837 年，斯特鲁维测定了织女星与太阳的距离为 165 万 AU，远远超出太阳系 1912 年，勒维特发现造父变星的光变周期同光度之间存在着确定的关系 1918 年，沙普利在前人观测的基础上，得出了“银河系是直径达 10 万光年的透镜形天 体系统”的正确结论 1924 年，哈勃发现了仙女座大星云是远在银河系外，类似银何系的巨大恒星系统 3．银河系的发现 （1） ．18 世纪中期，瑞典人斯维登堡（1688-1772） 、英国人赖特（1711-1786）推测大量 恒星组成的“银河”是一个相对完整的体系，而太阳系就位于这个形状像“磨盘”的银河平 面内，可能并不在银河系中央。 （2） ．弗里德里克·威廉·赫歇尔（1738-1822）和约翰·赫歇尔（1792-1871）父子，用 大量的系统观测事实有力地提出 “银河是一个星系” 的观点第一次为人类确定了银河系的盘 状旋臂结构，把人类的视野从太阳系伸展到 10 万光年之遥，树立了继哥白尼以后开拓宇宙 视野的第二个里程碑。 （3） ． 赫歇尔父子及老赫歇尔兄妹用望远镜， 探察了北半球 1083 个天区共计 11 万多颗星。 （4） ．小赫舍尔迁到南非好望角，共探测了地球南半球夜空 2299 个天区计 70 万颗星。 （5） ．沙普利在 1918 年得出了“银河系是一个透镜形庞大天体系统，其直径大约 10 万光 年，太阳处于离中心近 3 万光年的一条旋臂上” 的正确结论 4．现代宇宙学的诞生 1917 年，爱因斯坦从广义相对论得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。1922 年发现 宇宙不可能保持静态，但有限无界的说法却揭开了现代宇宙学研究的序幕。
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5．宇宙膨胀的发现 （1） ．多普勒效应，红移和紫移——发现众星系正在彼此远离的理论根据 （2） ．哈勃定律及宇宙的年龄 20 世纪前 20 年，斯里夫尔（V.Slipher）在劳威尔天文台发现多数星系的光谱有红移 现象。根据多普勒效应推算出星系正在退行的速度，发现了“绝大多数星系都在以不同的速 度远离我们而去”的现象。 1929 年，哈勃发现，在大尺度上由星系的光谱线红移量表征的退行速度 v 与它们离开 我们的距离 r 成正比——哈勃定律，其数学表式为 r v / H ，式中的常数 H 的倒数就是宇 宙的年龄，即 r r 1 。宇宙尺度大约 200 亿光年；宇宙年龄大约 110~Leabharlann Baidu80 亿年，通常 c H 叙述为 140 亿年。 6．宇宙大爆炸模型 1927 年，勒梅特最先提出宇宙最初是个致密的“宇宙蛋” ，它的爆炸产生了我们今天膨 胀着的宇宙。 1942 年，伽莫夫和阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想，经过计算把宇宙的膨胀与 物质的演化联系起来，描绘了一个惊世骇俗的“宇宙大爆炸模型” ，称为 ， ， 学说。 宇宙大爆炸的描述：起点—普郎克时代—大统一时代—强子时代—辐射时代……目前 7．支持大爆炸理论的证据 (1). 宇宙的年龄——测算出最古老的星系及恒星的年龄在 130 亿年左右，这一年龄与大 爆炸计算出来的宇宙年龄 140 亿年相符。 (2). 轻元素的丰度——大爆炸理论给出， 氦元素基本在大爆炸后几分钟宇宙温度是 109K 时，由质子的聚变形成的。这种反应产生的氢和氦质量的丰度比约为 75 比 25，这一比值被 一直保持下来。今天实测的氦丰度和这一理论值相符，是大爆炸理论令人信服的证据之一。 （3）.微波背景辐射——大爆炸理论预言，爆炸初期产生的光子在一百几十亿年之后依然 在太空中游弋，能量也在不断减小，大约相当于 3K 左右的微波背景辐射。这个预言在 1964 年被美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊所发现的，来自宇宙空间而强度与方向无关 的，波长为 7.35 厘米的微波背景辐射所证实，这是热大爆炸模型最令人信服的证据，在现 代宇宙学的地位不亚于对于宇宙膨胀的发现。 （4）.其他，如宇宙正在膨胀、三个佯谬等，也是支持热大爆炸理论的间接证据 8．支持宇宙有限说的三个佯谬 （1） ．光度佯谬 如果宇宙无限， 恒星大致均匀分布其间， 那么它们的发光总效果应该使天空的光度无限 大。考虑到天体之间互有遮蔽，天空的光度就应该是一个不变的常数，也就是说，白天、黑 夜一样明亮。而现实中的昼夜分明，只能说明“无限宇宙”的说法是有问题的。德国人奥伯 斯（1758—1840）对之作了系统的讨论，后人又称为“奥伯斯佯谬” 。这个问题只能说明“无 限宇宙”的说法是有问题的。 （2） ．引力佯谬 德国人西利格尔（1849—1924）指出，如果宇宙是无限的，那么它必然分布着无数的恒 星，根据万有引力定律，所有天体之间都具有这种引力作用，那么对于任何一个天体，在任 何方向上都会受到无限大的引力， 其总的效果将使每个天体直到宇宙中的一切， 都将被撕得 粉碎。可是，现实中的宇宙天体并非如此结局，这就从反面证实了“无限宇宙”是谬误的。 （3） ．热寂佯谬 奥地利物理学家克劳修斯（1822—1888）认为，无限宇宙的能量是守恒的，并且总是朝着 一个越来越无序的热力学方向转移，这个过程不可逆转。因此，宇宙越是发展，其变化能力 就越小，也就越接近无序状态。一旦达到某种程度，一切变化将会停止，便出现了“永恒的 死寂” 。这个容易引起世人恐怖的“热死说” ，在现代宇宙理论中才能得以澄清。 作业及讨论：见 PPT 教学课件或电子教案
宇宙的起源与演化
任课教师 教学单位 授课对象 课程总学时 基本教材
刘金寿 物理学院 05、06 级全校文科类学生 32 现代科学技术概论
二 OO 六 年 九 月
0
大 连 大 学 教 案（略案模版）
第 3 章 内容名称
宇宙的起源与演化
教学目标和基本要求 了解古今中外描述宇宙的模型，掌握银河系和宇宙膨胀的发现，了解大爆炸模型，理解 宇宙大爆炸的证据。 重点、难点分析 重点：银河系和宇宙膨胀的发现，宇宙大爆炸模型，重要的支持证据 难点：宇宙大爆炸模型 讲课提纲 一、人类对宇宙的认识 二、从太阳系到广阔的宇宙空间 三、发现宇宙膨胀 四、大爆炸模型的建立 五、支持大爆炸模型的证据 教学小结 教学方法 发现银河系 演示、诱导、知识联想 演示、诱导、知识联想 启发、讨论、知识联想 时间分配 0.5 课时 0.5 课时 0.5 课时 0.2 课时 0.3 课时 教学手段 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授 大屏幕讲授
宇宙的起源与演化小结
1．古今中外描述宇宙的模型 盖天说：天似穹颅，陇盖四野 浑天说：天如鸡子，地如鸡子中黄 大象龟蛇说：海浮乌龟，龟负四象，象驮大陆，蟒蛇环绕 地心说：以地球为中心，依次排列月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星 等九重天” 日心说：较正确地反映了太阳系的实际，为以后开普勒总结出行星运动定律，伽利略、 牛顿建立经典力学体系铺平了道路。 2．从太阳系到广阔的恒星世界 1718 年，哈雷首次指出所谓恒星不动的观念是错误的 1837 年，斯特鲁维测定了织女星与太阳的距离为 165 万 AU，远远超出太阳系 1912 年，勒维特发现造父变星的光变周期同光度之间存在着确定的关系 1918 年，沙普利在前人观测的基础上，得出了“银河系是直径达 10 万光年的透镜形天 体系统”的正确结论 1924 年，哈勃发现了仙女座大星云是远在银河系外，类似银何系的巨大恒星系统 3．银河系的发现 （1） ．18 世纪中期，瑞典人斯维登堡（1688-1772） 、英国人赖特（1711-1786）推测大量 恒星组成的“银河”是一个相对完整的体系，而太阳系就位于这个形状像“磨盘”的银河平 面内，可能并不在银河系中央。 （2） ．弗里德里克·威廉·赫歇尔（1738-1822）和约翰·赫歇尔（1792-1871）父子，用 大量的系统观测事实有力地提出 “银河是一个星系” 的观点第一次为人类确定了银河系的盘 状旋臂结构，把人类的视野从太阳系伸展到 10 万光年之遥，树立了继哥白尼以后开拓宇宙 视野的第二个里程碑。 （3） ． 赫歇尔父子及老赫歇尔兄妹用望远镜， 探察了北半球 1083 个天区共计 11 万多颗星。 （4） ．小赫舍尔迁到南非好望角，共探测了地球南半球夜空 2299 个天区计 70 万颗星。 （5） ．沙普利在 1918 年得出了“银河系是一个透镜形庞大天体系统，其直径大约 10 万光 年，太阳处于离中心近 3 万光年的一条旋臂上” 的正确结论 4．现代宇宙学的诞生 1917 年，爱因斯坦从广义相对论得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。1922 年发现 宇宙不可能保持静态，但有限无界的说法却揭开了现代宇宙学研究的序幕。
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5．宇宙膨胀的发现 （1） ．多普勒效应，红移和紫移——发现众星系正在彼此远离的理论根据 （2） ．哈勃定律及宇宙的年龄 20 世纪前 20 年，斯里夫尔（V.Slipher）在劳威尔天文台发现多数星系的光谱有红移 现象。根据多普勒效应推算出星系正在退行的速度，发现了“绝大多数星系都在以不同的速 度远离我们而去”的现象。 1929 年，哈勃发现，在大尺度上由星系的光谱线红移量表征的退行速度 v 与它们离开 我们的距离 r 成正比——哈勃定律，其数学表式为 r v / H ，式中的常数 H 的倒数就是宇 宙的年龄，即 r r 1 。宇宙尺度大约 200 亿光年；宇宙年龄大约 110~Leabharlann Baidu80 亿年，通常 c H 叙述为 140 亿年。 6．宇宙大爆炸模型 1927 年，勒梅特最先提出宇宙最初是个致密的“宇宙蛋” ，它的爆炸产生了我们今天膨 胀着的宇宙。 1942 年，伽莫夫和阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想，经过计算把宇宙的膨胀与 物质的演化联系起来，描绘了一个惊世骇俗的“宇宙大爆炸模型” ，称为 ， ， 学说。 宇宙大爆炸的描述：起点—普郎克时代—大统一时代—强子时代—辐射时代……目前 7．支持大爆炸理论的证据 (1). 宇宙的年龄——测算出最古老的星系及恒星的年龄在 130 亿年左右，这一年龄与大 爆炸计算出来的宇宙年龄 140 亿年相符。 (2). 轻元素的丰度——大爆炸理论给出， 氦元素基本在大爆炸后几分钟宇宙温度是 109K 时，由质子的聚变形成的。这种反应产生的氢和氦质量的丰度比约为 75 比 25，这一比值被 一直保持下来。今天实测的氦丰度和这一理论值相符，是大爆炸理论令人信服的证据之一。 （3）.微波背景辐射——大爆炸理论预言，爆炸初期产生的光子在一百几十亿年之后依然 在太空中游弋，能量也在不断减小，大约相当于 3K 左右的微波背景辐射。这个预言在 1964 年被美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊所发现的，来自宇宙空间而强度与方向无关 的，波长为 7.35 厘米的微波背景辐射所证实，这是热大爆炸模型最令人信服的证据，在现 代宇宙学的地位不亚于对于宇宙膨胀的发现。 （4）.其他，如宇宙正在膨胀、三个佯谬等，也是支持热大爆炸理论的间接证据 8．支持宇宙有限说的三个佯谬 （1） ．光度佯谬 如果宇宙无限， 恒星大致均匀分布其间， 那么它们的发光总效果应该使天空的光度无限 大。考虑到天体之间互有遮蔽，天空的光度就应该是一个不变的常数，也就是说，白天、黑 夜一样明亮。而现实中的昼夜分明，只能说明“无限宇宙”的说法是有问题的。德国人奥伯 斯（1758—1840）对之作了系统的讨论，后人又称为“奥伯斯佯谬” 。这个问题只能说明“无 限宇宙”的说法是有问题的。 （2） ．引力佯谬 德国人西利格尔（1849—1924）指出，如果宇宙是无限的，那么它必然分布着无数的恒 星，根据万有引力定律，所有天体之间都具有这种引力作用，那么对于任何一个天体，在任 何方向上都会受到无限大的引力， 其总的效果将使每个天体直到宇宙中的一切， 都将被撕得 粉碎。可是，现实中的宇宙天体并非如此结局，这就从反面证实了“无限宇宙”是谬误的。 （3） ．热寂佯谬 奥地利物理学家克劳修斯（1822—1888）认为，无限宇宙的能量是守恒的，并且总是朝着 一个越来越无序的热力学方向转移，这个过程不可逆转。因此，宇宙越是发展，其变化能力 就越小，也就越接近无序状态。一旦达到某种程度，一切变化将会停止，便出现了“永恒的 死寂” 。这个容易引起世人恐怖的“热死说” ，在现代宇宙理论中才能得以澄清。 作业及讨论：见 PPT 教学课件或电子教案