高中物理 第5章 波与粒子 第4节“基本粒子”与恒星演化 探索宇宙素材 鲁科版选修3-5.doc

探索宇宙1. 探索的历程宇宙自古以来就是人类关注、困惑、探索的一个重大问题。在人类漫长的历史进程中，大部分时间人们主要依靠肉眼观察、简单的猜测与推理来认识宇宙。他们对宇宙的认识很有限，并具有很深的神话与宗教色彩。中国古代的人们很早就对星空进行观察、并根据星象制定历法。下图就是中国古代的星象图。在欧洲，在宗教的影响下，人们长期认为地球是宇宙的中心。下图所示是地心说的宇宙观：地球居于中心，太阳和其他行星围绕地球转动。这种理论影响人们思想长达千年之久。公元1500年左右的欧洲，文艺复兴运动和地理大发现，极大地解放了人们的思想。展现在人们面前的，一方面是古希腊和古罗马哲学和艺术的辉煌；另一方面是新大陆的发现和环球航行的成功，让欧洲人大开眼界，大长见识。所以说15世纪末期，由于欧洲文艺复兴运动解放了人的思想，使人类进入了一个暂新的、对宇宙进行科学探索的伟大时代。1543年，哥白尼通过30多年的观察与分析，提出了“日心说”。作为一个牧师，哥白尼并没有把精力完全放在宗教职位上，而是更多倾注于天文学的研究和观测方面，他用教堂城垣的箭楼建立了一个小小天文观测台，自制了一些仪器，有四分仪、三角仪、等离仪等，进行了观测和计算，三十年如一日，终于完成了他的天体运行学说，写成划时代的科学著作天体运行论。哥白尼在天体运行论中明确宣布，地球不是宇宙的中心。它和别的星球一样，是一种一边自转一边公转的普通行星，天球由远到近顺序如下：“最远的是恒星天球，包罗一切，本身是不动的。在哥白尼所处的时代，托勒密的“地心说”在欧洲占统治地位，中世纪的教会把地心说加以神化，用它来作为上帝存在的依据，哥白尼正确地指出：托勒密由于没有区别现象和本象，而将假象视为真实，由于感觉不到地球的自转以致只感觉到太阳自东方升起而在西方下落，这正像人们坐在大船上行驶时，往往感觉不到船在动，而只见到岸上的东西在往后移一样，同样，太阳绕地球转是假象，地球自转并绕太阳运动才是真实的，这段叙述是多么恰当生动。哥白尼学说的诞生，在自然科学史上具有深远的意义。诗人哥德也说：“哥白尼地动学说撼动了人类意识之深，自古无一种创建，无一种发明，可与之相比自古以来没有这样天翻地覆地把人类意识颠倒过来。”1632年，伽利略利用望远镜探索宇宙，人类的视线深入到了更为宽广的星空。1687年，牛顿发表了自然哲学的数学原理一书，为探索宇宙奠定了坚实的理论基础。1849年，科学家根据牛顿发现的万有引力定律，预测天王星外还存在一颗未知的行星，并计算出了这颗行星的运动轨道。不久，在预测的轨道上就发现了这颗后来被命名为“海王星”的行星。下图就是海王星的照片。飞向太空一直是人类的梦想。随着科学技术的发展，到了20世纪，人类终于梦想成真，踏上了太空的旅程。1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星上天（如下图所示），拉开了人类航天时代的序幕。第一位进入太空的人，就是大名鼎鼎的前苏联宇航员加加林。1961年4月12日，他乘坐“东方号”宇宙飞船环绕地球飞行一圈，历时108分钟，写下了人类航天飞行的新篇章。下图就是加加林。月球是距离地球最近的天体（约38万公里），是人类进行太空探险的第一站。前苏联1959年发射的月球2号探测器在月球着陆，这是人类的航天器第一次到达地球以外的天体。同年10月，月球3号飞越月球，发回第一批月球背面的照片。1970年发射的月球16号着陆于丰富海，送回地球100克月球土壤。美国人也不甘落后，在20世纪60年代开始了雄心勃勃的征服月球的“阿波罗”计划。它的目的就是登上月球进行实地考察。在此之前的1961年到1967年间，9个“徘徊者”探测器，7个“勘探者”探测器以及5个月球轨道器先后对月球进行考察。它们拍摄了照片并分析了月球的土壤，为登上月球做准备。紧接着，“土星”5号运载火箭先后向月球发射了17艘“阿波罗”飞船。1969年7月16日，美国“阿波罗11号”飞船，载着阿姆斯特朗，奥尔德林和柯林斯三人在美国肯尼迪航天中心升空，飞向月球。上图是“阿波罗”11号宇航员奥尔德林迈出登月舱。到达了月球轨道后，由柯林斯驾驶飞船绕月飞行，而阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶登月舱于7月20日在月面静海降落。阿姆斯特朗第一个登上月球。他说出了下面这段意味深长的话：“对于一个人来说，这只是一小步；但对人类来说，这是巨大的一步。”他们在月面上进行实地科学考察，并把一块金属纪念牌插上月球，上面镌刻着“公元1969年7月，来自行星地球上的人首次登上月球。我们是全人类的代表，我们为和平而来。”他们在月球上安装了测量月震的月震仪，采集了月球岩石和土壤。在完成月面考察任务以后，进入登月舱，离开月球回到月球轨道上的指令舱中，与柯林斯汇合后开始返回地球，完成了这一史无前例的航天飞行。在此之后，又有5次成功的登月飞行，宇航员们总共在月球上停留了约300小时，使人们对月球的认识大大加深了。1994年，美国发射了克莱门汀号无人驾驶飞船，对月球进行了新的地貌测绘，为在不久的将来建立月球基地和月基天文台作准备。1998年1月6日发射升空的“月球勘探者”，携带中子光谱仪探测氢原子。最终发现在月球两极的盆地底部存在水。人类对于未知世界的探索是永无止境的。人们并不满足于对月球的了解，目标又转向了太阳系中的大行星。2. 浩瀚的星空我们生活的地球是浩瀚星空中太阳系这个大家庭里一颗相对很小的行星。太阳系除了太阳这个唯一的恒星外，至今已经发现还有9大行星、66颗卫星、2000多颗有正式命名或编号的小行星，以及数量众多的彗星和流星。下图就是太阳系的结构图片。银河系中有众多像太阳这样的恒星。除太阳以外，距地球最近的恒星是半人马座的比邻星。这与地球之间的距离大约是40万亿千米，光从比邻星出发大约需要4.2年才能到达地球。银河系大约包含两千亿颗星体，其中约一千亿颗恒星我们的太阳就是其中之一。人们一直认为它是一个典型螺旋状恒星系，与仙女座星系类似。然而近代观测却发现，它的中央核球是稍带棒形的。这意味着我们的银河系很可能是某类棒旋星系。银河系的直径约为十万光年，太阳距离银河中心约二万八千光年。银河系有三个主要组成部分：银盘、银核和晕轮。四条巨大的旋臂环绕组成了银河系的银盘，银盘的主体是无数年轻的蓝色恒星，太阳位于人马座旋臂和英仙座旋臂之间的猎户座旋臂上。星系的中心凸出球状部分是银核，它非常明亮。这个区域主要由大量的密度很高的恒星组成主要是年龄在一百亿年以上的老年红色恒星。大量的证据表明，在银河的中心区域可能存在着一个巨大黑洞。在银盘周围的一个球型区域内弥散着晕轮，这里恒星的密度很低，存在着许多由大约一万到一百万颗老年恒星组成的星团。可见光拍摄的银河红外线拍摄的银河近红外线拍摄的银河在浩瀚的宇宙中，还有许多像银河系这样的星系。其中，仙女座河外星系是离银河系比较近的一个星系。从仙女座发出的光需要200万年才能到达地球，也就是说，我们在夜空中所见到的仙女座已是200万年以前的仙女座了。仙女座河外星系的直径为17万光年，包含3000多亿颗恒星。它和我们银河系很相似，也是漩涡状的，也有很多变星、星团、星云等。有趣的是，在它身旁还有两个小星系，它们一起构成了一个三重星系。仙女座中最著名的天体，大概要算是那个大星云了。在仙女座星附近，晴朗无月的夜晚，我们可以看到一小块青白色的云雾，这就是仙女座大星云。这个星云早在1612年就被天文学家发现了，但直到本世纪20年代，美国天文学家哈勃才彻底搞清，它和人马座中的那些星云完全是两码事，它是远在220万光年外的一个大星系，所以它的正确名称应该是“仙女座