第十七章宇宙结构和恒星演化

第十七章宇宙结构和恒星演化

一、教学要求：

1、知道宇宙的结构和层次

2、知道恒星的演化过程

二、重点：宇宙的结构和层次

三、难点：正确的宇宙时空观的建立

四、课时安排：

1、宇宙结构

2、恒星的演化

五、说明：

1、宇宙结构是从地球开始，逐步由近及远展开，基本上是以我们能观察到的天文现象主证据来引导学生知道我们是怎样认识宇宙的。

2、恒星的演化要求学生能体会到我们现在观察到的各种恒星的形态，实际上代表了不同年龄阶段的恒星的一些特征

3、本章比较抽象，可通过图片录像等让学生阅读和理解。

§1 宇宙的结构

一、教学目标：

1、知道太阳系的结构

2、知道银河系的大致结构

3、知道宇宙的结构和年龄

二、重点：宇宙不同层次结构的特征

三、难点：如何通过我们所观察到的证据来推断宇宙的结构

四、教学内容：一宇宙的结构

我们的祖先对星空现象的了解比我们要多得多，他们知道太阳在天空运行的不同轨道、月亮的圆缺变换、金星出现的变换周期以及其它行星的运行、四季交替的规律，还有我们称为星座的星星排列图案，他们的精神生活也因这些知识而变得丰富了。现代最伟大的一些天文发现以及我们已失去的黑暗天空（太亮的城市里不适合看星星）导致我们对宇宙的洞察力变得迟钝了，现代的功利主义，使我们丧失了与宇宙沟通的兴趣与深深的敬畏之情。

我想通过我们的课程，大家去仰观苍天，并为你所看到的欢呼崔跃吧，在地球转动的每一时刻，天堂的欢乐就在你的身边。

（一）地球和月亮

1、地球：地球是一颗直径为12756 km（半径6378 km）、质量为6.0 1024 kg的行星，它以30 km / s的平均速度绕太阳公转，并且又在自转。

（1）在地面上怎么知道地球是球状的呢？

科学都以观察和实验的证据为基础，现在要知道地球是什么形状的，只要看看在外太空拍摄的地球照片就行了，但古人是怎么知道的呢？

亚里士多德提供了许多根据观察得到的、令人信服的理由，证明大地是一个球体。

理由一：船只出海时渐渐没入地平线，最后完全消失

在地球的弧线下方。

理由二：希腊旅行者报告，在北方中午时分的太阳在天空的位置较低。如右图所示，这就说明地球是球形的。

理由三：在月食时观察到地球投在月亮上的影

子，如图所示。

思考：有什么方法可以在地面上测量地球的半

径？（希腊：埃拉托塞尼斯在A 阿斯旺和B 亚历山大测定，如理由二插图所示，从而得出地球的半径）

（2）在地面上怎么知道地球是在自转的呢？

理由一：选择一个晴朗的夜晚，到郊外试着跟踪观察星星，在1 h 或更长时间里，每隔15 min 观察一次这些星星，会看到星星和月亮一样从东方升起、西方落下，不同的星星相对位置不变而成群地穿越天空，另外北极星固定不动，而它周围附近的星星环绕它做圆周运动，见书上P71照片。

理由二：傅科摆实验。

2、月球：月球的平均直径为3475 km （约为地球的1/3.7）、质量约为地球的1/81，是地球的一颗卫星。

（1）月球的表面：以前我们都以为月球表面是相当光滑的，直到1609年伽利略第一次用自己发明的望远镜看到了月球表面有许多环形山、高地和月海。月球对表面物体的万有引力较小，所以月球表面没有空气，所以背对地球的一面很容易被流星撞击，因而更加粗糙不平。

（2）月球也在自转：从地球上看，总是看到同样的一些月海，可以推断月球总是以同一面对着地球。这说明月球的自转周期与公转周期相同。

（3）月球对地球潮汐（朝夕）的影响：

月球对地球的影响很多，例如晚上，要是没有月球的反光，地面上会漆黑一片。 地球潮汐主要就是月球对地球的万有引力影响而产生的。 月球对潮汐的影响如图所示，在A 点，离月球最近的点，月球对地表水的引力要远大于它对地球其它部位的引力，于是水流向A 点，开成高潮。在B 点，离月球最远的

点，月球对地表水的引力要远小于它对地球其它部位的引力，因而不足以提供B 点的水随地球一起做圆周运动所需的向心力，因而被抛向远方，形成另一个高潮，C 点和D 点为两个低潮点。

太阳的万有引力对潮汐也有影响，太阳对潮汐的影响如图所示，如果月球在图中B 、D 位置时，太阳引力会使潮汐更大，月球在图中A 、C 位置时，太阳引力会使潮汐变得较小。 （潮汐会使地球自转变慢，因为潮汐的传播方向

是自东向西的，而地球的自转是自西向东的，在4亿年前珊瑚化石每个生长带有400条日纹，3亿年前只有395条了，6500万年前是376条，现在是365条）

（二）太阳和行星

1、太阳：太阳是一颗自己能发光发热的气态星球（能发光发热的星称为恒星），太阳的直径约为1.4⨯106 km 、总质量约为2⨯1030 kg 。

为什么知道太阳能量是由核反应产生的？

太阳每秒钟辐射的能量达到4⨯1026 J ，这个能量比人类诞生至今使用的所有能量的总和还要大得多。

C

B 地球 A

D

太阳 C

如果太阳是一个有足够的、合乎比例的碳、氧等物质组成的天体，按照太阳的质量和客观存在的能量辐射情况，它仅可以燃烧1000多年。

如果由于太阳的气体逐渐落向中心而释放引力势能，那么在2500万年前就应该大到占满整个地球轨道，这些都是不可能的。

太阳中蕴藏了大量的氢，它内部正在进行的由氢聚合成氦的热核反应，释放出大量的能量。

太阳每秒钟辐射的能量达到4⨯1026 J，那么地球上每秒钟能接收到多少太阳能呢？

4⨯1026 / 4πr日地2＝E / πR地2。

2、太阳系：

（1）九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。

看书上P74表格，用不同的分类方式对行星分类。（在小行星带内外、直径的大小、有无卫星、外壳情况、自转周期、公转周期、有无大气等）

（2）在太阳的引力作用下，各行星几乎在一个平面内绕太阳公转，距离太阳越近的行星，公转速度越大，周期越小。

万有引力应用：1、证明上述结论。

2、从表中所给数据可看出T2/R3为常数，试证明之。

3、发现海王星和冥王星。

（三）银河系和河外星系：

1、星系：星系是由宇宙中一大群恒星、大量气体和尘埃组成的物质系统，宇宙中的星系估计达1000亿个以上，银河系就是其中的一个。银河系以外的星系称为河外星系。

星系的形状大致可以分为：旋涡星系、椭圆星系和不规则星系，如下图所示。

2、银河系：是一种旋涡星系，太阳系现在正处于其中一

条旋臂的边缘（太阳的相对位置会发生变化的，有时在臂内

有时在臂外），从侧面看去象一个圆盘，直径大约为10万光

年（l.y），如图所示。我们在地球上怎么知道太阳系的形状

的呢？一是从外部观察宇宙中的其它星系，判断它们的形

状，二是通过观察太阳周围的恒星分布情况，对比这些星系

推测太阳系的形状。

（四）宇宙

1、观察遥远天体的意义：

天方学家把所有的空间及其中的万物定义为宇宙。

我们观察遥远天体就等于在观察宇宙的过去，就可以研

究天体的演化。我们肉眼能看到的最远天体是仙女座星系，我们现在看到的来自仙女座星系的光线，实际上是仙女座星系200万年前发出的，它们在太空中已经行进了200万年，利用哈勃望远镜最远可以看到150亿光年外的天体，这就是说我们看到的是该天体150亿年前的