第一章演化的自然1Word格式.docx
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1
恒星的一生
第3节
二
地球演化和生物和生命的诞生
第4节
三
生物的进化
第5节
3
进化与遗传
第6节制作1
合计
12
四、教学目标、教材分析和教学建议
第一章演化的自然
第一节宇宙的起源
教学目标:
1、了解人类对宇宙的认识
2、知道宇宙膨胀的现象和证据
3、尝试根据证据建立假说
4、了解大爆炸宇宙论的主要观点
教学重点与难点
了解宇宙大爆炸的主要观点
学情分析:
9年级的学生对外界新事物具有极强的好奇心,对于人类的未知如宇宙的起源具有极强的探索心理,而且9年级学生具有一定的空间想象能力,容易接受新的事物与新的观点。
因此,对于宇宙的起源学生怀着极大的兴趣与求知欲望。
若教师单单按课本教学将扼杀学生的求知欲与创新思维。
所以本课时教学必须拓展进行,给学生更多的资料,指导学生根据资料建立宇宙起源的假说,并尽可能的引导学生了解大爆炸宇宙论的主要观点。
但是,由于学生知识层面的局限,教学应具有较大的弹性,着眼点不在于学生记住多少知识,而在于使学生对宇宙有一个初步、正确的了解。
知道宇宙的浩瀚,宇宙在膨胀、宇宙在不断演化。
启发学生的想像力和对科学的兴趣。
“阅读资料”的学习应在学生阅读的基础上,通过组织课堂讨论,帮助学生消化、理解正文和“阅读材料”的内容。
但不要要求学生记住阅读材料的内容。
教学建议:
1、尽可能多的学习宇宙学的知识掌握更多的证据与理论
给人一杯水,自已要有一桶水。
虽然这个观点已受到批判,认为是注入式的教学。
但在第一单元1——3节的教学中,教师最缺乏的是背景知识,如果只有课本的知识(只了解支持大爆炸理论的红移现象,根本无法应对学生的质疑,所以教师教学之前必须有充足的知识储备。
)要帮助学生认可宇宙大爆炸的观点,教师还需了解;
(1)星系红移现象
(2)宇宙微波背景辐射(3)古老天体的时标(4)宇宙中氦元素的丰度(5)宇宙大爆炸后的演化(6)宇宙的将来
2、尽可能多的运用视频、动画与图片帮助学生了解;
(如宇宙大爆炸的证据与演示)
3、尽可能的降低知识的难度;
教学目标中强调只要知道宇宙膨胀的现象和证据;
了解大爆炸宇宙论的主要观点,因此教学后只要学生认可宇宙是由爆炸产生,宇宙在膨胀,能够复述大爆炸的主要观点即可。
4、尽可能的给学生以想像的空间,允许学生建立各种模型。
如对于宇宙的过去与将来,学生认为黑洞是通向另一个宇宙通道;
另一个宇宙从黑洞的大爆炸开始。
或者有的学生受人类对地球形状认识的影响,更为虚无的认为人类永远无法认识宇宙,直到有一天人类跳出宇宙才能较准确的认识宇宙也可。
背景资料:
1、盘古开天辟地说(中国古代神话)
2、宇宙稳态理论:
宇宙是无边无际的,除了一些细微部分外,基本没有什么变化。
宇宙不需要一个开端或结束。
物质总是以恰当的速度不断创生着,这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡,从而使宇宙中的物质密度维持不变。
这种状态从无限久远的过去一直存在至今,并将永远地继续下去。
(托马斯。
戈尔德;
赫尔曼。
邦迪;
弗雷德。
霍伊尔于20世纪40年代提出)
3、宇宙大爆炸理论
学生也会提出来。
但学生往往无法说出大爆炸理论的证据。
因此,通过阅读材料,引导学生了解大爆炸理论的形成与证据。
微波背景辐射的发现
微波背景辐射的发现,使大多数宇宙学工作者相信了热大爆炸宇宙模型的正确性,并很快使这个理论成为现代宇宙学中占主导地位的理论,获得了标准模型的称号。
这项发现也使荚国的两位无线电工程师彭齐亚斯与威尔逊荣获了1978年度诺贝尔物理学奖。
瑞典科学院在颁奖的决定中指出:
“彭齐亚斯和威尔逊的发现是一项带有根本意义的发现,它使我们能够获得很久以现,它使我们能够获得很久以前、在宇宙创生时期发生的宇宙过程信息。
”确实如此,这项发现称得上是20世纪天体物理学最重要的发现之一,是哈勃定律以来宇宙学上最重大的进展,然而这一发现纯属“偶然”这一重要发现的发现人,并非专门研究宇宙学的科学家,而是从事无线电技术工作的工程师。
1964年美国贝尔电话实验室在新泽西州的克劳福德山上建起了一架巨大的喇叭形天线。
他们建造这架天线的目的是为了查明各种无线电噪声的采源,以便改善当时刚刚起步的卫星通信质量,提高通信效率。
彭齐亚斯和威尔逊的工作,就是利用这架方向性极强的天线来查明空间中各种噪声源,并负责设法消除或降低这些噪声的影响。
他们的工作态度十分勤奋而努力,工作作风是如此严谨,但出乎他们意料的是在微波段上总有一些温度很低的噪声无法消除。
从1964年歪¨
965年的一年多时间里彭齐亚斯与威尔逊经过不断努力,做了各种测试与检测总有那么一些“剩余噪声”无法消除。
作为工程师,他们关心的是测试与改进天线的性能。
在他们工作告一段落后,发表了题目为“在4080兆赫上额外天线温度的测量”的报告。
这是一篇纯技术测量的报告,没有一点天体物理学的味道。
但正是这一如实的测量报告,使贝尔实验空为提高卫星通信质量而进行的这项非常实用的研究项目,意外地获得了完全属于基础理论研究的纯粹是宇宙学探索的一项伟大发现——微波背景辐射。
科学探索是来不得半点虚假的。
彭齐亚斯和威尔逊的成功获奖也是对他们诚实的科学态度和忠于实验结果严谨作风的褒奖。
热大爆炸宇宙模型的另外两个重要观测证据
除了微波背景辐射外,还有一些支持热大爆炸宇宙模型的观测证据,这里要介绍的是古老天体的时标和宇宙的氦丰度。
古老天体的时标指的是通过天文观测确认古老天体的年龄是否一致,是否与热大爆炸宇宙模型给出的宇宙年龄(约150亿年)相符合。
天文学家通常根据恒星演化理论来确定天体年龄。
由于球状星团是一群同时诞生的恒星,所以天文学家根据不同球状星团中出现红巨星的情况和恒星中所含各种元素的比例就可以确定这一群恒星的年龄。
目前测量到的最“年老”的球状星团的年龄为150亿年,并且所有“年老”球状星团的年龄都很接近,都在100亿到150亿年之间。
这个数值确实与热大爆炸宇宙模型给出的宇宙年龄很符合。
为了确定这一方法得到的“年老”球状星团年龄的可靠性,文学家还采用放射性同位素测量法来核对。
譬如说根据太阳系诞生之时所含重元素铀235及铀238的相对丰度(即百分含量)和现在的相对丰度以及它们的寿命(半衰期)可以算出太阳系的年龄在50亿年左右。
当然,太阳系诞生之时铀元素的相对丰度是无法测量的,不过可以根据恒星演化理论知道,太阳系的铀其实不是太阳系本身的产物,而是太阳系形成之前超新星爆发的结果。
超新星爆发时重元素的丰度可以计算,铀235和铀238在当时的丰度之比为1.9,这样再根据铀235和铀238现在的丰度之比就可以推算出铀元素大约形成在70亿年前。
除了用铀235与铀238的丰度之比以外,天文学家还用其他一些重元素,例如钍244与钍232之间的丰度比等来推算太阳系的年龄,得到了大致相同的结果。
利用放射性同位素测量法,天文学家还测量了陨石和从月球上取来的样品中重元素的丰度,综合起来得到了这样一个结论:
我们的银河系大约是在110亿年前诞生的。
这个结论与“年老”球状星团的年龄基本相同,所以测量到的“年老”球状星团年龄,应该是可信的。
对宇宙氦丰度(即氦的相对百分含量)的观测同样有利于热大爆炸宇宙模型。
自然界有100多种元素,其中原子量最小的元素是氢,在氢的原子核中只有1个质子,第2号元素是氦,在氦的原子核中有2个质子和2个中子。
不同的元素在自然界中的含量是不同的。
科学家们通常用一类元素在被测样品中的百分含量表示这类元素在样品中的多寡。
这类元素的百分含量也就是它的丰度。
科学家们还发现,自然界中含量最丰富的元素是氢,约占宇宙原子总数的93%,占宇宙物质质量的76%,其次是氦,约占宇宙原子总数的7%,占宇宙物质质量的23%。
相比之下,其他元素的数量少得可怜,而且元素原子量越大,一般来说它的丰度也就越小。
事实上,氦以后的元素加在一起也只占宇宙物质质量的1%。
目前在宇宙各个方位各个区域观测到的氦丰度都在23%左右。
这一观测结果很难用恒星演化理论的元素生成来解释。
因为按照在恒星演化过程中诞生元素的理论,氦元素只能出现在恒星演化的主序星阶段和红巨星阶段,而且大量的氦元素应当出现在主序星阶段后期和红巨星阶段的初期,没有恒星的区域就应该没有什么氦元素,即使有氦元素,在数量上也是微乎其微的。
所以我们可以认为,氦元素的丰度在宇宙的每个地方都大致相同而且达到23%那样大,必然和宇宙的行为有关,必然和宇宙的起源有关,氦丰度必定包含着与宇宙起源有关的信息。
事实上,科学家们利用热大爆炸宇宙模型给出的宇宙演化理论,经过精确计算,得到宇宙的氦丰度值恰好等于23%,还得出今天观测到的氦丰度在宇宙早期就形成的结论(宇宙大爆炸后的第189秒后形成)。
所以我们说,氦丰度的观测事实与热大爆炸宇宙理论计算非常一致。
二、宇宙的演化
既然宇宙是由于大爆炸产生的,则大爆炸在什么时候发生,大爆炸后又发生了什么,今天的宇宙是怎样的。
列表叙述:
3.宇宙演化简史
根据热大爆炸宇宙模型的理论计算,可以知道宇宙温度及密度随时间变化的情况,并推算出相应阶段的某些宇宙内容物及其状态,也就是说,我们可以获得有关宇宙演·
化的简单的历史。
为清楚起见,我们把宇宙演化简史列成下面的表格:
时刻
(大爆炸后的)
温度
(宇宙温度下降到)
密度
(宇宙密度下降到
水密度的倍数)
宇宙内容物
0.01秒
10×
1011K
3.8x109
光子、电子、正电子、中微子、反中微子和少量质子及中子,它们都处在热平衡中
0.12秒
3×
1010K
3x107
光子、电子、正电子、中微子、反中微子和质子及中子(但质子数要增加一些,占质子与中子总数的62%),它们都处在热平衡中
1.10秒
1×
3.8x105
中微子和反中微子脱离热平衡。
在质子和中子的总数中质子占76%
13.83秒
109K
电子和正电子脱离热平衡,质子占质子与中子总数的83%
3分47秒
9×
108K
形成氦原子核,宇宙中幸存的中子全部被结合到氦原子核中(质子占质子与中子总数的87%)
34分41秒
0.1
光子、中微子、反中微子、少量电子、氢原子核、氦原子核,不再处在热平衡
1万年
4000K
宇宙从辐射为主转向以实物为主
100万年
3000K
电子和原子核结合成为原子
100亿年
太阳诞生
150亿年
3K
地球上出现生命
阅读关于宇宙将来的资料。
宇宙既然有过去就一定会有将业。
宇宙的将来是由现在观测到的宇宙中物质的多少——正确地说是由现在观测到的宇宙密度决定的。
宇宙密度越大,宇宙的引力就越强。
如果宇宙密度大于4.5×
10-27kg·
m-3(大约每立方米三个中子或质子),宇宙的膨胀会由于引力的作用而停下来,转而开始收缩,最终回到高温高密的状态。
如果宇宙密度小于或等于4.5×
m-3,宇宙将永远膨胀下去,宇宙的温度也将越来越低,最终消亡在接近绝对零度的冷寂世界中。
遗憾的是直到今天,科学家还无法给出宇宙密度的确切数值。
现在观测到的宇宙密度虽然不大,但是宇宙中还存在我们无法看见的各种各样暗物质,所以宇宙密度的数值可以比目前测量值大。
不过,在20世纪的最后两年里,科学家发现宇宙不仅在膨胀,而且是在加速膨胀,因此宇宙很有可能永远膨胀下去。
第2节太阳系的形成与地球的诞生
1、知道托勒密的“地心说”和哥白尼的“日心说”宇宙体系
2、大致了解地心说与日心说的历史进步性与局限性
3、了解太阳系形成的主要学说——星云说
4、了解科学假说的时代局限性
5、感悟科学家科学探究的历程
教学重点:
地心说与日心说;
太阳系形成的主要学说——星云说
通过小学与初中的学习,学生对于托勒密的“地心说”和哥白尼的“日心说”宇宙体系非常熟悉,可以说闭着眼睛都能说出地心说与日心说的代表人物与主要内容。
但是,学生对于为什么地心说能统治人类几千年,为什么日心说替代地心说是历史的进步,日心说是否正确?
即地心说与日心说的历史进步性与局限性了解极少,大多数学生往往只知其然而不知其所以然。
因此在本课时的教学重点并非在于阐述地心说与日心说的内容,可应该如何使学生体会到地心说与日心说的历史进步性与局限性。
并能够从太阳系观测到的现象,初步建立太阳系演化的观点与模型。
1、教学让学生搜集资料,讨论“
(1)什么是地心说?
(2)为什么地心说统治了人类1300多年?
(3)地心说有什么不足?
(3)日心说如何解决这一问题的?
(4)日心说的主要观点?
(5)日心说是否正确?
”(资料从托勒密到哥白尼)
从而使学生在讨论过程中体悟到地心说与日心说的历史进步性与局限性
2、通过图片与视频展示太阳系行星绕太阳公转的三个特征:
同向性、近圆性、共面性。
也就是说,太阳的九大行星都是自西向东绕太阳公转;
它们的公转轨道基本上近于圆形的,同时这九大行星的公转轨道基本上在同一个平面上。
然后引导学生讨论:
这三方面的特征对太阳系各大行星的起源产生什么样的启示?
注意:
讨论时学生能说几种就几种,不要拓展,太难、面太广;
若学生无法讨论则直接到下面教学(星云说;
灾变说;
慧星碰撞说;
陨星说;
宇宙星云说;
双星说;
行星平面说;
卫星说等)
从而使学生感悟科学家科学探究、建立假说的过程、也认识到假说的不确定性。
从托勒密到哥白尼(地心说与日心说的历史进步性与局限性)
早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就已提出了"
地心说"
,即认为地球位于宇宙的中心。
公元140年,古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》,在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。
根据这一学说,地为球形,且居于宇宙中心,静止不动,其他天体都绕着地球转动。
这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象,又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义,因而流传时间长达1300余年。
早在两千多年前,古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的"
日心说"
。
他指出,太阳位于宇宙中心静止不动,地球则绕着太阳运动,同时又绕轴自转。
可惜由于科学水平的限制,这一天才的思想未能为人们所认识。
直到中世纪末,由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符,人们才开始怀疑地心说的正确性。
1543年,波兰天文学家哥白尼在他的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了日心说。
在他阐释的日心体系中,太阳居于宇宙的中心,地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。
这样一来,托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图象来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。
后来,德国天文学家开普勒指出,行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。
这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报,日心说的地位进一步得以巩固。
按照日心学说,就地球上的人来看,天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。
在哥白尼提出日心说后的近300年中,人们进行了大量的观测,企图证明这一点,可是始终没有成功。
原来,恒星离开地球十分遥远,最近的一颗也远达43万亿千米。
因此,地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。
恒星越远,这一变化也越小,当时的观测仪器是无法探测到的。
直到1838年,德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化,并推算出它的距离为11.2光年,从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。
地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。
太阳并不位于宇宙中心
1608年,荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。
翌年,意大利物理学家、天文学家伽里略在得知这一消息后,立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜,并不断加以改进。
伽里略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子,发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。
早在15世纪中叶,德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。
1584年,意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的,恒星都是遥远的太阳,太阳只是无数个恒星中的普通一员。
1750年,英国天文学家赖特指出,银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统,由于太阳连同地球位于这一系统的内部,从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。
1785年,英籍德国天文学家威廉·
赫歇尔利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜,通过长期的实际观测,并经过精心的分析研究,建立了第一个银河系模型。
在这一模型中,太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。
由于赫歇尔个人在
当时的威望,这一观念一直维持了130余年之久。
资料:
伟大的科学家——托勒密的贡献
一提到托勒密,人们自然就想起他的"
地球中心说"
这学说是他在他的巨著《天文学大成》里详加阐述的。
托勒密一生主要有两部巨著,另一部是八卷本的《地理学指南》。
这是他编制的一本地名辞典和地图集。
书中给出了几千个地方的地理位置,堪称是一项伟大成就。
在《地理学指南》这部巨著中,托勒密谈到了地理位置的确定问题。
他提出了一种等间距的坐标网格,用"
度"
来进行计算。
托勒密可算得上是第一个明确提出经纬度理论的人。
他的理论中,纬度从赤道量起,而经度则从当时所知道的世界最西地点?
幸运岛算起。
这一切已经和今天的经纬度概念很相接近了。
在托勒密之后的一千多年内,关于确定经度的问题,一直没有获得重大进展。
问题:
太阳系倒底是怎样的?
以太阳为中心的太阳系是如何形成的?
太阳系形成的灾变说
最早的灾变说是法国动物学家布丰(GeorgeLouisLeclercdeBuffon)在1745年提出的。
他认为,太阳比行星先形成,太阳形成后,曾经有一个彗星“掠碰”(擦边而过)到它,使太阳自转起来,同时碰出了不少物质。
这些物质一部分落回太阳,一部分脱离太阳的引力飞走了,还有一部分则绕太阳旋转起来,后来形成了行星。
根据我们现在对彗星的认识,这种观点显然是不成立的,但在布丰的时代,彗星被认为是质量巨大的天体。
在太阳系的系统内,太阳本身质量占太阳系总质量的99.87%,角动量只占0.73%;
而其他九大行星及所有的卫星、彗星、流星群等总共占太阳系总质量的0.13%,但它们的角动量却占99.27%。
这个现象天文学上称为太阳系角动量分布异常问题。
20世纪的头40年中,由于康德·
拉普拉斯古典星云说遇到了难以解决的角动量分布异常问题,灾变说曾占了绝对优势。
19世纪末到20世纪四五十年代大约出现过二十多种不同的灾变说。
他们大都用两颗或三颗恒星的彼此接近或碰撞这样的偶然事件来解释太阳系的起源。
其中最著名的是英国天文学家金斯(Jeans)于1916年提出的。
金斯认为,当另一颗恒星接近太阳时,在太阳表面产生了很大的潮。
反面的潮比正面的小得多,很快衰落。
正面的潮很大,物质被经过的恒星拉出来,形成一个长条。
在这一恒星离开太阳时,长条内形成了所有的行星。
长条的中部较粗,两头较细,所以,由中部物质形成的木星、土星较大。
据我们现在所知,恒星在宇宙空间中的密度是非常低的,太阳附近的恒星分布类似于彼此相隔960多千米的一些乒乓球。
宇宙间恒星彼此接近的几率极小。
因此灾变说到20世纪50年代便逐渐走向衰落。
康德一拉普拉斯星云说
很久以来,人们都在努力探索地球的起源,但是这个问题非常复杂,只能通过神话来想象。
在西方的宗教里,则把地球的诞生归功于上帝。
牛顿发现了万有引力定律以后,就提出太阳系可能产生于一团稀薄的气体尘埃,是在万有引力的作用下逐渐吸引聚集而成的018世纪中叶,德国哲学家康德(1mmanuelKant,1724~1804)发表了《宇宙发展史概论》,提出了地球和太阳都是起源于宇宙空间星云物质的假说。
他认为:
由于万有引力的作用,星云一面收缩,一面旋转,形成了太阳和行星。
18世纪末,法国天文学家拉普拉斯(MerguisPierreSimondeLaplace,1749~1827)发表了《宇宙体系论》,运用天文学研究的成果,对太阳系和地球的起源提出更完整的假说。
后来,人们把他们的研究成果称为“康德一拉普拉斯星云说”。
康德—拉普拉斯星云说很好地解释了太阳系的基本特征:
太阳系各星体几乎都以同样的方向自转,行星的公转方向也是一致的,而且各行星的轨道接近于圆形,还几乎在同一个平面上。
这都说明了太阳和太阳系中的地球等行星都起源于同一星云。
但是星云说提出以来,也暴露了许多矛盾。
因此,又有很多科学家提出了其他的种种假设,关于太阳和地球起源的探索还将继续延续下去。
讨论太阳系的形成与地球的起源。
(最后建立以星云说为主的太阳系形成的假说)
第3节恒星的一生
1、认识恒星的不同发展阶段:
红巨星、超新星、白矮星、暗矮星和黑洞
2、了解太阳一生的演化过程
3、知道大质量恒星的演化过程
恒星的不同发展阶段与大质量恒星的演化过程
学情分析与教学建议:
1、对于宇宙中各种“特别的恒星”如红巨星、白矮星、暗矮星、超新星、中子星与黑洞等“恒星”的不同发展阶段学生非常的漠生,因为平时极少关注。
(只有少数天文爱好者才了解)因此这部分内容的教学必须有大量的实物照片和视频支持学生的学习。
2、由于解释不同溶化阶段的恒星之间的转化机理会涉及到许多很深奥的天文学、物理学的专业知识。
(如氢聚变成氦的热核反
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