教科版 (2019)必修 第二册3 宇宙的起源和演化教案

宇宙的起源和演化

【教学目标】

1．了解宇宙大爆炸理论的概念、过程和阶段特征；

2．了解宇宙大爆炸理论对天文现象的解释，以及与后续星系、恒星演化的关联；

3．初步学会用发展变化的眼光看待我们的宇宙和宇宙演化的过程与现象；

4．促使学生形成科学宇宙观，认识到宇宙大爆炸理论是随着科学的发展和人类对宇宙认识的不断深入而发展和完善的。

【教学重点】

感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法。

【教学难点】

初步学会用发展变化的眼光看待我们的宇宙和宇宙演化的过程与现象。

【教学过程】

一、导入新课

从古至今，从国外到国内，人们对宇宙的观测和探索从来都没有停止过，早在2300多年前，我国战国时代的思想家庄子（大约公元前369-前286年）就浪漫激情地幻想“旁（傍）日月，挟宇宙”。其实中文的“宇”、“宙”二字原指“屋檐”和“栋梁”，都是指人居住的地方，后来才延伸为天地四方（空间）、古往今来（时间）的总称。它超越了东西南北的方位，无边无际；超越了一朝一夕的时间，无穷无尽。与“宇宙”混用的“世界”二字则出于佛教的说法，也是时间（世代）和空间（边界）的合称。在西方，以英语为例也有两个词表达“宇宙”，即cosmos和universitycosmos原意指秩序，引申为“有秩序的宇宙体系”；university则表示包罗万象、无所不容的宇宙全体。那么宇宙是从哪里起源，又是怎样发展变化的呢？本节课我们就来共同学习和探讨宇宙的起源和恒星演化过程。

二、新知学习

在日常生活中，除重力外，与物体质量相关的引力没有任何明显的效果。在微观领域，引力更是完全可以忽略。但是在宇宙范围内，由于星体的质量巨大，时空弯曲就十分明显，而必须用广义相对论加以研究。

实际的观测和理论研究（结合关于微观粒子的理论）已经产生了一些惊人的成果，其中之一是宇宙演化的膨胀理论，即宇宙大爆炸理论。

（一）宇宙的起源

师：你对宇宙了解多少？什么是宇宙？如果时光倒流，最初的宇宙是怎么样的呢？现在的宇宙又是怎样产生的呢？未来宇宙的命运又将如何？

小结：宇宙是广漠空间和存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙中有上千亿的星系，平均每个星系又有上千亿的恒星和各类天体。

20世纪20年代，天文观测已发现远处的许多星系正在离开我们向远处退行，而且越远的星系退行的速率越大。这一结果使得天文学家推论出宇宙是在膨胀着的。

教师课件出示资料介绍哈勃发现红移现象，说明发现星系远离我们的事实。

思考：你是怎样理解哈勃发现的关于星系运动的特点的？你能想象出宇宙中的星系在怎样运动？（本讨论意在引起学生实验探究“宇宙大爆炸理论的原理”，引导学生从大尺度层次以“星系”作为运动单位，讨论星系间相互远离是怎样的一种运动。）

师：对学生的回答表示理解和支持。由于宇宙太大，无边无际，难以直接研究，为了更好地研究和理解星系运动，可以建立星系运动模型。

探究实验：建立星系运动模型（应由学生得出“宇宙在不断膨胀”的结论，避免直接灌输。）

（1）准备一只气球，在其表面画上几个黑点；

（2）向气球充气，使气球不断膨胀；

（3）观察气球在膨胀过程中小黑点间及小黑点与球心间的距离变化的特点；

（4）分析归纳球在膨胀过程中小黑点间及小黑点间与球心间距离变化的特点。（教师介绍学生活动要求，并分组实验，教师巡视指导。）

学生思考：所有星系都在远离我们而去，难道我们处在宇宙中心吗？

教师分析解释：到其它星系上观察别的星系，也是在远离观察者，如果我们处在宇宙中心，那么，其他任何星系都可以成为宇宙中心，即等于没有中心。

师：根据宇宙膨胀现象，说明宇宙膨胀初期各星系是会聚在一起的，这种观点就是目前被人们广为接受的一种宇宙起源学说——宇宙大爆炸理论。

下面请同学观看宇宙大爆炸视频（教师课件播放“宇宙大爆炸”的视频）

小结：20世纪40年代末，物理学家伽莫夫（如图）把宇宙膨胀与粒子反应理论结合起来，提出宇宙大爆炸假说。

后来，许多科学家通过理论分析及计算把这一思想具体化，描绘了大爆炸以后宇宙发展的概况。这一发展的梗概如下：

（1）宇宙起始于一次大爆炸（如图），那时它的温度极高，密度极大，时间从此开始，空间从此扩大。

（2）时，宇宙的密度是，温度是。宇宙是混沌一团。

（3）时，宇宙发生一次暴涨，直径在内膨胀了倍，温度降到。宇宙中出现了各种各样的粒子，包括光子，它们不断通过相互作用而相互转化。

（4）时，温度降到，出现了电子、正电子。

（5）1min时，温度为，质子和中子结合成氢核。

（6）约100万年时，温度降到3000K，开始出现各种原子。存留的光子不再和粒子相互转化而在宇宙中到处游逛，使宇宙成为透明的。

（7）约10亿年时，开始形成恒星和星系。

（8）约100亿年时，出现我们的银河系、太阳和行星。

（9）约120亿年时，地球上出现了生命。

（10）约137亿年时出现了人类，百万年后出现了现代文明。宇宙温度降到了约3K。

（11）至今宇宙的年龄估计为137亿年。膨胀速率按最大速率光速计，现今宇宙的“直径”约为137亿光年，即约为。

上述理论已经得到了一些实际观测的证实。除了远处星体的退行外，最有说服力的证据是宇宙背景辐射的发现。宇宙背景辐射就是在大爆炸后约100万年时存留到今天的热辐射。1964年，科学家果然发现了这种存在于太空中的辐射。1989年发射的专用卫星更精确地测得了这种辐射。测得宇宙背景辐射温度为2.735K，与理论符合得相当完美。

教师引导学生思考：用宇宙大爆炸理论解释宇宙的起源，你觉得还有哪些疑问？

提示：大爆炸宇宙论能够科学地解释很多现象。但也有不足之处。如宇宙的起点怎样产生的？为什么会爆炸？宇宙的将来又将怎样变化等等。

同学们有没有新的见解或提出假设？

师：对这些问题，科学界也没有统一的看法，许多科学假说都有待于科学家去探索和证实。

（二）宇宙的未来

师：宇宙还在持续不断的膨胀中，那么宇宙将来究竟会怎样？请同学们思考，大胆提出猜想？教师课件播放视频：“宇宙的未来”。

宇宙的未来：永远膨胀下去或者会塌缩而在大挤压处终结。

画面展示：介绍霍金的黑洞理论和宇宙无边界设想（学生感受科学家的探索精神）

小结：宇宙会永远膨胀下去吗？这个问题现在还没有一个肯定的答案。由于宇宙间天体、星际物质等的引力作用，可能会使得这种膨胀减缓，甚至到一定时期重新收缩。除了发光的星系外，目前还很不清楚的“暗物质”“暗能量”以及未知的物质间的相互作用，都可能影响宇宙的膨胀。天文学家们已发现，至少在现阶段，宇宙总体上还是在加速膨胀。

是什么力量推动了膨胀的加速？这种加速是暂时的还是长久的？宇宙究竟有什么样的发展“前途”？眼前对这些问题的回答都还是“不知道”。大爆炸理论能够解释很多客观事实，代表人类当前在相对论、量子力学和粒子物理基础上对宇宙的认识水平，是一种相对真理。但也必须认识到，它还没有完全成熟，今后无论在理论方面还是实验、观测方面都还有无数的工作需要去做。作为一种理论模型，大爆炸理论也必然会不断受到检验、修正和补充，也不能排除需要作重大修改的可能性。

【活动探究】你听说过白矮星、中子星、黑洞这些名词吗？请查阅资料，了解典型的恒星演化过程。

宇宙中一切事物都有产生、发展和消亡的过程，恒星也不例外。首先揭示“恒星演化之谜”的是丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家H·N·罗素。早在20世纪初，他们根据恒星光谱型和光度之间的关系，创制了坐标图，反映恒星演化规律。后来，这类图也因这两位天文学家而得名，简称为赫罗图。有兴趣的同学课后可以查阅资料了解一下恒星的演化过程，本课不展开讲述。

【作业布置】

阅读相关科普读物或观看有关宇宙起源的科教片，了解宇宙的演化与发展。