第8.3節(jié) 宇宙的起源與演化（解析版）

第八章牛頓力學(xué)的局限性與相對(duì)論初步8.3宇宙的起源與演化??目標(biāo)導(dǎo)航學(xué)問要點(diǎn)難易度1.哈勃定律：v＝Hr2.大爆炸宇宙學(xué)3.恒星演化：誕生期、存在期和死亡期4.恒星的壽命：質(zhì)量大的恒星壽命短★★★★★??學(xué)問精講一、宇宙的結(jié)構(gòu)1.牛頓的觀點(diǎn)：宇宙是無限的。宇宙不僅空間上是無限的，時(shí)間上也是無限的，沒有起點(diǎn)，也沒有終點(diǎn)。無限的宇宙中肯定有無限多顆恒星，并且是均勻分布在宇宙中的。2.哈勃定律美國(guó)天文學(xué)家哈勃觀測(cè)發(fā)覺絕大部分星系都在遠(yuǎn)離我們，并且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，其退行速度就越大。哈勃定律：不同星體的退行速度v和它們離我們的距離r成正比，即v＝Hr。式中H為一恒量，稱為哈勃常數(shù)，H＝3×10-2m/（s?光年）3.大爆炸宇宙學(xué)依據(jù)哈勃定律，星系之間的距離在不斷增加，宇宙是在不斷地膨脹。在大爆炸之前，沒有空間，也沒有時(shí)間。大爆炸之后，時(shí)間才有了開端，空間則隨之膨脹。4.天文學(xué)單位(1)天文單位(AU)定義為日地平均距離，即1AU=1.4959787×108km=1.5億km；(2)光年(l.y.)定義為光在真空中沿直線傳播一年所經(jīng)過的距離，即1l.y.=9.4605536×1012km(3)秒差距(pc)定義為地球公轉(zhuǎn)軌道半徑對(duì)應(yīng)的視角為1秒時(shí)的距離，即：1pc=3.085678×1013km在B點(diǎn)和D點(diǎn)分別測(cè)出∠B和∠D的大小，由三角函數(shù)學(xué)問可求近似得BA和DA的距離。例1.大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于137億年前的一次大爆炸．除開頭瞬間外，在演化至今的大部分時(shí)間內(nèi)，宇宙都是膨脹的．若標(biāo)志宇宙大小的宇宙半徑R和宇宙年齡t的關(guān)系如圖所示，圖中AB為直線，BC為向上彎曲的曲線，則以下說法正確的是（）A．AB和BC均說明宇宙在勻速膨脹B．AB和BC均說明宇宙在加速膨脹C．AB說明宇宙在勻速膨脹，BC說明宇宙在加速膨脹D．AB說明宇宙在勻速膨脹，BC說明宇宙在減速膨脹答案：C解析：縱坐標(biāo)宇宙半徑R可以看作是星球的位移，切線的斜率就是宇宙半徑增加的速度。二、宇宙的演化依據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的理論，宇宙演化的簡(jiǎn)明時(shí)間軸如下圖。大爆炸→宇宙的膨脹→溫度下降→原子核形成→光子紅移→宇宙微波→恒星→銀河系→太陽系。銀河系是一種旋渦狀星系。太陽系正處于其中一條旋臂的邊緣。三、恒星的演化恒星的形成：恒星起源于宇宙中的氣體、塵埃等物質(zhì)，在引力作用下收縮，通過核聚變反應(yīng)并輻射能量。恒星演化分誕生期、存在期和死亡期。一顆恒星的壽命取決于它的質(zhì)量，質(zhì)量大的恒星壽命短。最接近地球的恒星就是太陽。恒星分類是依據(jù)恒星的顏色、溫度和亮度間的關(guān)系進(jìn)行的。恒星最穩(wěn)定的時(shí)期稱主序星，太陽也是一顆主序星。大部分恒星分布在從圖的左上到右下的對(duì)角線上，叫主序星，太陽也是一顆主序星。四、暗物質(zhì)和暗能量21世紀(jì)物理學(xué)上空的兩朵新的烏云。1.暗物質(zhì)通過爭(zhēng)辯發(fā)覺，星系內(nèi)存在大量的暗物質(zhì)，暗物質(zhì)的總質(zhì)量要遠(yuǎn)大于宇宙中全部可見物質(zhì)的質(zhì)量總和。暗物質(zhì)沒有電磁輻射，和一般物質(zhì)只發(fā)生引力作用，因此無法用望遠(yuǎn)鏡等傳統(tǒng)方法探測(cè)。到目前為止，不清楚暗物質(zhì)是由什么粒子組成。2.暗能量依據(jù)對(duì)宇宙微波背景輻射的測(cè)量，暗能量約占整個(gè)宇宙的68%，暗物質(zhì)約占27%，一般的可見物質(zhì)只占5%左右。但暗物質(zhì)和暗能量目前無法探測(cè)，但卻極大地影響著宇宙的演化和宇宙將來的命運(yùn)。例2.關(guān)于恒星，下列說法中正確的是（）（A）質(zhì)量越大的恒星，壽命越短（B）體積越大的恒星，亮度越大（C）紅色恒星的溫度比藍(lán)色恒星的溫度高（D）恒星發(fā)光、發(fā)熱主要來自于恒星內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)答案：A解析：質(zhì)量大的恒星壽命短。??鞏固練習(xí)1.恒星的演化可分為、、。答案：誕生期、存在期、死亡期。2.下面關(guān)于宇宙的說法正確的是（）（A）極少數(shù)恒星有著和太陽一樣的化學(xué)成分（B）當(dāng)恒星變長(zhǎng)紅色的巨星或超巨星時(shí)，就以為這這顆恒星剛剛誕生（C）黑洞就是質(zhì)量最大的恒星（D）超巨星、巨星、主序星、白矮星、和中子星等實(shí)際是恒星不同年齡段的形態(tài)答案：D解析：A絕大多數(shù)恒星都和太陽有著相同的化學(xué)成分，故A錯(cuò)誤；B.恒星燃料耗盡后，其核心不會(huì)再釋放能量，核心開頭收縮，外部開頭膨脹，于是恒星就會(huì)變成一顆紅色的巨星或超巨星，故B錯(cuò)誤；C.黑洞是引力極強(qiáng)的一種天體，導(dǎo)致任何物質(zhì)，甚至光也無法逃脫其吸引，但不是質(zhì)量最大的恒星，C錯(cuò)誤；D.超巨星、巨星、主序星、白星和中子星實(shí)際上是恒星不同年齡階段的形態(tài)，D正確。3.2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予三位天體物理學(xué)家，以表彰他們通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的超新星而發(fā)覺了宇宙在加速膨脹這一卓越成果。超新星的熱核爆炸代表了這顆恒星演化到了哪個(gè)階段（）（A）誕生期（B）存在期（C）死亡期（D）任何時(shí)期都可能答案：C解析：超新星的熱核爆炸代表了這顆恒星演化到了死亡期，即超大質(zhì)量恒星能以巨熱核恒星炸彈的形式變成超新星，超新星爆炸死亡，故選C。4.天文觀測(cè)表明，宇宙在膨脹，不同星體的退行速度v和它們離我們的距離r成正比，即v＝Hr，式中H為一恒量，稱為哈勃常數(shù)，已由天文觀測(cè)測(cè)定。有人提出一種理論，認(rèn)為宇宙是從一個(gè)爆炸的大火球開頭形成的，大爆炸后各星體即以各自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。由上述理論和天文觀測(cè)結(jié)果，可估算宇宙年齡T，其計(jì)算式為T＝______。依據(jù)近期觀測(cè)，哈勃常數(shù)H＝3×10-2m/（s?光年），由此估算宇宙的年齡約為______年。答案：eq\f(1,H)