科技背景下宇觀世界演示文稿1

第十五章

科學(xué)背景下的宇觀世界§1天文學(xué)概述一、幾個重要概念1、天文學(xué)——研究宇宙及其中各種天體的位置、

運動、結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律的科學(xué)。2、宇宙——時間、空間、物質(zhì)與運動的統(tǒng)一體。

《淮南子》：“四方上下曰宇，往古來今曰宙?！闭軐W(xué)宇宙：空間上無邊無沿，時間上無始無終觀測宇宙：空間—150億光年，時間—150億年天文學(xué)概述3、天體——星云、恒星、行星、彗星和人造天體4、光年——長度單位，1光年=1016米意義：①表征天體間的空間距離；

②表征攜帶信息的時間歷史。光1秒鐘可以繞地球運行7圈，光從太陽傳到地球只需要約8分鐘。二、宇宙概觀宇宙（150億光年）

星系（銀河系、河外星系）

恒星系（太陽系）

地球天文學(xué)概述?宇宙概觀天體系統(tǒng)尺度：天文學(xué)概述?宇宙概觀天體系統(tǒng)質(zhì)量：天文學(xué)概述?宇宙概觀1、太陽系——以太陽為中心，以及由它的引力支配而繞它運動的天體所構(gòu)成的系統(tǒng)。包括：9大行星，5000多個小行星，66個天然衛(wèi)星，為數(shù)眾多的彗星、流星、星際物質(zhì)、人造天體。宇宙概觀?

太陽系（1）太陽——銀河系中一顆普通恒星直徑約1.510-7光年，表面溫度6000K,中心溫度1.5107K,質(zhì)量相當(dāng)于33.3萬個地球

日珥、太陽黑子、米粒組織太陽系宇宙概觀?

太陽系太陽風(fēng)——地球的磁場盾牌被吹扁了。宇宙概觀?

太陽系2003年10月28、29日強烈太陽耀斑爆發(fā)。手機、衛(wèi)星通訊受到影響。宇宙概觀?

太陽系太陽的兩次核聚變：氫聚變——宇宙最高效核能，釋放能量千分之七，可維持90億年左右；氦聚變——由于壓力溫度升高，太陽內(nèi)部將誕生一個新太陽，高熱輻射將使太陽膨脹100萬倍以上。白矮星宇宙概觀?

太陽系（2）水星（mercury）-神行太保1年=88天，1天=58.6天水星無大氣，與月球相似，表面有環(huán)形山，沒有衛(wèi)星。水星近日點的進(jìn)動：每世紀(jì)（43度）勒威耶-——水星內(nèi)側(cè)有一顆行星？愛因斯坦——廣義相對論。R=0.37R地、M=(1/19)M地、=5.8g/cm3、V=0.056V地T=180~430度宇宙概觀?

太陽系（3）金星（Venus）——美（愛）神金星凌日——測量日地距離啟明星——東升長庚星——西落金星大氣稠密（地球的90倍）

——96%二氧化碳（溫室效應(yīng)480°C），3.5%氮，二氧化硫、一氧化碳、……氣壓——8.9106帕太陽從西邊出來，1年=225天，1天=2.47天R=6052公里、M=0.81M地、=5.1g/cm3、V=0.88V地T=180~430度宇宙概觀?

太陽系地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu):地球的半徑：平均6370千米地球的外衣：地殼（平均厚度33千米）地球中間層：地幔（平均厚度2800多千米）地球的核心：地核（內(nèi)核、外核）

（4）地球:一顆大行星,年齡約40~50億年人類起源：~100萬年中華文明史：5000年以上宇宙概觀?

太陽系

月球——離地球最近的天體，地球唯一的衛(wèi)星表面無大氣，布滿環(huán)形山，本身不發(fā)光，直徑3476km，

距地球38.4萬公里。若無隕星撞擊，12名宇航員的腳印將留存50萬年。宇宙概觀?

太陽系（5）火星（Mars）——戰(zhàn)神類似地球的行星：有自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、四季、日夜、固定形態(tài)、大氣、冰雪覆蓋的兩極……，有兩顆衛(wèi)星。1年=687天，1天=1.026天火星上有生命嗎?近30年來已發(fā)射了30多只探測器(30%的成功率):水手9號、海盜1號、2號、火星探測者號（1994年7月4日）、

……美國：2003年火星表面取樣2011年宇航員登陸火星R=0.5R地、M=(1/10)M地=3.94g/cm3、V=(1/6)V地宇宙概觀?

太陽系火星表面——無江河湖海、無動植物、無生命跡象?；鹦谴髿狻?5%二氧化碳、2.5%氫、1.5%氬、0.01%水蒸氣。大氣壓——600帕火星塵暴頻繁——1971年水手9號探測器到達(dá)火星上空時，火星正發(fā)生全球性塵暴，針頭班大小的塵粒被帶到50公里的高空，因而未探的有價值的信息，這次風(fēng)暴持續(xù)了3個多月。宇宙概觀?

太陽系巨大冰層驚現(xiàn)火星宇宙概觀?

太陽系2002年3月美國宇航局推進(jìn)實驗室宣布“火星奧德賽”號飛船發(fā)現(xiàn)，火星表面附近有巨大冰層。巨大冰層驚現(xiàn)火星宇宙概觀?

太陽系2002年3月美國宇航局推進(jìn)實驗室宣布“火星奧德賽”號飛船發(fā)現(xiàn)，火星表面附近有巨大冰層。（7）土星（Saturn）——農(nóng)神M=95.18M地、

=0.7g/cm3V=745V地、D=9D地可以浮于水上的星球美麗的土星光環(huán)——由冰、泥土、石塊等繞土星旋轉(zhuǎn)形成，環(huán)與環(huán)間的縫稱為卡西尼縫大氣——氫、氦、氨、甲烷等表面溫度為-140°C土星衛(wèi)星——23顆宇宙概觀?

太陽系木星為太陽系八大行星之一，距太陽（由近及遠(yuǎn)）順序為第五，亦為太陽系體積最大、自轉(zhuǎn)最快的行星。古代中國稱之歲星，取其繞行天球一周為12年，與地支相同之故。西方語言一般稱之朱比特（拉丁語：Jupiter），源自羅馬神話中的眾神之王、相當(dāng)于希臘神話中的宙斯。（9）海王星（Neptune）——筆尖上的發(fā)現(xiàn)亞當(dāng)斯——英國劍橋?qū)W生1845年算出海王星的存在。勒威耶——法國技術(shù)學(xué)校助教1846年算出海王星的存在。引發(fā)兩國長達(dá)數(shù)年的辛酸筆戰(zhàn)。

大氣——甲烷、氫、氮、氦、氨等，溫度月-200°CD=3.9D地、

=2.1g/cm3V=57V地

海王星有2顆衛(wèi)星。宇宙概觀?

太陽系九大行星繞太陽運動宇宙概觀?

太陽系太陽系九大行星彗星:

圍繞太陽運行或行經(jīng)太陽附近的云

霧狀

天體，由慧核、慧發(fā)、慧尾組成宇宙概觀?

太陽系2002年發(fā)現(xiàn)寬度約2000米的NT7小行星距地球1.35億公里宇宙概觀?

太陽系1996年2月發(fā)射“鞋匠”，2001年2月14日登上“愛神”小行星宇宙概觀?

太陽系隕石:

流星體進(jìn)入地球的大氣層中一般都能完全燃燒氣化，只有較大的流星體燃燒不完，可以隕落到地面上而被稱為隕星。90%為硅酸鹽礦物的石隕星稱為隕石。

吉林1號隕石是目前世界上最大的隕石，重1770千克。于1976年3月8日隕落在吉林省內(nèi)。宇宙概觀?

太陽系3、銀河系扁平鐵餅狀結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)10萬光年，3000億個恒星+星團(tuán)+星云太陽距銀河系中心約3.3萬光年宇宙概觀?銀河系銀河系全景宇宙概觀?銀河系4、河外星系距銀河系200萬光年的仙女座星系星系NGA4946典型的渦旋星系

除肉眼可見的大麥哲倫星系，小麥哲倫星系外，還有其他形狀的星系，如橢圓、棒旋、不規(guī)則星系等，目前，已觀測到的星系約500個。

宇宙概觀

5、星團(tuán)

——由眾多恒星集中在一個較小的空間內(nèi)、相互有物理聯(lián)系、在天空中形成稠密的集團(tuán)。著名的積尸星團(tuán)、昴星團(tuán)、畢宿星團(tuán)等。6、星云

——天空中云霧狀的天體，有的亮，有的暗，呈現(xiàn)各種美麗的形狀與圖案。

宇宙概觀

半人馬長蛇座星云氣體星云玫瑰星云馬頭星云獵戶座旋渦星云MSI宇宙概觀

§2宇宙和恒星的起源和演化一、宇宙學(xué)的歷史中國古代：天圓地方，不能解釋日月星辰的東升西落。蓋天說宇宙和恒星的起源和演化渾天說宣夜說宇宙無邊無涯，空間到處有氣體日月星辰浮于其中。天是蛋殼，地是蛋黃。宇宙學(xué)的歷史

西方：《圣經(jīng)》上帝7天創(chuàng)世紀(jì)——發(fā)現(xiàn)世上罪惡滔天——毀滅，只留下諾亞（方舟）托勒玫地心說——哥白尼日心說——牛頓力學(xué)——愛因斯坦相對論統(tǒng)一了時、空、物質(zhì)、引力和運動宇宙學(xué)的歷史

宇宙學(xué)的歷史

對天體物理學(xué)和宇宙學(xué)有重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家二、大爆炸宇宙模型宇宙學(xué)研究宇宙整體模型，及其合理性、可能性可觀測宇宙局部時空和物質(zhì)運動性質(zhì)目前，尚無絕對公認(rèn)的理論和對觀測的解釋。宇宙物質(zhì)的相互作用力是引力，其研究的理論基礎(chǔ)是引力理論。牛頓引力理論——荒謬的結(jié)論愛因斯坦廣義相對論——宇宙學(xué)的動力學(xué)基礎(chǔ)大爆炸宇宙模型1、天文學(xué)歷史上的三次飛躍(1)行星層次

——連結(jié)開普勒定律的飛躍(17世紀(jì))弟谷:

積累大量資料,達(dá)到前所未有的觀測精度開普勒：發(fā)現(xiàn)開普勒行星運動三定律，適用于所有

行星的運動，給出行星理論的約束條件。牛頓：將地面物體力學(xué)規(guī)律應(yīng)用于天體運動，實現(xiàn)

物理學(xué)的第一次大綜合。大爆炸宇宙模型（2）恒星層次——連結(jié)赫--羅圖的飛躍1905赫茨普龍：1913羅素：

發(fā)現(xiàn)恒星表面溫度與恒星光度之間的關(guān)系，將紛雜現(xiàn)象納入統(tǒng)一模型，給出恒星理論的約束條件：大爆炸宇宙模型第一，所有恒星最初均由氫、氦為主的原始?xì)怏w凝聚而成；第二，發(fā)生在恒星核心的核聚變制約恒星演化過程。各恒星的區(qū)別：原始質(zhì)量不同，“年齡”

不同。大爆炸宇宙模型（3）星系層次

——連結(jié)哈勃定律的飛躍（20世紀(jì)）1929年，發(fā)現(xiàn)所有星系的光譜均有紅移現(xiàn)象，紅移量與距離

r

成正比。將紅移量折合成星系的運動速度：哈勃常數(shù)：大爆炸宇宙模型2、宇宙的大尺度特征（1）宇宙學(xué)原理

——宇宙在大尺度上空間分布均勻和各向

同性，物理量和物理規(guī)律是相同的。（2）星系退行——宇宙是非靜止的、動態(tài)的變化的。

但銀河系并非宇宙中心

該原理表明，宇宙中任一空間位置對于描述所有的物理現(xiàn)象都是平權(quán)的大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型3、大爆炸宇宙模型現(xiàn)代理論認(rèn)為宇宙起源于一次大爆炸。大爆炸前全部粒子處于高溫、高壓、高密度狀態(tài)。只有質(zhì)子、中子、電子、光子、中微子、介子、子、超子…基本粒子湯——熱平衡狀態(tài)，持續(xù)約1分鐘。大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型“大爆炸”啟動了宇宙膨脹，后因膨脹、降溫演化成了現(xiàn)在的宇宙。1分鐘到20分鐘內(nèi)溫度降低宇宙早期元素：氦（2中子+2質(zhì)子）——25%爆炸后50年內(nèi)，由于物質(zhì)密度大，光子還不能自由運動。大爆炸宇宙模型

爆炸后100萬年左右，溫度下降為幾千度，電子+質(zhì)子形成氫原子，形成宇宙物質(zhì)階段。此時光子可以自由傳播。在爆炸后50億年左右，氫和氦凝聚形成星系、恒星、行星等宇宙天體。支持大爆炸宇宙學(xué)說的主要實驗事實：（1）對宇宙中氫氦豐度的解釋

利用基本粒子理論計算得，爆炸30分鐘后，溫度降為3*108K，約有1/4的質(zhì)子轉(zhuǎn)變成氦原子核并一直遺留到現(xiàn)在。該結(jié)果與觀測結(jié)果基本符合；同時很好地解釋了為什么各星系氦的豐度奇妙地相似。大爆炸宇宙模型宇宙中氦的豐度大爆炸宇宙模型（3）微波背景輻射（2）對宇宙學(xué)原理的解釋1965年，彭齊阿斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了消除不掉的各向同性的微波段的噪聲輻射。1989年，COBE對微波背景輻射測量的結(jié)果，非常精確地符合溫度為2.2710.010K的黑體輻射譜。大爆炸宇宙模型（4）天體的年齡

大爆炸學(xué)說計算出的宇宙年齡150~200億年。

目前各種方法測定的天體年齡50~110億年，且均小于宇宙年齡。符合大爆炸學(xué)說邏輯。大爆炸宇宙模型我們目睹的這種宇宙膨脹是否會無限地進(jìn)行下去？三種膨脹宇宙開宇宙：無限伸展且永遠(yuǎn)膨脹閉宇宙：有限，最終往回收縮到一次“大塌聚”臨界宇宙：無限大，永遠(yuǎn)膨脹問題：大爆炸宇宙模型膨脹率時間其它物理參數(shù)大爆炸宇宙模型《宇宙的起源》（[英]約翰.D.巴羅）:

“關(guān)于我們的宇宙，最不可思議的事情之一，就是它目前正以及其接近于臨界狀態(tài)的方式膨脹著。”

如果膨脹速度大于臨界狀態(tài)，引力就永遠(yuǎn)不能將局部的物質(zhì)島拉到一起,形成星系和恒星，從而也永遠(yuǎn)不會產(chǎn)生構(gòu)成生命的構(gòu)件。

如果膨脹速度小于臨界狀態(tài)，在積累足夠的時間以供恒星形成、爆發(fā)、并創(chuàng)造出生命物質(zhì)的部件之前，他的膨脹就將逆轉(zhuǎn)為收縮，那又是一個不能產(chǎn)生生命的宇宙。大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型三、恒星的起源及其演化1、恒星分類主序星——恒星一生的主要階段。其光度和表面溫度與質(zhì)量成正比；存在時間與質(zhì)量成反比；燃燒氫生成氦。巨星——恒星演化的晚期階段。當(dāng)主序星中心隨氫燃燒成氦，溫度變低而形成。超巨星——最亮的恒星。年輕的、演化迅速的大質(zhì)量恒星。白矮星——低光度、高密度、高溫度的恒星。恒星的老年階段，核能接近枯竭，內(nèi)溫極高，爆發(fā)后余一高密度核而成。恒星的起源及其演化2、恒星的起源

星際空間稀薄物質(zhì)由于漲落分裂成團(tuán)塊，并在引力作用下凝聚成彌漫星云，經(jīng)快收縮和慢收縮階段成為“星胎（原始恒星）”。再經(jīng)過幾千萬到幾億年的收縮中心溫度達(dá)1000萬K，氫燃燒的核反應(yīng)提供足夠的能量是內(nèi)壓與引力處于相對平衡狀態(tài)。恒星的起源及其演化3、恒星的演化和歸宿

高溫高壓核聚變輻射能量、消耗核燃料(氫--氦)，燃料用完，內(nèi)壓減小，引力引起塌縮，外部聚變成碳、氧、氖、…、鐵（結(jié)合能最大的核子），內(nèi)部引力壓縮將原子壓碎，變成中子核，同時引力使外圍物質(zhì)向內(nèi)坍縮，與內(nèi)核區(qū)相撞，產(chǎn)生極強的巨大激波，使恒星增亮為太陽的100億倍——超新星爆發(fā)。

1054年超新星爆發(fā)后的蟹狀星云超新星爆發(fā)帶來積極的一面：

恒星外層加熱，進(jìn)一步核聚變產(chǎn)生金、鉛、鈾等元素，連同早期產(chǎn)生的碳、氧等拋出，與其它碎片混合，產(chǎn)生下一代恒星和行星。恒星的起源及其演化4、白矮星、中子星、黑洞白矮星——原子態(tài)（超固態(tài)）的物質(zhì)組成。

一般物質(zhì)宏觀狀態(tài)下是致密的，但微觀狀態(tài)下卻是空虛的，猶如一個足球場上只有一兩個足球。在萬有引力的作用下恒星要收縮使物質(zhì)原子一個挨一個成為原子態(tài)或超固態(tài)——白矮星。什么樣的恒星會演化成白矮星？M=0.4~1M日

R=1/40~1/100R日