6.6
一、教学目标: 行星、恒星、星系和宇宙
1.了解行星、恒星和星系等概念,知道宇宙的几个主要天体层次。
2.了解宇宙大爆炸理论。
二、教学重点:
1.宇宙中的主要天体层次。
2.掌握解信息题的方法。
三、教学难点:宇宙大爆炸理论
四、教学方法:讲授法与引导探索法
五、教学过程:
(一)引入新课
宇宙中存在着大小不一,各种各样的天体,人们在探索宇宙奥秘的过程中碰到了各种各样的问题。如,天体究竟有多少?宇宙有多大?宇宙是怎样发生、演化和发展的?等等,这节课我们就来学习有关天体、宇宙的知识。
(二)进行新课
我们生活的地球与月球构成地—月系统,太阳与地球等九大行星构成太阳系,太阳系和其他恒星系统组成银河系,银河系与河外星系组成星系团、超星系团。这样由小到大不同层次的天体系统构成了宇宙。
1.行星和恒星
(1)恒星:像太阳一样,由炽热气体组成,能自己发热发光的近似球体的天体叫恒星。 古人认识恒星是静止不动的,所以称为“恒”星,其实恒星也是在运动的,如太阳以2.46×108年的周期,绕银河系中心转动。恒星一般质量很大,具有强大的吸引力,能吸引较小的天体绕它运动。
(2)行星:沿椭圆轨道绕恒星运转的天体。如地球、火星等。行星表面温度较低,本身不发光,银河系中大约有10%的恒星可能有自己的行星系统,在其他星系中,是否有类似
地球,存在地外生命的行星呢?这是一个十分诱人的问题。
(3)卫星:绕行星转动的星体。如地球的卫星——月亮,木星的卫星——4颗“伽利略卫星”等。
(4)太阳系:
太阳与地球等九大行星构成太阳系,太阳系中只有太阳一颗恒星,而太阳系外却有无数颗恒星,其实恒星才是宇宙中主要的天体。夜晚,我们看到天空中的点点繁星,除了5颗行星外,都是像太阳一样的恒星。银河系中大约有1011颗像太阳一样的恒星,银河系中有1022颗。
2.星系和宇宙
(1)星系:
最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星,当在一起绕转的恒星数目超过10颗时,称为星团。无数的恒星、双星星团组成更高层次的系统——星系。目前已观测到的星系有10亿个,银河系是其中之一,银河系以外的其他星系统称为河外星系。肉眼能见到的最近的河外星系是距银河系16.9万光年的大麦哲伦星系。
(2)星系团、超星系团:
星系也像恒星一样的相互聚集,组成更高层次的系统——星系团,超星系团。目前已观测到的星系团有2700个,离我们最近的星系团是处女座星系团,约6000万光年。
(3)宇宙:由小到大,不同层次的天体世界组成宇宙。
①宇宙的尺度(参照课本“各种天体层次表”)
在探索宇宙奥秘中,有两个有趣的问题:一是宇宙如果是无限的,天空中有无数颗恒星,为什么还有昼夜之分?二是宇宙是有限的,那么宇宙的中心在哪里?同学们可以通过课外查阅资料去研究。随着科学技术的发展,我们的宇宙视野不断扩大,宇宙是无限的,没有边缘和形状,也没有中心。
②宇宙大爆炸理论
大约在200亿年前,宇宙是由一个密度极大,温度极高的原始火球爆炸而产生的。以后,宇宙不断膨胀,温度越来越低,才开始有了简单的元素,逐渐形成星系、微生物、生命等。
现代观测表明,除了银河系附近的几个星系之外,几乎所有的星系都在远离银河系,而且远离的速度与距离成正比。这说明宇宙在膨胀。
③宇宙的未来
由于万有引力作用,宇宙中的每个星系都受到其他星系的引力影响,这种引力限制宇宙的膨胀,同时,由于宇宙在不断膨胀,星系间的引力在不断减小,因而限制作用也减小,最后的可能性似乎有两个:①引力足够强,使宇宙膨胀减慢、停止,最后收缩。②膨胀加快,由于星系间距离增大,引力不再起主要作用,宇宙一直膨胀下去。
宇宙将如何演化下去?还有很多课题有待于探索和研究。
(三)例题分析
【例题1】天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(退行速度)越大,也就是说宇宙在膨胀,不同星体的退行速度v 和它们离我们的距离成正比,即v =Hr ,式中H 为哈勃常数。为了解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的,假设大爆炸后各星体即以不同的 速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远,这一结果与上述天文观察一致。
由上述理论和观测结果可估算宇宙的年龄T ,其计算式为T = ,若H =3×102m/(s·光年) ,由此可估算宇宙的年龄为年。 -
分析:因为大爆炸后各星体匀速地离中心而去,我们取最远的星体为研究对象,它匀速运动的时间即为宇宙的年龄,则T =r max 1==1010年。 v max H
【例题2】中子星是由密集的中子组成的星体,具有极大的密度,通过观察已知某中子星的自转角速度ω=60πrad /s ,该中子星并没有因为自转而解体,根据这些事实人们可以推知中子星的密度,试写出中子星的密度最小值的表达式为ρ= ,计算出该中子星的密度至少为 。(保留二位有效数字,假设中子通过万有引力结合成球状晶体)
分析:中子刚好没有因为自转而解体,中子星密度最小,此时,万有引力提供向心力。
M ω2R 33ω2Mm 1432 代入数据得:ρ=1.3⨯10kg /m ==G 2=m ωR ∴ρ=43V R πR G 4πG
3
【例题3
】已知物体从地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)v =,其中G 、M 、-11R 分别是引力恒量、地球质量和半径。已知G =6.67⨯10N ⋅m 2/kg 2,
C =2.9979⨯108m /s ,求下列问题:⑴逃逸速度大于真空中光速的天体叫黑洞,设某黑洞的质量等于太阳的质量M =1.98⨯10kg ,求它的可能最大半径。⑵目前天文观测范围内,物质的平均密度为10-2730kg/m3,如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中速度,因此任何物体都不能脱离宇宙,问宇宙半径至少多大?
分析:⑴把地球上第二宇宙速度的公式应用到黑洞上,则式中M 、R 为黑洞的质量和半径。
当逃逸速度等于光速时黑洞半径最大:
R max =2GM =2.93⨯103m =2.93km 2C
⑵同理,应用到宇宙这个假想的“均匀球体”上:
42G πR 3ρ2GM
则R ' =R ' ==22C C
代入数据得:R ' =4.23⨯10光年
点评:信息题关键是要认真阅读材料,选出有用的信息,用学过的知识或题中给出的新知识予以解决。
(四)布置作业
收集相关资料,撰写小论文。参考题目:
1.我们的地球;2.太阳系;3.星系;4.宇宙;5.黑洞。 10
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一、教学目标: 行星、恒星、星系和宇宙
1.了解行星、恒星和星系等概念,知道宇宙的几个主要天体层次。
2.了解宇宙大爆炸理论。
二、教学重点:
1.宇宙中的主要天体层次。
2.掌握解信息题的方法。
三、教学难点:宇宙大爆炸理论
四、教学方法:讲授法与引导探索法
五、教学过程:
(一)引入新课
宇宙中存在着大小不一,各种各样的天体,人们在探索宇宙奥秘的过程中碰到了各种各样的问题。如,天体究竟有多少?宇宙有多大?宇宙是怎样发生、演化和发展的?等等,这节课我们就来学习有关天体、宇宙的知识。
(二)进行新课
我们生活的地球与月球构成地—月系统,太阳与地球等九大行星构成太阳系,太阳系和其他恒星系统组成银河系,银河系与河外星系组成星系团、超星系团。这样由小到大不同层次的天体系统构成了宇宙。
1.行星和恒星
(1)恒星:像太阳一样,由炽热气体组成,能自己发热发光的近似球体的天体叫恒星。 古人认识恒星是静止不动的,所以称为“恒”星,其实恒星也是在运动的,如太阳以2.46×108年的周期,绕银河系中心转动。恒星一般质量很大,具有强大的吸引力,能吸引较小的天体绕它运动。
(2)行星:沿椭圆轨道绕恒星运转的天体。如地球、火星等。行星表面温度较低,本身不发光,银河系中大约有10%的恒星可能有自己的行星系统,在其他星系中,是否有类似
地球,存在地外生命的行星呢?这是一个十分诱人的问题。
(3)卫星:绕行星转动的星体。如地球的卫星——月亮,木星的卫星——4颗“伽利略卫星”等。
(4)太阳系:
太阳与地球等九大行星构成太阳系,太阳系中只有太阳一颗恒星,而太阳系外却有无数颗恒星,其实恒星才是宇宙中主要的天体。夜晚,我们看到天空中的点点繁星,除了5颗行星外,都是像太阳一样的恒星。银河系中大约有1011颗像太阳一样的恒星,银河系中有1022颗。
2.星系和宇宙
(1)星系:
最简单的恒星系统是两颗互相绕转的双星,当在一起绕转的恒星数目超过10颗时,称为星团。无数的恒星、双星星团组成更高层次的系统——星系。目前已观测到的星系有10亿个,银河系是其中之一,银河系以外的其他星系统称为河外星系。肉眼能见到的最近的河外星系是距银河系16.9万光年的大麦哲伦星系。
(2)星系团、超星系团:
星系也像恒星一样的相互聚集,组成更高层次的系统——星系团,超星系团。目前已观测到的星系团有2700个,离我们最近的星系团是处女座星系团,约6000万光年。
(3)宇宙:由小到大,不同层次的天体世界组成宇宙。
①宇宙的尺度(参照课本“各种天体层次表”)
在探索宇宙奥秘中,有两个有趣的问题:一是宇宙如果是无限的,天空中有无数颗恒星,为什么还有昼夜之分?二是宇宙是有限的,那么宇宙的中心在哪里?同学们可以通过课外查阅资料去研究。随着科学技术的发展,我们的宇宙视野不断扩大,宇宙是无限的,没有边缘和形状,也没有中心。
②宇宙大爆炸理论
大约在200亿年前,宇宙是由一个密度极大,温度极高的原始火球爆炸而产生的。以后,宇宙不断膨胀,温度越来越低,才开始有了简单的元素,逐渐形成星系、微生物、生命等。
现代观测表明,除了银河系附近的几个星系之外,几乎所有的星系都在远离银河系,而且远离的速度与距离成正比。这说明宇宙在膨胀。
③宇宙的未来
由于万有引力作用,宇宙中的每个星系都受到其他星系的引力影响,这种引力限制宇宙的膨胀,同时,由于宇宙在不断膨胀,星系间的引力在不断减小,因而限制作用也减小,最后的可能性似乎有两个:①引力足够强,使宇宙膨胀减慢、停止,最后收缩。②膨胀加快,由于星系间距离增大,引力不再起主要作用,宇宙一直膨胀下去。
宇宙将如何演化下去?还有很多课题有待于探索和研究。
(三)例题分析
【例题1】天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(退行速度)越大,也就是说宇宙在膨胀,不同星体的退行速度v 和它们离我们的距离成正比,即v =Hr ,式中H 为哈勃常数。为了解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的,假设大爆炸后各星体即以不同的 速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远,这一结果与上述天文观察一致。
由上述理论和观测结果可估算宇宙的年龄T ,其计算式为T = ,若H =3×102m/(s·光年) ,由此可估算宇宙的年龄为年。 -
分析:因为大爆炸后各星体匀速地离中心而去,我们取最远的星体为研究对象,它匀速运动的时间即为宇宙的年龄,则T =r max 1==1010年。 v max H
【例题2】中子星是由密集的中子组成的星体,具有极大的密度,通过观察已知某中子星的自转角速度ω=60πrad /s ,该中子星并没有因为自转而解体,根据这些事实人们可以推知中子星的密度,试写出中子星的密度最小值的表达式为ρ= ,计算出该中子星的密度至少为 。(保留二位有效数字,假设中子通过万有引力结合成球状晶体)
分析:中子刚好没有因为自转而解体,中子星密度最小,此时,万有引力提供向心力。
M ω2R 33ω2Mm 1432 代入数据得:ρ=1.3⨯10kg /m ==G 2=m ωR ∴ρ=43V R πR G 4πG
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【例题3
】已知物体从地球上的逃逸速度(第二宇宙速度)v =,其中G 、M 、-11R 分别是引力恒量、地球质量和半径。已知G =6.67⨯10N ⋅m 2/kg 2,
C =2.9979⨯108m /s ,求下列问题:⑴逃逸速度大于真空中光速的天体叫黑洞,设某黑洞的质量等于太阳的质量M =1.98⨯10kg ,求它的可能最大半径。⑵目前天文观测范围内,物质的平均密度为10-2730kg/m3,如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中速度,因此任何物体都不能脱离宇宙,问宇宙半径至少多大?
分析:⑴把地球上第二宇宙速度的公式应用到黑洞上,则式中M 、R 为黑洞的质量和半径。
当逃逸速度等于光速时黑洞半径最大:
R max =2GM =2.93⨯103m =2.93km 2C
⑵同理,应用到宇宙这个假想的“均匀球体”上:
42G πR 3ρ2GM
则R ' =R ' ==22C C
代入数据得:R ' =4.23⨯10光年
点评:信息题关键是要认真阅读材料,选出有用的信息,用学过的知识或题中给出的新知识予以解决。
(四)布置作业
收集相关资料,撰写小论文。参考题目:
1.我们的地球;2.太阳系;3.星系;4.宇宙;5.黑洞。 10