教科版 (2019)必修 第二冊3 宇宙的起源和演化教案

這是一份教科版 (2019)必修 第二冊3 宇宙的起源和演化教案，共5頁。教案主要包含了教學(xué)目標，教學(xué)重點，教學(xué)難點，教學(xué)過程，活動探究，作業(yè)布置等內(nèi)容，歡迎下載使用。
宇宙的起源和演化【教學(xué)目標】1．了解宇宙大爆炸理論的概念、過程和階段特征；2．了解宇宙大爆炸理論對天文現(xiàn)象的解釋，以及與后續(xù)星系、恒星演化的關(guān)聯(lián)；3．初步學(xué)會用發(fā)展變化的眼光看待我們的宇宙和宇宙演化的過程與現(xiàn)象；4．促使學(xué)生形成科學(xué)宇宙觀，認識到宇宙大爆炸理論是隨著科學(xué)的發(fā)展和人類對宇宙認識的不斷深入而發(fā)展和完善的。【教學(xué)重點】感知人類（科學(xué)家）探究宇宙奧秘的過程和方法。【教學(xué)難點】初步學(xué)會用發(fā)展變化的眼光看待我們的宇宙和宇宙演化的過程與現(xiàn)象。【教學(xué)過程】一、導(dǎo)入新課從古至今，從國外到國內(nèi)，人們對宇宙的觀測和探索從來都沒有停止過，早在2300多年前，我國戰(zhàn)國時代的思想家莊子（大約公元前369-前286年）就浪漫激情地幻想“旁（傍）日月，挾宇宙”。其實中文的“宇”、“宙”二字原指“屋檐”和“棟梁”，都是指人居住的地方，后來才延伸為天地四方（空間）、古往今來（時間）的總稱。它超越了東西南北的方位，無邊無際；超越了一朝一夕的時間，無窮無盡。與“宇宙”混用的“世界”二字則出于佛教的說法，也是時間（世代）和空間（邊界）的合稱。在西方，以英語為例也有兩個詞表達“宇宙”，即cosmos和universitycosmos原意指秩序，引申為“有秩序的宇宙體系”；university則表示包羅萬象、無所不容的宇宙全體。那么宇宙是從哪里起源，又是怎樣發(fā)展變化的呢？本節(jié)課我們就來共同學(xué)習(xí)和探討宇宙的起源和恒星演化過程。二、新知學(xué)習(xí)在日常生活中，除重力外，與物體質(zhì)量相關(guān)的引力沒有任何明顯的效果。在微觀領(lǐng)域，引力更是完全可以忽略。但是在宇宙范圍內(nèi)，由于星體的質(zhì)量巨大，時空彎曲就十分明顯，而必須用廣義相對論加以研究。實際的觀測和理論研究（結(jié)合關(guān)于微觀粒子的理論）已經(jīng)產(chǎn)生了一些驚人的成果，其中之一是宇宙演化的膨脹理論，即宇宙大爆炸理論。（一）宇宙的起源師：你對宇宙了解多少？什么是宇宙？如果時光倒流，最初的宇宙是怎么樣的呢？現(xiàn)在的宇宙又是怎樣產(chǎn)生的呢？未來宇宙的命運又將如何？小結(jié)：宇宙是廣漠空間和存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。宇宙中有上千億的星系，平均每個星系又有上千億的恒星和各類天體。20世紀20年代，天文觀測已發(fā)現(xiàn)遠處的許多星系正在離開我們向遠處退行，而且越遠的星系退行的速率越大。這一結(jié)果使得天文學(xué)家推論出宇宙是在膨脹著的。教師課件出示資料介紹哈勃發(fā)現(xiàn)紅移現(xiàn)象，說明發(fā)現(xiàn)星系遠離我們的事實。思考：你是怎樣理解哈勃發(fā)現(xiàn)的關(guān)于星系運動的特點的？你能想象出宇宙中的星系在怎樣運動？（本討論意在引起學(xué)生實驗探究“宇宙大爆炸理論的原理”，引導(dǎo)學(xué)生從大尺度層次以“星系”作為運動單位，討論星系間相互遠離是怎樣的一種運動。）師：對學(xué)生的回答表示理解和支持。由于宇宙太大，無邊無際，難以直接研究，為了更好地研究和理解星系運動，可以建立星系運動模型。探究實驗：建立星系運動模型（應(yīng)由學(xué)生得出“宇宙在不斷膨脹”的結(jié)論，避免直接灌輸。）（1）準備一只氣球，在其表面畫上幾個黑點；（2）向氣球充氣，使氣球不斷膨脹；（3）觀察氣球在膨脹過程中小黑點間及小黑點與球心間的距離變化的特點；（4）分析歸納球在膨脹過程中小黑點間及小黑點間與球心間距離變化的特點。（教師介紹學(xué)生活動要求，并分組實驗，教師巡視指導(dǎo)。）學(xué)生思考：所有星系都在遠離我們而去，難道我們處在宇宙中心嗎？教師分析解釋：到其它星系上觀察別的星系，也是在遠離觀察者，如果我們處在宇宙中心，那么，其他任何星系都可以成為宇宙中心，即等于沒有中心。師：根據(jù)宇宙膨脹現(xiàn)象，說明宇宙膨脹初期各星系是會聚在一起的，這種觀點就是目前被人們廣為接受的一種宇宙起源學(xué)說——宇宙大爆炸理論。下面請同學(xué)觀看宇宙大爆炸視頻（教師課件播放“宇宙大爆炸”的視頻）小結(jié)：20世紀40年代末，物理學(xué)家伽莫夫（如圖）把宇宙膨脹與粒子反應(yīng)理論結(jié)合起來，提出宇宙大爆炸假說。后來，許多科學(xué)家通過理論分析及計算把這一思想具體化，描繪了大爆炸以后宇宙發(fā)展的概況。這一發(fā)展的梗概如下：（1）宇宙起始于一次大爆炸（如圖），那時它的溫度極高，密度極大，時間從此開始，空間從此擴大。（2）時，宇宙的密度是，溫度是。宇宙是混沌一團。（3）時，宇宙發(fā)生一次暴漲，直徑在內(nèi)膨脹了倍，溫度降到。宇宙中出現(xiàn)了各種各樣的粒子，包括光子，它們不斷通過相互作用而相互轉(zhuǎn)化。（4）時，溫度降到，出現(xiàn)了電子、正電子。（5）1min時，溫度為，質(zhì)子和中子結(jié)合成氫核。（6）約100萬年時，溫度降到3000K，開始出現(xiàn)各種原子。存留的光子不再和粒子相互轉(zhuǎn)化而在宇宙中到處游逛，使宇宙成為透明的。（7）約10億年時，開始形成恒星和星系。（8）約100億年時，出現(xiàn)我們的銀河系、太陽和行星。（9）約120億年時，地球上出現(xiàn)了生命。（10）約137億年時出現(xiàn)了人類，百萬年后出現(xiàn)了現(xiàn)代文明。宇宙溫度降到了約3K。（11）至今宇宙的年齡估計為137億年。膨脹速率按最大速率光速計，現(xiàn)今宇宙的“直徑”約為137億光年，即約為。上述理論已經(jīng)得到了一些實際觀測的證實。除了遠處星體的退行外，最有說服力的證據(jù)是宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)。宇宙背景輻射就是在大爆炸后約100萬年時存留到今天的熱輻射。1964年，科學(xué)家果然發(fā)現(xiàn)了這種存在于太空中的輻射。1989年發(fā)射的專用衛(wèi)星更精確地測得了這種輻射。測得宇宙背景輻射溫度為2.735K，與理論符合得相當完美。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：用宇宙大爆炸理論解釋宇宙的起源，你覺得還有哪些疑問？提示：大爆炸宇宙論能夠科學(xué)地解釋很多現(xiàn)象。但也有不足之處。如宇宙的起點怎樣產(chǎn)生的？為什么會爆炸？宇宙的將來又將怎樣變化等等。同學(xué)們有沒有新的見解或提出假設(shè)？師：對這些問題，科學(xué)界也沒有統(tǒng)一的看法，許多科學(xué)假說都有待于科學(xué)家去探索和證實。（二）宇宙的未來師：宇宙還在持續(xù)不斷的膨脹中，那么宇宙將來究竟會怎樣？請同學(xué)們思考，大膽提出猜想？教師課件播放視頻：“宇宙的未來”。宇宙的未來：永遠膨脹下去或者會塌縮而在大擠壓處終結(jié)。畫面展示：介紹霍金的黑洞理論和宇宙無邊界設(shè)想（學(xué)生感受科學(xué)家的探索精神）小結(jié)：宇宙會永遠膨脹下去嗎？這個問題現(xiàn)在還沒有一個肯定的答案。由于宇宙間天體、星際物質(zhì)等的引力作用，可能會使得這種膨脹減緩，甚至到一定時期重新收縮。除了發(fā)光的星系外，目前還很不清楚的“暗物質(zhì)”“暗能量”以及未知的物質(zhì)間的相互作用，都可能影響宇宙的膨脹。天文學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)，至少在現(xiàn)階段，宇宙總體上還是在加速膨脹。是什么力量推動了膨脹的加速？這種加速是暫時的還是長久的？宇宙究竟有什么樣的發(fā)展“前途”？眼前對這些問題的回答都還是“不知道”。大爆炸理論能夠解釋很多客觀事實，代表人類當前在相對論、量子力學(xué)和粒子物理基礎(chǔ)上對宇宙的認識水平，是一種相對真理。但也必須認識到，它還沒有完全成熟，今后無論在理論方面還是實驗、觀測方面都還有無數(shù)的工作需要去做。作為一種理論模型，大爆炸理論也必然會不斷受到檢驗、修正和補充，也不能排除需要作重大修改的可能性。【活動探究】你聽說過白矮星、中子星、黑洞這些名詞嗎？請查閱資料，了解典型的恒星演化過程。宇宙中一切事物都有產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的過程，恒星也不例外。首先揭示“恒星演化之謎”的是丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家H·N·羅素。早在20世紀初，他們根據(jù)恒星光譜型和光度之間的關(guān)系，創(chuàng)制了坐標圖，反映恒星演化規(guī)律。后來，這類圖也因這兩位天文學(xué)家而得名，簡稱為赫羅圖。有興趣的同學(xué)課后可以查閱資料了解一下恒星的演化過程，本課不展開講述。【作業(yè)布置】閱讀相關(guān)科普讀物或觀看有關(guān)宇宙起源的科教片，了解宇宙的演化與發(fā)展。