6.5 行星.恒星.星系和宇宙

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