地球、太阳、宇宙(上)

1 地球 太阳 宇宙地球 太阳 宇宙 上 上 目目 录录 前前 言言 1 宇宙的定义 特征及宏观物质运动宇宙的定义 特征及宏观物质运动 1 1 宇宙的定义 特征 1 2 宇宙宏观物质运动 2 2 星系及星系分类星系及星系分类 2 1 星系的定义 2 2 哈勃星系分类 2 3 本文的星系分类 3 3 太阳系太阳系 3 1 太阳系的特征 3 2 太阳系成因假说简介 3 3 关于太阳系起源学说的分类 3 4 模拟试验 3 5 太阳系的成因解释 4 4 太阳的成因太阳的成因 4 1 有关太阳的研究程度和太阳资料 4 2 传统的太阳成因观点 4 3 本文太阳成因观点 5 地球的成因地球的成因 5 1 地球的特征 5 2 有关地学的理论和假说 5 3 地球的成因 5 4 地壳运动的产生 5 5 地表构造形态的成因 5 6 地磁 地震 火山的成因 5 7 地球上生命的起源 前前 言言 一 地球一 地球 无论是地质学还是地球科学 应回答 1 形成地球的物质来源及形成过程 2 地球为什么是圈层装结构 为什么地球中存在高温熔融物质 3 地壳为什么会运动 4 为什么有地震 火山 地磁 2 5 地球上的生命是哪里来的 6 地球为什么会转动而且是倾斜在轨道上转动 二 太阳系二 太阳系 地球是太阳系里的一颗普通行星 有关地球上述问题的回答离不开太阳系的成因 一 个完整的太阳系成因假说 应回答 1 形成太阳系的物质来源及形成过程 2 太阳系的五大特征 自转特征 太阳系里的九颗行星 八颗是逆时针自转的 另一颗金星是顺时针自转的 为什么在 太阳系中星球的自转有的顺时针有的逆时针 公转特征 太阳系里的九颗行星公转是逆时针 哈雷彗星的公转却相反为顺时针 运动姿态特征 太阳系的星球有的直立在轨道上转动 有的倾斜在轨道上转动 有的躺在轨道上转动 如 地球倾斜在轨道上转动 海王星躺在轨道上转动 轨道形态特征 太阳系的星球其公转轨道形态 有 近圆形的 椭圆形的 抛物线形的和双曲线形的 星球分布特征 太阳系的行星分布在太阳赤道面附近 彗星在太阳不同纬度和两极都有分布 三 太阳三 太阳 太阳是一颗发光发热的恒星 是太阳系的中心 距地球最近的恒星 目前人类只能观 测到太阳表面的一些活动现象 光球 色球 日冕 日珥 耀斑 黑子 米粒组织 其温 度 化学元素 其活动等等 一个完整的地球成因假说 太阳系成因假说 需要回答形成太阳的物质来源及形成过 程 需要回答其热和光是如何产生的 需要回答观测到的各种现象 四 星系四 星系 太阳是银河系里十亿颗恒星的一颗普通恒星 在银河系之外有众多的河外星系 这些 星系大小不一 形态各异 需要回答 形成星系的物质来源及形成过程和发展演化 五 宇宙五 宇宙 地球 太阳 太阳系 银河系 河外星系 星云等等各种天体 这些都是宇宙中的物 质 那么宇宙是什么 其物质和能量哪里来的 有多少 是如何发展运动的 宇宙的空间 有多大 其时间有无始终 上述诸问题是紧密相连 一环扣一环 1 1 宇宙的定义 特征及宏观物质运动宇宙的定义 特征及宏观物质运动 1 11 1 宇宙的定义 特征宇宙的定义 特征 1 1 11 1 1 宇宙的定义宇宙的定义 3 传统的观点认为 宇为无限空间 宙为无限时间 即宇宙在空间上无限大 在时间上 无始无终 宇宙的物质和能量是无限的 叫做无限观点 这种观点与物质守恒和能量守恒 定律是不符的 无限就不存在守恒 本文对宇宙定义如下 所有物质和能量存在 运动 发展转化和演化的空间叫做宇宙宇宙 1 1 21 1 2 宇宙的特征宇宙的特征 宇宙是空间 是所有物质和能量存在的空间 所有物质和能量在这个空间运动 发展 转化和演化 宇宙具有如下特征 1 空间特征 宇宙的空间是恒定的 在这个空间里包含了所有的物质和能量 2 物质特征 宇宙的物质总量是恒定的 不会增加也不会减少 能相互转化 能分能和 3 能量特征 宇宙的能量总量是恒定的 不会增加也不会减少 能相互转化 4 时间特征 宇宙的时间是永恒的 无始无终 但是 对于宇宙内部的物质及能量 它们的存在及 运动 发展 转化和演化是有时间的 在这个过程中有始有终 5 结构特征 在宇宙中 没有宇宙中心 6 物质运动特征 宇宙中的物质总体是作无序运动 在引力作用下 形成多级绕转运动即多级星系 各 种天体在无序运动中相撞或破碎或变大或成为绕转星系 7 引力特征 宇宙的所有物质组成了宇宙引力场 所有物质在宇宙引力场中运动和变化 8 微观特征 宇宙的各种天体 包括尘埃 各种粒子 构成宇宙的宏观物质 各种引力构成宇宙的 微观物质 宏观物质在微观物质中运动和变化 包括光的传播 1 21 2 宇宙宏观物质运动宇宙宏观物质运动 1 2 11 2 1 宇宙宏观物质运动宇宙宏观物质运动 在宇宙中 除物质引力和相对运动形成绕转星系外 其它物质及天体做无序运动无序运动 那 些独立天体或物质都是按照最初产生时力的方向运行 宇宙中的天体 在没有受到外力的作用时不会产生加速度 也就是说 天体或其它物 质在最初形成时所产生的运动速度不会自行加快 也不会改变方向 由于以光速运动的粒 子质量极其微小 是以波的方式运行 一般质量体对其产生的引力几乎为零 对于巨大的 质量体其引力使光产生弯曲 宇宙没有中心天体 所有做杂乱无章运动的独立天体和做有规律运动的从属天体及所 有物质共同形成了一个球形宇宙引力场 所有的天体包括各种粒子和尘埃 无论做何种运 4 动 变化 无论所形成的速度有多大 都不能逃脱宇宙这个恒定的空间即宇宙引力场 1 2 21 2 2 宇宙的能量宇宙的能量 没有离开物质而独立存在的能量 能量能相互转化 能量也能使物质相互转化 物质 不均匀能量也不均等 只要能量存在着差异 物质存在着大小 成分 形态 状态 结构 构造 距离 分布的均匀与否等等差异 只要这一切中一项不能达到全部的均衡就会永远 存在着物质的运动和能量的转换 1 2 31 2 3 宇宙天体相撞宇宙天体相撞 宇宙中的星系 星云和星球等物质是运动着的 除从属星系或天体是按照一定规律绕 中心体转动外 那些独立的星系 星云或星球等天体它们都是在宇宙中独立运行的 按最 初形成时受力方向运行 为无序运动 无序和有序运行的星系 星云 星球等天体能在运动中相撞 不同形状 不同结构 不同大小的星系 星云和星球 它们可以从不同的方向 不同的角度 不同的接触面 不 同的作用力强度 不同的速度等等进行相撞和接触 图 1 1 图 1 2 图 1 3 是宇宙中一些星系 星云 星球可能出现的相撞情形的一组示 意图 1 星系 星云 星球迎面相撞 见图 1 1 2 星系 星云 星球呈角度相撞 见图 1 2 3 星系 星云 星球部分相撞 见图 1 3 两大圆正面相撞 大圆面和扁面迎面相撞 两个扁面迎面相撞 图 1 1 星系 星云 星球迎面相撞图 两个大圆斜角相撞 大圆面和扁面斜角相撞 两个扁面斜角相撞 图 1 2 星系 星云 星球呈角度相撞图 两个大圆面一部分相撞 大圆面和扁面一部分相撞 两个扁面一部分相撞 5 图 1 3 星系 星云 星球相撞示意图 1 2 41 2 4 相撞后可能产生的情形相撞后可能产生的情形 1 两个星系相撞 撞后所产生的形状可呈各式各样 那些不规则的各种形状的星 系星云是由不同形状 不同大小 从不同方向相撞所产生的 2 两个星系相撞 如果两个星系的中心体都碎了 其它绕中心绕转的成员也都相 撞碎了 形成四射无核心的巨大星云 3 两个星系相撞 两个中心体碎了 其它那些绕转的成员 可能有的相撞了 有 的没有相撞 在相撞的地方就会产生星云 那些没有相撞的绕转天体就会沿着碰撞时的运 转方向飞向宇宙空间 成为独立天体 4 如果两个星系相撞 一个中心体碎了而另一个中心体没有碎 这样就由两个星 系变成了一个星系 中心破碎了那个星系的绕转天体可能有的相撞破碎了 可能有的成为 新星系的新成员 可能有的沿其原来轨道运转方向飞向宇宙 成为独立天体 5 两个星系相撞 可能两个星系的中心体没有相撞着 只是那些绕转的天体相撞 这样两个星系除可能发生运行方向改变一些外 都将独立存在 只是在各自的星系中爆发 产生了一些新的星云 6 在相撞的两个星系中 可能有些天体没有相撞 或相撞没有破碎而聚合在一起 形成新的天体 其中有些天体留在这个相撞产生的星云内部 1 2 51 2 5 相撞后所产生的新的运动情况相撞后所产生的新的运动情况 1 如果两个星系相撞后产生星云 这个新产生的星云将按照力学合成定律方向及 速度大小进行运动 2 对于星系相撞后 破裂的碎块可以在引力作用下吸引其它天体物质形成新星 新形成的星在其自身运动过程中可以通过俘获或者是其它星体主动进入而形成新的星系 这个新的星系会不断发展 演化 壮大 3 相撞后的星系 有些新形成的星或没有相撞着的星 它们有些留在新形成的星 云中 在新的星云里开始新的发展和演化历史 4 相撞后的星系 应当有相当数量的绕中心体转动的星球没有撞着 这些原有绕 中心体转动的星球它们会沿着当初的运转方向成为一个独立天体运行在宇宙中 这些独立的天体 它们在宇宙运行过程中 通过俘获或主动进入的方式又形成新的绕 转星系 5 这些独立的天体可能进入其它星云 星系里 在进入其它星云里时 如果该星 云里没有大一点的天体 新进入的天体就会成为这个星云主帅天体 在进入其它星系的时 候 它可能同该星系的成员发生相撞 或成为该星系的一个成员 或穿过该星系而去 2 2 星系及星系分类星系及星系分类 2 1 星系的定义星系的定义 在宇宙中 由两颗或两颗以上星球所形成的绕转运动组合体叫做星系星系 星球的绕转形式有两种 一是众多质量小的星球绕质量大的中心星球转动 如太阳系 众多行星和彗星等绕太阳转动 二是两颗星球围绕共同质心相互转动 如地球和月亮组成 的地月星系 二者共同围绕地月质心转动 绝大多数星系属于前者 6 在宇宙中 有众多的星系 这些星系大小不一 形态各异 有独立星系 有星系之中 的星系 有直线运动的星系 有曲线运动并绕中心体转动的星系 为了研究星系的成因 需要对宇宙中的星系进行分类 2 2 哈勃星系分类哈勃星系分类 美国天文学家哈勃对宇宙中的星系按其形态或叫结构类型划分为三类 1 椭圆星系 椭圆星系是从圆球星系发展演化而成的 图 2 1 是该类型星系由圆 球状星系发展成为椭圆星系的一组照片 2 旋涡星系 旋涡星系在宇宙中也有多种形态 而且也有一个发展演化的过程 一开始从不规则的形态向规则形态逐步发展演化 图 2 2 是大熊座里一个开放型的旋涡星 系照片 图 2 3 是一个中间通过星云相连接的有伴星的旋涡星系照片 3 不规则星系 图 1 4 是一个棒状旋涡星系照片 不规则星系也能逐渐发展演化 为规则星系 图 2 1 椭圆星系照片 图 2 2 漩涡星系照片 图 2 3 有伴星星系照片 图 2 4 棒状旋转星系照片 2 3 本文的星系分类 本文的星系分类 1 按照星系之间是否有隶属关系 将宇宙中的星系划分为独立星系独立星系和从属星系从属星系 在宇宙空间中独立运行 它没有环绕中 心体旋转 这样的星系叫做独立星系 而环绕中心体运行的星系如太阳系绕银心运转 地 月星系绕太阳运转 这样的星系叫做从属星系 2 按照中心星是否旋转 划分为核旋转星系核旋转星系和核不旋转星系核不旋转星系 在宇宙中独立星系它的核有的旋转有的不旋转 而从属星系它的核都是旋转的 3 按照星系运行的轨迹 划分为直线运动星系直线运动星系和曲线运动星系曲线运动星系 在宇宙空间中 那些独立星系在主星带领下按 照主星形成时的射线方向在宇宙空间内进行直线运行 有的星系如从属星系则是绕着主星 进行曲线运行 4 按照星系所在的空间位置 7 划分为系内星系系内星系和宇宙星系宇宙星系 凡是在星系内运动的星系叫做系内星系 凡是在星系外 宇宙空间里独立运动的星系叫做宇宙星系 5 按照星系形成的年龄 划分为年老星系年老星系和年轻星系年轻星系 凡是那些在宇宙空间中或在星系内部形成时间比较长年 龄大的星系叫做年老星系 年老的星系大都已演化成为比较规则的星系 在宇宙空间或在 星系内部有的星系刚刚形成或形成不久 这样的星系叫做年轻的星系 年轻的星系大都呈 不规则状态 6 按照星系中星球的关系 划分为中心式星系中心式星系和伴星式星系伴星式星系 由众小质量星球绕大质量星球运动所组成的星系叫做 中心式星系 如太阳系 银河系等 由两颗星球互绕二者中心质点运动所组成的星系叫做 伴星式星系 如地球和月亮所组成的地月星系 3 3 太阳系太阳系 3 1 太阳系的特征太阳系的特征 太阳系是由行星 小行星 彗星等天体绕中心星球太阳所组成的绕转运动组合体 在太 阳系中有系中系 如行星和卫星所组成的行星系 卫星和绕其转动的子卫星所组成的卫星 系 等等 太阳系具有如下特征 3 1 13 1 1 星球轨道形状特征星球轨道形状特征 绕太阳公转的星球轨道形状为 近圆形 椭圆形 抛物线形和双曲线形 在太阳系中 水星 金星 地球 火星等 它们的绕太阳公转轨道形状为近圆形 而外围的其它星球公 转轨道为椭圆形 太阳系的彗星公转轨道为椭圆形 抛物线形和双曲线形 图 3 1 是太阳 系模式图 图 3 2 是彗星轨道图 3 1 23 1 2 星球公转方向特征星球公转方向特征 绕太阳公转的星球 九颗行星都为逆时针方向公转 而有些彗星如哈雷彗星为顺时针 方向绕太阳公转 3 1 33 1 3 星球自转方向特征星球自转方向特征 太阳系的金星自转方向为顺时针 而其它八颗行星都为逆时针方向自转并同公转方向相 同 8 图 3 1 太阳系模式图 3 1 43 1 4 星球分布特征星球分布特征 太阳系的九颗行星公转轨道面都在太阳赤阳面两侧附近 而彗星的公转轨道面从太阳 两极到太阳赤道各纬度都有分布 图 3 3 是彗星轨道倾角即在太阳周围不同纬度的分布图 3 1 53 1 5 星球运动姿势特征星球运动姿势特征 地球是倾斜在轨道上自转 天王星是躺着在轨道上自转 其它几颗星球为直立或倾斜 着自转 3 1 6 太阳系内星系特征太阳系内星系特征 由彗星和行星绕太阳旋转所形成的太阳系的上述五个特征 对于由卫星绕行星旋转所 形成的行星系来说基本相同 图 3 2 彗星轨道图 图 3 3 彗星在太阳周围分布图 3 2 太阳系成因假说简介太阳系成因假说简介 将一些有代表性的太阳系成因的理论及假说做如下简略介绍 3 2 13 2 1 布封学说布封学说 法国动物学家布封在 1745 年提出 曾经有一个大彗星碰到了太阳 使太阳转动起来 碰出来的一些物质形成了行星和次一级的卫星 并使之绕中心天体转动起来 这个学说叫 做彗星碰撞学说 3 2 23 2 2 张伯伦学说张伯伦学说 美国地质学家张伯伦在 1900 年提出 曾经有一个恒星走到离太阳很近的地方 由于潮 汐力的作用 在太阳两面形成巨大的潮 就象我们现在所见到的日珥 在这两个巨大的潮 中有气体 液体和固体 固体聚集成块叫做星子 由这些星子发展成为行星等绕太阳转动 的天体 这个学说也叫做星子学说 3 2 33 2 3 谢伊学说谢伊学说 美国天文学家谢伊于 1910 年提出 有两个星云相碰 在碰撞后的星云中形成了太阳 其它物质形成行星 也叫星云碰撞学说 9 3 2 43 2 4 阿亨尼学说阿亨尼学说 瑞典化学家阿亨尼于 1908 年提出 有两个恒星沿着一个角度侧面相撞 使这两个恒星 变为一个恒星 由于侧向相撞所以产生了转动 相撞后所飞出的物质形成行星等天体 这 个学说也叫侧撞恒星合拼学说 3 2 53 2 5 毕克顿学说毕克顿学说 西新兰科学家毕克顿于 1881 年提出 一个恒星接近太阳时 潮汐作用 使太阳和另颗 恒星都发生变形 在两者中间分出呈卵形的物体 这些物体成为绕太阳转动的行星 用该 学者自己的形象说法 两个相接近的恒星潮汐力所拉出的物体就象宇宙中的火花 有人将 该学说称为宇宙火花学说 3 2 63 2 6 罗素学说罗素学说 美国天文学家罗素于 1935 年提出 太阳曾经是一对双星 后来有一颗恒星走近将其中 一颗子星拉走 被拉走时留下了一长条物质 这些物质后来形成了行星 这个学说也叫双 星学说 3 2 73 2 7 魏扎克学说魏扎克学说 德国天文学家魏扎克于 1944 年提出 太阳形成后被一个气体尘埃云包围着 这个云由 于旋转而变扁 形成了星云盘 后来星云盘形成行星 这个学说可以叫做太阳进入星云学 说 3 2 83 2 8 费森柯夫学说费森柯夫学说 前苏联天文学家费森柯夫于 1919 年提出 形成行星的物质全部是从太阳上抛射出来的 由于原来的太阳质量大 含氢量高 自转速度快而且不稳定 因此抛射出形成行星的物质 这个学说叫做太阳自身抛射学说 3 2 93 2 9 伯克兰学说伯克兰学说 挪威科学家伯克兰于 1912 年指出 电磁力在太阳系形成过程中起到重要作用 太阳从 一开始就有磁场 太阳抛射出的离子 沿着磁力线在螺旋轨道上向外运动 停留在一些圆 上 圆的半径决定了电子电荷和离子质量的比率 这样就形成了一系列的球 不同的球由 不同的离子组成 这个球的物质后来集聚形成一个行星 这个学说叫做离子集聚学说 3 2 103 2 10 麦克雷学说麦克雷学说 英国天文学家麦克雷于 1960 年提出 形成太阳系的大星云首先破裂为许多小星云 这 些小星云具有随机的运动和转动速度及方向 小星云常常相互碰撞 绝大部分结合起来形 成了太阳 另外一部分小星云形成了行星 这个学说可以叫做原云先碎后聚学说 3 2 113 2 11 瓦尔科维奇学说瓦尔科维奇学说 罗马尼亚物理学家瓦尔科维奇于 1964 年提出 太阳系内的类地行星是同太阳星云外围 部分或由太阳抛射出的物质形成的 而类木行星是太阳在星际空间运行时 从遇到的星际 云中所俘获的物质形成的 这个学说叫做异源分步形成学说 3 2 123 2 12 布郎学说布郎学说 美国物理学家布郎于 1971 年提出 在过去有一个质量是太阳 50 100 倍大的超新星爆 发时 抛射物中的一个碎块形成了今天的太阳系 该学说叫做超新星爆发碎块成因学说 3 2 133 2 13 米特拉学说米特拉学说 印度天文学家米特拉于 1975 年提出 太阳系是以星团方式集体产生的 在宇宙中有一 个很大的星际云由于自吸引出现湍流 进而形成一个星团 这个星团逐渐互相散开 原太 阳是其中一个初始角动量几乎为零的成员星 以后 原太阳在绕银心转动的过程中 不断 吸积那些与其自己轨道相似的颗粒 逐渐形成一个围绕太阳的球形包层 进而演化为星云 盘 并且由于它的角动量传给了原太阳而使太阳自转起来 这个学说可以叫做星团散开形 10 成太阳学说 3 2 143 2 14 康德和拉普拉斯学说康德和拉普拉斯学说 康德是德国哲学家 生于 1724 年 死于 1804 年 拉普拉斯是法国数学家和物理力学 家 生于 1749 年 死于 1827 年 这两位太阳系星云学说创始人在互相不知道的情况下 分别发表了内容大体相同的太阳系起源学说即星云学说 太阳系起源星云学说为大多数天文学家认可 从十八世纪到现在虽然已经过去了二百 多年 在这期间有许多科学家提出过有关太阳系起源的星云学说 尽管这些学说在某些方 面和某些形成机制上都有自己的见解 但总的宗旨没有离开康德 拉普拉斯星云学说 太阳系起源星云学说宗旨就是一句话 太阳系是从一个星云中形成的 在这个星云中 有气体 有尘埃 有冰块 有大大小小的固体物质 在万有引力作用下物质相互吸引 星 云体积在缩小 在这个星云的中心形成了太阳 由于星云原始存在转动 在体积缩小时 因为角动量守恒 星云转动加快 变成扁球状 扁平面上的星云继续收缩形成了现在的共 面同方向转动的行星 3 33 3 关于太阳系起源学说的分类关于太阳系起源学说的分类 有关太阳系起源的学说虽然高达四十多家 但是按照太阳周围星球的物质来源可以划 分为三个学派 分出说 俘获说 共同形成说 分出说 在这一学派中 有的认为是另外一颗恒星碰到太阳 碰出了物质 这些 碰出的物质形成了行星 有的认为 太阳曾经出现过巨大规模的变动 例如太阳的自转快度变快 由一个恒星 分裂为两个恒星 后来因为某种原因 其中一个离开了 离开时所留下的物质形成行星 有的认为 太阳原来是一对双星 其中一颗子星被另外靠近的一颗大星拉走了或俘获 了 在子星被拉走或俘获时所留下来的物质形成了太阳系现在的行星 也有的认为 太阳的伴星爆发成超新星 留下的物质形成了行星 另外还有的观点认 为是太阳自身抛射出来的物质形成了行星 俘获说 这一学派的共同看法认为是太阳先形成的 太阳形成后俘获了周围的或 宇宙空间里的其它星际物质 而由这些物质形成了行星 共同形成说 形形色色的各类星云说都是属于这一学派 这一学派认为 太阳系 是由一个星云形成的 尽管各学者对太阳系内的星球形成和自转及公转有各自的见解 但 他们都共同认为太阳系是由一个原始星云逐渐演化而形成的 或者说形成行星的物质来源 于太阳或与太阳有关系的其它星球 3 4 模拟试验模拟试验 一个太阳系成因理论或叫假说不仅能解释太阳系的特征 而且也能解释行星系和其它 星系的特征 为了研究太阳系的成因和解释太阳系的特征 用一块磁铁和一个小铁球 做一下试验 3 4 13 4 1 试验一 试验一 小铁球用线吊起来挂在空中不动 将用线吊着的磁铁块和小铁球在一个水平面上 磁 铁块在小铁球的西面 由北向南运动 如图 3 4 试验结果如下试验结果如下 见图见图 3 5 11 当两者相距适当的运动距离 如果磁铁块运动速度慢 在靠近小铁球时 小铁球就被 磁铁块吸了去 图 3 5A 当磁铁块以适当的速度运行时 小铁球就会沿着一个近圆形轨迹 绕磁铁块转动 图 3 5B 当磁铁块以较快的速度从小铁球一侧通过时 小铁球就是一个抛 物线弧形或双曲线弧形从磁铁块一侧运动过去 图 3 2C 同时小铁球也产生如图 E 方向 的自传 图 3 4 磁铁快从铁球西侧运动示意图 图 3 5 试验一结果示意图 3 4 2 试验二 试验二 如同试验一 不同的是 让磁铁块在小铁球的东侧由南向北运动 如图 3 6 铁球E A B C 磁铁 12 图 3 6 磁铁快从铁球东侧运动示意图 试验结果如下 试验结果如下 公转和自传方向就完全反向了 3 4 3 试验三 试验三 如同试验一 不同的是 让小铁球沿 F 方向自传 然后磁铁块在小铁球西侧由北向南 运动 如图 3 7 图 3 7 试验三模拟试验结果示意图 试验结果如下 试验结果如下 小铁球仍然沿 F 方向转动 只是自传速度变慢了 3 4 4 试验四 试验四 如同试验一 不同的是 磁铁块和小铁球大小近似时 试验结果是 二者互相绕转 如图 3 8 图 3 8 试验四模拟试验结果示意图 将以上的试验反过来 让小铁球运动 其结果是一样的 将以上的试验反过来 让小铁球运动 其结果是一样的 13 3 4 53 4 5 人造地球卫星的轨道人造地球卫星的轨道 图 3 9 是发射人造地球卫星可能出现的几种轨道形状 人造卫星轨道形状完全取决于 末级火箭的速度 如末级火箭的末速度小 卫星的轨道形状为图 3 6 的 形 卫星将回落 到地球上 如果末级火箭的末速度正好 其卫星轨道形状为图 3 6 的 形 为 绕地球的圆形轨道 如果末级火箭末速度大 其卫星轨道形状为图 3 6 的 形 成为椭圆 形 如果末级火箭的末速度等于地球的逃逸速度时 卫星的轨道形状为图 3 6 的 形 呈 抛物线形 如果末级火箭末速度大于地球的逃逸速度 卫星的运动轨道就成为双曲线形 人造地球卫星在地球上空的高度和运动方向也由末级火箭的末级高度和末级方向所决定 图 3 9 卫星运动的轨道 3 4 63 4 6 嫦娥二号的轨道嫦娥二号的轨道 图 3 10 是嫦娥二号奔月轨道示意图 虽然嫦娥二号是人造天体 但它和月亮形成了月 卫星系 图 3 10 嫦娥二号奔月轨道示意图 3 53 5 太阳系的成因解释太阳系的成因解释 太阳系中所有的成员都是在太阳形成以后进入太阳系轨道的 其进入太阳系轨道的方 式有以下几种 第一种 在太阳还没有进入银河系轨道之前 太阳在宇宙中独立运行时 就有星球进 入到了太阳的周围 成为太阳的绕转星球 太阳是带着绕转星球进入了银河系轨道 第二种 太阳在绕银河系银心运动时 同其它绕银河系星球的轨道相靠近 从而俘获 A B C D 14 了绕其它星球转动的天体 第三种 在银河系中独立运行的星球在离太阳距离和速度适合时进入到了太阳系 成 为绕太阳转动的一员 成为太阳系成员的星球 有两种来源 其一是在银河系内发生爆炸而形成的星球 如 彗星 其二是从银河系之外形成的 如行星 3 5 13 5 1 绕太阳公转轨道形状的成因绕太阳公转轨道形状的成因 太阳系成员的轨道形状由进入太阳系时的相对速度和相对距离决定 进入太阳系轨道 的星球速度小了 就 掉 进太阳了 速度正好 其轨道形状为近圆形 其速度大一点 轨道形状为椭圆形 如果速度再大一点 其轨道形状就成为抛物线形或双曲线形 3 5 23 5 2 太阳各纬度都有星球分布的成因太阳各纬度都有星球分布的成因 独立在银河系中穿行的天体 它可以从各个方向和各种角度飞近太阳的身边 这些天 体能够从太阳两极处和各纬度及赤道进入太阳系而成为太阳系的成员 因此在太阳赤道面 附近和极处及各纬度都有星球分布 3 5 33 5 3 行星集中在太阳赤道附近的成因行星集中在太阳赤道附近的成因 太阳是一个巨大的引力球 这个引力球是绕轴自转的 自转就会产生离心力 离心力 在球的极处最小 在近赤道处离心力大 所以太阳系年龄老的行星在太阳自转离心力场的 作用下集中到太阳赤道面附近 地质力学创始人李四光做了球体离心试验 试验如下 图 3 11 是地质力学的模拟实验 在直径 20 厘米的泡沫塑料球体上 涂 16 层聚醋酸 乙烯乳液 构成厚约 3 毫米的薄膜 经电动机旋转加力 500 转 分 在近球体赤道附近 于试料上形成一系列近东西向的褶曲 地质力学所作的上述模拟试验完全证明 所有旋转 球体都会产生自两极向赤道方向的离心力 其表面物质也将在离心力作用下产生变化 图 3 11 地质力学的模拟试验 3 5 43 5 4 星球直立 倾斜和躺在轨道运行的成因星球直立 倾斜和躺在轨道运行的成因 在太阳系中 在轨道上直立自转的行星 它们就是在太阳赤道附近进入太阳系的 倾 斜在轨道上自转的行星 是在太阳相应的纬度处进入轨道的 后来在太阳离心力场的作用 下运行到了现在的位置 横躺在轨道上自转的天王星 是在太阳极处进入轨道的 以后在 太阳引力场的离心力作用下来到了太阳赤道面附近 15 3 5 53 5 5 星球公转反向 如哈雷彗星 的成因星球公转反向 如哈雷彗星 的成因 同向公轨的太阳系天体 它们是在同一侧进入太阳系轨道的 公转反向运行的天体 是在太阳的另一侧进入太阳系轨道的 3 5 63 5 6 星球自转反向的成因星球自转反向的成因 自转反向的金星 说明它在进入太阳系轨道之前就已是顺时针方向自转着的 当它进 入太阳系轨道时 所产生的潮汐扭动力小于原来已有的自转力 所以金星仍然保存原来的 自转方向 只不过是自转速度已变的特别慢 自转周期特长 3 5 73 5 7 行星系的成因行星系的成因 行星周围的卫星形成过程同太阳系 而且在卫星的周围可能存在子卫星和孙卫星 小 行和彗星的周围都可以有卫星 都可以形成绕转运动组合体即星系星系 它们的成因和太阳系 的成因一样 在宇宙中 所有星系的成因是相同的 在宇宙中 所有星系的成因是相同的 4 太阳的成因太阳的成因 4 1 有关太阳的研究程度和太阳资料有关太阳的研究程度和太阳资料 4 1 1 有关太阳的研究程度有关太阳的研究程度 目前人类对太阳的研究程度只限于远距离的观测 只观测到太阳的表层即光球的表面 及外层色球和日冕等部分 对于光球表层以下是什么物质及其运动不清楚 4 1 2 太阳资料太阳资料 太阳的基本数据 以下数据是指太阳的光球部分 太阳的基本数据 以下数据是指太阳的光球部分 直径 13 9198 1010厘米 体积 1 4122 1033厘米 3 质量 1 989 1033克 密度 1 409 克 厘米 3 辐射能 5 8 1027卡 分 太阳的分层结构 太阳的分层结构 对于太阳光球以内是什么结构不清楚 目前只是推测和假设而已 16 图 4 1 太阳光球和日冕照片 图 4 2 太阳色球和日冕照片 在通常情况下 只能看到太阳光球和日冕 看不到光球内部情况 能看到光球表面的 一些活动现象 如图 4 1 在全日食情况下 能看到太阳光球外的色球层和日冕层 如图 4 2 1 光球层 太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面 通常所说的太阳半径也是指光球的半径 光球的表面是气态的 其平均密度只有水的几亿分之一 它的厚度大约500 公里以 上 看不见光球底部情况 光球温度6000 度左右 米粒组织 在太阳光球层的大气中存在着激烈的活动 用望远镜可以看到光球表面有许多密密 麻麻的斑点状结构 很象一颗颗米粒 称之为米粒组织 如图4 3 图 4 4 图 4 3 太阳米粒组织照片 图 4 4 太阳米粒组织照片 从照片上可以看出 米粒组织呈不规则状多边形 大小不等 明亮部分温度高 暗 的部分温度相对低 黑子 光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子 图4 5 图 4 5 图 4 7 图 4 8 是太阳光球上的黑子照片 图 4 5 单个黑子照片 图 4 6 多个黑子照片 17 图 4 7 呈群黑子照片 图 4 8 太阳面上黑子照片 2 色球层 在光球的外层是色球 在全日食时能看到 在色球的某些区域有时会突然出现大而 亮的斑块称为耀斑 又叫色球爆发 如图4 9 图 4 10 一个大耀斑可以在几分钟内 发出相当于数亿颗氢弹的能量 图 4 9 太阳耀斑照片 图 4 10 太阳耀斑照片 在色球上跳动着鲜红的火舌 这种火舌状物体就叫做日珥 日珥是在太阳的色球层上 产生的一种非常强烈的太阳活动 如图 4 11 图 4 12 图 4 13 图 4 11 日珥照片 图 4 12 日珥照片 图 4 13 日珥照片 太阳色球是充满磁场的等离子体层 厚度约2500 公里 色球层的温度 4000 度 左右 3 日冕层 日冕是太阳大气的最外层 厚度达到几百万公里以上 日冕温度大约100 万度 2 2 22 2 2太阳的物质成分 太阳的物质成分 对于太阳的物质成分我们无法取样化验 通过光谱谱线比对 在地球上发现的 100 多 种元素 在太阳上发现有 67 种 这些元素是太阳光球的 对于光球下层是什么 现在不清 楚 在日冕层中分布有铁离子 18 4 2 传统的太阳成因观点传统的太阳成因观点 4 2 14 2 1 目前普遍认可的有关太阳成因的观点如下 目前普遍认可的有关太阳成因的观点如下 1 物质来源 是有氢组成的星云凝聚形成太阳 2 能量来源 氢聚变为氦产生热能 3 太阳的温度 太阳中心温度高达 1500 万度 4 太阳的结构 如图 4 14 图 4 14 太阳结构图 4 2 24 2 2 传统太阳成因观点存在的问题如下 传统太阳成因观点存在的问题如下 1 关于物质来源 第一 没有发现在宇宙中存在单纯成分为氢的星云 第二 就算存在这样的星云 气体是依靠什么力凝聚到一起的 气体是不会自行凝 聚的 第三 我们目前观测到的太阳物质只是太阳的光球表面 而且在这里还存在其他近 70 种元素 第四 在木星的大气层中 存在 3 4 的氢 这和太阳的光球的主要成分含量相近 2 关于能量来源 第一 氢能聚变为氦 但是它的反应速度是靠什么控制的 如果没有控制机制 反 应将迅速扩大和完成 第二 热量是如何从内部传到外部的 第三 气体受热将迅速体积扩张 太阳为什么没有体积扩张 对于人们所共识的太阳成因观点 存在许多无法解释通的问题 4 3 本文太阳成因观点本文太阳成因观点 4 3 14 3 1 物质及物质来源物质及物质来源 我们思考问题可以反过来思考 假如太阳系的行星和太阳粉碎了 将产生什么物质 1 如果地球粉碎 地球粉碎将产生 粉尘状土壤 破碎的岩石 高温的岩浆 水蒸气及冰 各种气体及 其他物质 2 木星粉碎 木星粉碎所产生的物质同地球相近 19 3 太阳破碎 太阳破碎所产生的物质决定于太阳是由什么物质组成的 关于太阳的组成物质人们的 观点不同 但有一点是相同的 太阳上存在高温物质 所以 太阳破碎后将产生高温物质 弥漫于宇宙空间中 所以 在宇宙中存在 离子 电子 尘埃 气体 水蒸气 冰 各种岩石碎块 高温 熔融物质等等 4 1 24 1 2 组成太阳的物质组成太阳的物质 1 物质来源 组成太阳的物质来源于宇宙 2 组成太阳的物质成分 组成太阳的物质成分就是宇宙中的 离子 电子 尘埃 气体 水蒸气 冰 各种岩 石碎块 高温熔融物质等 4 1 34 1 3 太阳的形成过程太阳的形成过程 太阳的形成过程和地球的形成过程是一样的 固体的太阳核吸收了高温熔融物质形成 太阳幔 地球和太阳不同的是 地球在进入太阳系成为绕转星前 高温熔融地幔的外层已冷却 凝固并和其他物质形成了地壳 太阳和地球不同的是 太阳在进入银心成为银河系绕转星时 太阳幔及表层呈高温熔 融状态 4 1 44 1 4 太阳热能的来源太阳热能的来源 太阳向空间辐射出大量的热能 这些热能主要来源以下三方面 1 基础热能也叫原始热能 太阳核吸收高温熔融物质形成太阳幔 来源于破碎星球的高温物质 2 运动热能 如地球上的海水在太阳和月亮的引力下产生潮汐作用一样 呈熔融状态的太阳幔在银 心和木星 其他行星的作用小 的引力作用下产生潮汐作用 产生潮汐运动热能 宇宙天体的降落也产生大量的运动热能 3 反应热能 主要是碳 水反应的热能 其次是其他元素的氧化反应 放射性元素的蜕变等 在固体地球上 碳主要是以碳酸钙的形式存在 一种是化学沉积形成的各类石灰岩 变质后形成大理岩 另类是由岩浆形成的碳酸岩 碳酸钙在高温下形成氧化钙 氧化钙 碳在电炉里形成电石 电石 水形成乙炔和一氧 化碳 碳在高温下 水形成一氧化碳和氢气 碳 水的这些反应都产生大量的热量 水能电离成氧气和氢气 4 1 44 1 4 太阳的活动太阳的活动 太阳内部的运动和地球内部运动一样 在引力作用下 太阳核不在太阳的中心 偏向 引力方向的另一方 太阳也发生 如地球发生的地震叫太阳震 太阳火山 在固态和熔融体太阳的表面即光球的底部太阳表层 其温度低于光球 熔融的太阳岩 浆从太阳幔溢出太阳面 在碳 水等的作用下温度升高 太阳岩浆呈爆发式喷出 就形成 耀斑 太阳风 日珥等太阳表层现象 太阳黑斑的 11 年周期现象是和木星的 11 年周期运动相关 20 5 地球的成因地球的成因 5 1 地球的特征地球的特征 要探讨地球的成因就必须认识地球了解其特征 也就是收集和整理地球资料 5 1 1 地球的转动地球的转动 地球是一颗倾斜倾斜在轨道上自转和绕太阳公转的行星 地球绕太阳公转的轨道面叫做黄黄 道面道面 地球的赤道面同黄道面的夹角为 23 26 图 5 1 是地球倾斜在轨道上转动的示意 图 图 5 1 地球倾斜在轨道上转动示意图 地球到太阳的平均距离叫做 1 个天文单位个天文单位 长度为 1 496 108公里 地球绕太阳公转的周期为一年 地球在轨道上运动的平均速度为 29 8 公里 秒 地球每天绕自转轴自转一周 赤道处的线速度为 465 米 秒 5 1 2 地球的形状 大小地球的形状 大小 通过对地球卫星资料分析得知 地球在横的方向即纬度 在纵的方向即经度都不是正 圆形 地球赤道的形状呈椭园状 长 轴比短轴长约 430 米 长轴指向西 经 20 度和东经 160 度的方向 地 球赤道平均半径为 6378 1 公里 图 5 2 是地球纬度形状示意图 21 图 5 2 地球纬度形状示意图 图 5 3 地球经度形状示意图 地球的北半球向外稍尖而凸出 南半球向内凹 北极高出球面 19 米 南极低于球面 26 米 南北极相差 45 米 从赤道方向看地球近似一个 梨 的形状 图 5 3 是从赤道方 向看地球的形状示意图 地球两极平均半径为 6356 8 公里 5 1 3 固体地球的内部结构固体地球的内部结构 通过对地震纵波和横波在固体地球内部传播和变化情况 已经确认固体地球是一个圈 层状结构的球体 图 5 4 是相关学者绘制的地震波曲线与固体地球结构示意图 表 5 1 是 相关学者测量的地球内部一些数据 图 5 4 地震波曲线与地球结构示意图 表 5 1 地地 球球 内内 部部 数数 据据 地球圈层地球圈层 名称名称 深度 公里 深度 公里 地震纵波速度地震纵波速度 公里 秒 地震横波速度地震横波速度 公里 秒 密密 度度 克 立方厘米 物物 质质 状状 态态 地 壳 0 335 6 7 03 4 4 22 6 2 9 固态岩石圈 上地幔 33 9808 1 10 14 4 5 43 2 3 6 部分熔融物质 下地幔 980 290012 8 13 56 9 7 25 1 5 6 液态 固态物质 外地核 2900 47008 0 8 2 不能通过 10 0 11 4 液态物质 过度层 4700 51009 5 10 3 12 3液态 固态过度带 内地核 5100 637110 9 11 2 12 5固态物质 从物质存在状态可将固体地球的结构划分为 固态固态 液态液态 固态固态三大部分 在两种物 态中间是过渡带 为了研究地球的成因 依据物质存在状态 本文将固体地球内 部进行如下结构划分 固态地核固态地核 原内地核 液态地幔液态地幔 原外地核 固态地壳固态地壳 如图 5 5 液态地幔同固态地核存在过度层 同固态地壳存在过度层即原来叫做的下地幔和上地 幔 22 图 5 5 地球结构示意图 5 1 4 地球的外部结构地球的外部结构 在固态地球外部存在水圈 生物圈和大气圈 在地球的表层由水体所构成的连续圈层叫做水圈水圈 水能以汽态 液态和固态三种形式 存在 按水所在的位置或环境将水分为 海水 陆地水和大气水 地球的总水量大约为 1 36 1015立方米 如果将全部水平均覆盖到地球表面可深达 2700 多米厚 在地球的表层由生物存在和活动所构成的连续圈层叫做生物圈生物圈 绝大多数生物活动在 水深 200 米到空中 200 米以内的范围 有些生物能在极端的条件下生存 在海洋几千米以 下的水域有鱼的存在 在太空有生物孢子在太空有生物孢子 在地球周围所聚集的气体圈层叫做大气圈大气圈 依据大气的物理性质和运动特点 从地表 向上将大气圈划分为 对流层 平流层 中间层 暖层和散逸层 在地球上 3000 公里的高 空 空气已是极其稀薄 空气粒子将挣脱地球引力逃向太空 该处以外视为宇宙太空 5 1 5 海底地形海底地形 1 太平洋海底地形 太平洋海底地形 图 5 6 是太平洋海底地形图 通过图可以看到太平洋海底地形具有以下特点 多条 大洋海沟分布在太平洋四周 海沟长几千公里 深几千米 最深的位于太平洋西部马里亚 纳海沟深达 11034 米 在东太平洋有一条巨大的海洋隆起叫做东太平洋高原 呈弧状 弧凸向东 在弧状的东太平洋高原的内侧即西部为广阔的海洋盆地 在广阔的海洋盆 地中分布着群岛和大洋山脉 23 图 5 6 太 平 洋 海 底 地 形 2 印度洋海底地形 印度洋海底地形 图 5 7 是印度洋海底地形构造图 印度洋海底地形具有以下特点 其山脉和构造 带呈 人 字形分布 人 字头部指向赤道 海底山脉发生向北即赤道方向平移错动 在低纬度赤道附近构造错动强烈 图 5 7 印 度 洋 海 底 地 形 构 造 图 3 大西洋海底地形 大西洋海底地形 图 5 8 是大西洋海底地形图 大西洋海底地形具有以下特点 海底地形复杂 有众 多的海脊和海盆 北大西洋和南大西洋海底地形有所不同 可以分为北大西洋海底地形 和南大西洋海底地形两大部分 所谓的大西洋海脊没有相互连接 分为北大西洋海脊和 南大西洋海脊 这两大海脊在赤道附近各自弯曲 两者相距近千公里 大西洋中的海脊 有多条弯曲呈弧状 在弧的内侧为广阔的海盆 海盆的外侧为海脊 5 1 6 陆地地形陆地地形 1 欧亚大陆地形 欧亚大陆地形 图 5 9 是世界地形图 欧亚大陆地形具有以下特点 世界最高的山峰位于欧亚大陆 24 的喜马拉雅山的珠穆朗玛峰 海拔 8848 米 山脉呈弧状 弧凸向赤道 在弧的内侧为广 阔的平原 平原之中分布一条南北向的山脉即乌拉尔山脉 2 北美洲和南美洲地形 北美洲和南美洲地形 北美洲和南美洲的山脉位于西部 同太平洋相邻 山脉也存在弧形弯曲 在低纬度近 赤道附近弯曲度大 高纬度弯曲度小 在弯曲山脉的内侧为广阔的平原 通过河流的分布 和流向可以看出 在平原内分布低矮隆起或丘陵 3 非洲地形 非洲地形 非洲的山脉位于东部 在低纬度也存在弧形弯曲 弧凸向陆地 弧的内侧为海盆 图 5 8 大 西 洋 海 底 地 形 图 5 1 7 海洋地形和陆地地形的共同特点海洋地形和陆地地形的共同特点 1 在低纬度的隆起 高原或山脉呈弧形 而且弯曲度大 2 在呈弧形弯曲的隆起 高原或山脉的内侧是开阔的平原或海盆 3 在开阔的平原或海盆内分布有隆起和山脉 4 各大陆和大洋的面积大小不同 形状不同 高低纬度位置不同 其地形地貌各有 25 特点 5 东太平洋高原 印度洋和大西洋的海脊在南极海底相连 5 1 8 地球的磁性地球的磁性 地球是有磁性的 简称叫做地磁地磁 磁针能指明地磁南北两极 地理两极和地磁两极不 在一个位置 目前北半球的磁极位于北纬 70 50 和西经 100 50 的点上 该点位于加拿大北 瑟斯岛 南半球的磁极位于南纬 66 20 和东经 140 的点上 该点在南极 地磁子午线即 磁针在某点水平面上所指的方向与地理子午线有一个夹角 这个夹角叫做磁偏角磁偏角 在火山岩和沉积岩形成过程中 一些能被地磁场磁化的矿物 在它们的成岩过程中就 保留了当时的地磁场情况 通过古地磁研究 现在已经证明地磁在地质历史时期中多次发 生磁极倒转 图 5 10 是大西洋脊一个位置的古地磁测量成果图 图中黑色部分是正磁异常 白色部分是负磁异常 图 5 11 是地磁极反向与正向年代图 26 图 5 9 世界地形图 地磁不仅在地质历史中发生极性变化 而且在现在 地磁强度在地球上各处是不相同 的 图 5 12 是全球地磁场强度图 地球的磁场和太阳黑子所产生的磁场强度相差上万倍 太阳所发生的磁爆给地球磁场 造