鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 探索宇宙的奥秘第1课时教案

这是一份鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 探索宇宙的奥秘第1课时教案，共4页。教案主要包含了宇宙的起源，宇宙的演化，永不停息的探索等内容，欢迎下载使用。

1. 大体了解人们认识宇宙的起源的过程，了解伽莫夫的大爆炸理论。
2. 知道当前的宇宙观察认识宇宙正在膨胀，且了解人们认识宇宙正在膨胀的证据。
3. 从了解天体演化和元素形成的过程中体会宇宙中自然规律的统一性。
教学重难点
教学重点
大爆炸理论、宇宙的演化
教学难点
大爆炸理论、宇宙的演化
教学准备
多媒体课件
教学过程
新课引入
教师设问：介绍宇宙天体的结构层次，然后设问宇宙从何而来。
讲授新课
一、宇宙的起源
教师设问：宇宙的起源是怎样的？大家可以谈一下。任意的关于宇宙的起源的理论都可以谈，包括传说。
教师活动：讲解大爆炸理论。
在探索宇宙奥秘的过程中，爱因斯坦发现，根据广义相对论建立的宇宙模型不是静态的，因此引入宇宙学常数进行修正，提出了“有限无界的静态宇宙”模型。
1929年，哈勃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。
人类从此走出了静态绝对的宇宙观，开始用膨胀的宇宙观探索宇宙的起源。既然宇宙正在远离，那么原来他应该聚集在更小范围之内。美国科学家伽莫夫将微观的核物理、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。
二、宇宙的演化
教师活动：讲解宇宙膨胀的可能的方向。
宇宙将会一直膨胀下去吗？宇宙的未来将走向何处？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，最终坰缩；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。
自20世纪70年代以来，科学家根据对星系之间引力效果的观测发现，常规物质不可能产生如此大的引力。因此，人们推测有一种有质量能产生引力但没有电磁相互作用的物质存在于宇宙之中，人们称这种物质为暗物质。与暗物质相对应的能量称为暗能量。
1998年，科学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯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。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、永不停息的探索
教师活动：讲解人类运用光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜探测宇宙的状况。
光学望远镜和射电望远镜接收的都是无线电波。光学望远镜利用接收可见光，并成像。射电望远镜接收的是无线电波。
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。
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。
为了摆脱大气层对天文观测的影响，人类还先后发射了许多人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。著名的哈勃太空望远镜自1990年4月24日升空以来，为人类源源不断地提供震撼人心的星际图像，如恒星的诞生和死亡等。人们把它的诞生视为天文学走向空间时代的一个里程碑。
哈勃望远镜取得了巨大的成就，对人们对宇宙的认识及思维观念有巨大的影响。但哈勃望远镜毕竟是光学望远镜，有其固有的局限性。如波长限制在可见光，且其分辨率也有一定的提升空间。
于是，人们设计了哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜。
主要的任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射)，即观测今天可见宇宙的初期状态。为达成此目的，它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。
教师活动：讲解引力波。
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。2015年，人类首次直接探测到引力波的存在。
课堂小结