行星恒星星系和宇宙

1、6.6 行星、恒星、星系和宇宙一、教學(xué)目標(biāo)：1了解行星、恒星和星系等概念，知道宇宙的幾個(gè)主要天體層次。 2了解宇宙大爆炸理論。二、教學(xué)重點(diǎn)：1宇宙中的主要天體層次。 2掌握解信息題的方法。三、教學(xué)難點(diǎn)： 宇宙大爆炸理論四、教學(xué)方法： 講授法與引導(dǎo)探索法五、教學(xué)過(guò)程：（一）引入新課 宇宙中存在著大小不一，各種各樣的天體，人們?cè)谔剿饔钪鎶W秘的過(guò)程中碰到了各種各 樣的問(wèn)題。如，天體究竟有多少？宇宙有多大？宇宙是怎樣發(fā)生、演化和發(fā)展的？等等，這 節(jié)課我們就來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)天體、宇宙的知識(shí)。（二）進(jìn)行新課 我們生活的地球與月球構(gòu)成地月系統(tǒng)，太陽(yáng)與地球等九大行星構(gòu)成太陽(yáng)系，太陽(yáng)系和 其他恒星系統(tǒng)組成銀河系，銀河

2、系與河外星系組成星系團(tuán)、超星系團(tuán)。這樣由小到大不同層 次的天體系統(tǒng)構(gòu)成了宇宙。1行星和恒星（1）恒星：像太陽(yáng)一樣，由熾熱氣體組成，能自己發(fā)熱發(fā)光的近似球體的天體叫恒星。 古人認(rèn)識(shí)恒星是靜止不動(dòng)的， 所以稱(chēng)為 “恒”星，其實(shí)恒星也是在運(yùn)動(dòng)的， 如太陽(yáng)以 2.46 108 年的周期，繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)。恒星一般質(zhì)量很大，具有強(qiáng)大的吸引力，能吸引較小 的天體繞它運(yùn)動(dòng)。（2）行星：沿橢圓軌道繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的天體。如地球、火星等。行星表面溫度較低，本 身不發(fā)光，銀河系中大約有 10的恒星可能有自己的行星系統(tǒng)，在其他星系中，是否有類(lèi)似 地球，存在地外生命的行星呢？這是一個(gè)十分誘人的問(wèn)題。4 顆“伽利略3）衛(wèi)星：

3、繞行星轉(zhuǎn)動(dòng)的星體。如地球的衛(wèi)星月亮，木星的衛(wèi)星衛(wèi)星”等。（ 4）太陽(yáng)系： 太陽(yáng)與地球等九大行星構(gòu)成太陽(yáng)系，太陽(yáng)系中只有太陽(yáng)一顆恒星，而太陽(yáng)系外卻有無(wú)數(shù) 顆恒星，其實(shí)恒星才是宇宙中主要的天體。夜晚，我們看到天空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星，除了 5 顆行 星外，都是像太陽(yáng)一樣的恒星。銀河系中大約有1011 顆像太陽(yáng)一樣的恒星，銀河系中有1022顆。2星系和宇宙（1）星系：最簡(jiǎn)單的恒星系統(tǒng)是兩顆互相繞轉(zhuǎn)的雙星，當(dāng)在一起繞轉(zhuǎn)的恒星數(shù)目超過(guò) 10 顆時(shí)，稱(chēng) 為星團(tuán)。無(wú)數(shù)的恒星、雙星星團(tuán)組成更高層次的系統(tǒng)星系。目前已觀測(cè)到的星系有 10 億個(gè)，銀河系是其中之一，銀河系以外的其他星系統(tǒng)稱(chēng)為河外星系。肉眼能見(jiàn)到的最近的河

4、外星系是距銀河系 16.9 萬(wàn)光年的大麥哲倫星系。（2）星系團(tuán)、超星系團(tuán)： 星系也像恒星一樣的相互聚集，組成更高層次的系統(tǒng)星系團(tuán)，超星系團(tuán)。目前已觀 測(cè)到的星系團(tuán)有 2700 個(gè)，離我們最近的星系團(tuán)是處女座星系團(tuán)，約6000 萬(wàn)光年。（3）宇宙：由小到大，不同層次的天體世界組成宇宙。 宇宙的尺度（參照課本“各種天體層次表” ）在探索宇宙奧秘中， 有兩個(gè)有趣的問(wèn)題： 一是宇宙如果是無(wú)限的， 天空中有無(wú)數(shù)顆恒星， 為什么還有晝夜之分？二是宇宙是有限的，那么宇宙的中心在哪里？同學(xué)們可以通過(guò)課外查 閱資料去研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們的宇宙視野不斷擴(kuò)大，宇宙是無(wú)限的，沒(méi)有邊緣 和形狀，也沒(méi)有中心。

5、宇宙大爆炸理論大約在 200 億年前， 宇宙是由一個(gè)密度極大， 溫度極高的原始火球爆炸而產(chǎn)生的。 以后， 宇宙不斷膨脹，溫度越來(lái)越低，才開(kāi)始有了簡(jiǎn)單的元素，逐漸形成星系、微生物、生命等。 現(xiàn)代觀測(cè)表明，除了銀河系附近的幾個(gè)星系之外，幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離銀河系，而且遠(yuǎn) 離的速度與距離成正比。這說(shuō)明宇宙在膨脹。 宇宙的未來(lái)由于萬(wàn)有引力作用，宇宙中的每個(gè)星系都受到其他星系的引力影響，這種引力限制宇宙 的膨脹，同時(shí)，由于宇宙在不斷膨脹，星系間的引力在不斷減小，因而限制作用也減小，最 后的可能性似乎有兩個(gè)：引力足夠強(qiáng)，使宇宙膨脹減慢、停止，最后收縮。膨脹加快， 由于星系間距離增大，引力不再起主要作用，

6、宇宙一直膨脹下去。宇宙將如何演化下去？還有很多課題有待于探索和研究。（三）例題分析【例題 1】天文觀測(cè)表明，幾乎所有遠(yuǎn)處的恒星（或星系）都在以各自的速度背離我們 而運(yùn)動(dòng)， 離我們?cè)竭h(yuǎn)的星體，背離我們運(yùn)動(dòng)的速度（退行速度）越大，也就是說(shuō)宇宙在膨脹， 不同星體的退行速度 v 和它們離我們的距離成正比，即 vHr ，式中 H 為哈勃常數(shù)。為了解 釋上述現(xiàn)象，有人提出一種理論，認(rèn)為宇宙是從一個(gè)大爆炸的火球開(kāi)始形成的，假設(shè)大爆炸 后各星體即以不同的 速度向外勻速運(yùn)動(dòng)，并設(shè)想我們就位于其中心，則速度越大的星體現(xiàn) 在離我們?cè)竭h(yuǎn)，這一結(jié)果與上述天文觀察一致。由上述理論和觀測(cè)結(jié)果可估算宇宙的年齡T，其計(jì)算式為

7、T，若 H 310 2m/（s 光年 ），由此可估算宇宙的年齡為年。分析：因?yàn)榇蟊ê蟾餍求w勻速地離中心而去，我們?nèi)∽钸h(yuǎn)的星體為研究對(duì)象，它勻速 運(yùn)動(dòng)的時(shí)間即為宇宙的年齡，則 T rmax 1 1010 年。vmax H【例題 2】中子星是由密集的中子組成的星體，具有極大的密度，通過(guò)觀察已知某中子 星的自轉(zhuǎn)角速度 60 rad / s，該中子星并沒(méi)有因?yàn)樽赞D(zhuǎn)而解體，根據(jù)這些事實(shí)人們可以 推知中子星的密度，試寫(xiě)出中子星的密度最小值的表達(dá)式為 ，計(jì)算出該中 子星的密度至少為 。（保留二位有效數(shù)字，假設(shè)中子通過(guò)萬(wàn)有引力結(jié)合成 球狀晶體）分析：中子剛好沒(méi)有因?yàn)樽赞D(zhuǎn)而解體，中子星密度最小，此時(shí)，萬(wàn)有引力

8、提供向心力。G Mm2m 2R M R3 代入數(shù)據(jù)得： 1.3 1014 kg / m3R2 V4 R3G4G3例題 3】已知物體從地球上的逃逸速度（第二宇宙速度）v 2GM ，其中 G、M 、R 分 別 是 引 力 恒 量 、 地 球 質(zhì) 量 和 半 徑 。 已 知 G 6.67 10 11N m2/kg2 ，8C 2.9979 108m / s ，求下列問(wèn)題：逃逸速度大于真空中光速的天體叫黑洞，設(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽(yáng)的質(zhì)量 M 1.98 1030 kg ，求它的可能最大半徑。目前天文觀測(cè)范圍內(nèi)， 物質(zhì)的平均密度為 1027kg/m 3，如果認(rèn)為我們的宇宙是這樣一個(gè)均勻大球體，其密度使得它 的逃逸速度大于光在真空中速度，因此任何物體都不能脫離宇宙，問(wèn)宇宙半徑至少多大？ 分析：把地球上第二宇宙速度的公式應(yīng)用到黑洞上，則式中M、R 為黑洞的質(zhì)量和半徑。當(dāng)逃逸速度等于光速時(shí)黑洞半徑最大：2GM 3Rmax2 2.93 10 m 2.93kmC同理，應(yīng)用到宇宙這個(gè)假想的“均勻球體”上：432GR3R 2GM23