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第一节
地球的宇宙环境
The planet earth
课标要求:
1.描述地球所处的宇宙环境
2.说明地球是太阳系中一颗既普通又特殊的行星
1970年,赞比亚修女 Mary Jucunda 给 Ernst Stuhlinger 博士写了一封信,他因在火星之旅工程中的原创性研究,成为 NASA(美国航空航天局)Marshall 太空航行中心的科学副总监。信中,Mary Jucunda 修女问道:目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭,他怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。
你认为人类为什么要宇宙呢?
屈原《天问》
日月安属?列星安陈?
1609年,伽利略制造了一架小型望远镜,其放大率只有32倍;伽利略用这架望远镜观测到了月球陨石坑、太阳黑子、木星的4颗卫星、土星光环
我甚至认为可以通过太空项目,来为缓解乃至最终解决地球上的贫穷和饥饿问题作出贡献。人造卫星能够在很短的时间里扫描大片的陆地,可以同时观察计算农作物生长所需要的多项指标等等,并且可以将这些信息广播至地面接收站以便做进一步处理。
每年,都有大概一千项从太空项目中发展出来的新技术被用于日常生活中,这些技术打造出更好的厨房用具和农场设备,更好的缝纫机和收音机,更好的轮船和飞机,更精确的天气预报和风暴预警,更好的通讯设施,更好的医疗设备,乃至更好的日常小工具。
节选自Ernst Stuhlinger 博士《为什么要探索宇宙》1970年
曾任
NASA Marshall 太空航行中心的科学副总监
认 识 地 球
/ 01
人类对宇宙的认识
宇宙:所有时间、空间、物质的总和
可观测宇宙/已知宇宙:半径约为137亿光年,相当于129612007474000000000000 千米
探索宇宙的基本工具
射电望远镜(英文名称radio telescope)是指观测和研究来自天体的射电波的基本设备。
它可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录﹑处理和显示系统等
2016 年 9 月,500 米口径球面射电望远镜在贵州平塘的喀斯特洼坑中落成启用。它拥有 30 个标准足球场大的接收面积,是目前世界最大单口径、最为灵敏的射电望远镜,被誉为“中国天眼”。该望远镜成功运行后,其超强的灵敏度显著提高了人类探索宇宙的能力。
科研成果及展望
发现脉冲星优质候选体146颗,已证实发现的脉冲星102颗。至少能再新发现1000多颗脉冲星,把人类能看见的脉冲星库规模拓展50%。
已发表重要论文300余篇。
第一专利权人的授权专利69项。
每秒最高传输基带数据38G,每小时接受的平均有效科学数据约3.6T,堪称最强的宇宙“密码接收机”。
脉冲星的计时精度提升至世界原有水平的50倍左右,使人类可能首次具备极低频的纳赫兹引力波的探测能力。
/ 02
多层次的天体系统
天体物质形式
晴朗夜空,仰望星空,你可以发现:
闪烁的
轮廓模糊的
明显移动的
一闪即逝的
星云
恒星
行星、卫星
流星
拖着长尾的
彗星
由气体和尘埃组成的呈云雾状外表的天体,主要物质是氢
在夜空中闪烁
由炽热气体组成、能自己发光的球状或类球状天体
在夜空中轮廓模糊
在椭圆轨道上绕恒星运行的、近似球状的天体
质量比恒星小,本身不发光,靠反射恒星的光而发亮
在夜空中运动的
Asteroid belt
小行星带
小行星带是太阳系内介于火星和木星轨道之间的小行星密集区域,98.5%的小行星都在此发现,约2.17-3.64天文单位内,聚集了约50万颗以上的小行星.
火星和地球引力的影响,小行星有时会运行到地球和火星之间,甚至会“闯入”地球的大气层, 与大气摩擦而持续燃烧,其残骸降落到地球表面,便是陨星。许多证据表明,大约 6600 万年以前,一颗小行星撞击了地球,使地球环境发生了巨大变化,这可能是恐龙时代结束的重要原因。
环绕行星运转的天体,大小差别很大
流星体是太阳系内,成为颗粒状的碎片
流星体进入地球大气层后,在路径上发光并被看见的阶段则被称为流星
图示为英仙座流星雨
宇宙飞船
太空垃圾
特殊天体
人造天体
人造天体有人造卫星、空间站、宇宙飞船、航天飞船等
①是否是宇宙间的物质
②是否是在地球大气层之外
③是否有独立的运行轨道
思考
1.还没起飞的航天飞船是不是天体?
天体的判断依据
2.天体在宇宙中的分布是均匀的吗?
3.天体之间有关联吗?
天体系统
sphere systems
宇宙中天体都在万有引力之下运动着,运动中的天体相互吸引、相互绕转,形成天体系统
天体系统有不同的级别;地球所处的天体系统,按从低到高的级别,依次为地月系、太阳系、银河系和可观测宇宙
阅读10-11页,回答:
1.银河系和河外星系主要由什么天体组成?
2.组成银河系的天体主要有哪两类?
银河系与河外星系的关系是怎样的?
3.银河系和河外星系共同构成了什么天体系统?
银河系
银河系
阅读12-13页,回答:
1.太阳系由哪些天体组成?
中心天体是什么?
为何说它是太阳系的中心天体?
2. 与太阳相比,行星的体积和质量有什么特点,自身能否发光?
3.组成地月系的天体有哪些?
太阳系行星概况
A survey of the eight planets in the solar system
水星 金星 地球 火星
木星 土星 天王星 海王星
根据太阳系八大行星基本数据,试将八大行星进行分类,并说明分类的理由?
名称 与太阳的距离 / (×106千米) 赤道半径 /千米 质量 1 体积 1 ( 平均密度 / 克/厘米 3 自转周期 ) / 天 公转周期 / 年 表面温度 /K 已知卫星数 2
/ 个
水 星 57.90 2 439.70 0.06 0.06 5.43 58.79 0.24 440 0
金 星 108.20 6 051.80 0.82 0.86 5.24 243.69 0.62 737 0
地 球 149.60 6 378.14 1.00 1.00 5.51 1.00 1.00 288 1
火 星 227.90 3 396.20 0.11 0.15 3.93 1.03 1.88 210 2
木 星 778.57 71 492.00 317.83 1 321.33 1.33 0.42 11.86 112~165 79
土 星 1 433.53 60 268.00 95.16 763.59 0.69 0.45 29.46 84~134 62
天王星 2 872.46 25 559.00 14.54 63.08 1.27 0.72 84.01 53~76 27
海王星 4 495.06 24 764.00 17.15 57.74 1.64 0.67 164.79 55~72 14
热力学温度K与人们惯用的摄氏温度t的关系是:K=273.15+t(℃)。
太阳系行星分类分类
内行星
巨行星
远日行星
水星
金星
地球
火星
木星
土星
天王星
海王星
类地行星
地外行星
总星系(可见宇宙)、银河系、河外星系、太阳系、地月系
总星系
银河系
河外星系
数百亿颗恒星(恒星世界)
太 阳 系
其他行星系统
地月系
系统的层次
最高
最低
月球
地球
流星体、彗星、卫星、小行星等
太阳
/ 03
地球在宇宙中的位置
地球的位置:
位于银河系中的太阳系,是太阳系八颗行星中距离太阳由近及远的第三颗行星
2021年5月15日7时18分,天问一号探测器成功实现火星表面软着陆,稳稳落在火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得成功!
火星被称为地球的姐妹星球,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。
从20世纪60年代人类首次开展火星探测开始,人类已进行47次火星探测活动。以往的探测发现了存在水的证据。
火星上是否存在孕育生命的条件?
火星是地球的过去,还是地球的未来?
研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。
思考:火星和地球有哪些相近之处?
二者与太阳系其他行星是否相似之处?
/ 04
普通又特殊行星
地球
太阳系实时运行3D演示
3D demonstration of real-time operation of solar system
公转轨道形状:
公转轨道面:
公转方向:
共面性,各行其道
近圆性
同向性,自西向东
八大行星相同
宇宙环境安全、稳定
地球普通性与特殊性
The generality and particularity of the earth
贰
普通性:无论是从距日远近、自身的体积,还是从公转方式来看,地球都只是太阳系中一颗普通的行星
特殊性:然而,地球又是太阳系中一颗特殊的行星; 根据人类目前所掌握的宇宙信息,地球是八颗行星中唯一存在高级智慧生命的星球
思考:
1.结合材料和自身需求来看,你觉得生命存在的条件有哪些?
金星是有着四颗类地行星中最浓厚的大气层,其中超过96%都是二氧化碳,金星表面的大气压力是地球的92倍。其表面的平均温度高达735 K(462 °C),是太阳系中最热的行星,比最靠近太阳的水星还要热。
火星薄薄的大气以二氧化碳为主,既稀薄又寒冷,遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石,没有稳定的液态水。火星上的平均温度大约为-55℃,但却具有从冬天的-133℃到夏日白天的将近27℃的跨度。
木星是气态行星,木星的大气组成按分子数量来看,81%是氢,18%是氦。木星是一天时长最短的行星。
思考:2.除了地球之外,你认为哪颗行星可能存在生命?
行星 赤道半径(千米) 质量 (地球=1) 体积 (地球=1) 密度 (克/立方厘米) 公转周期 自转周期 表面温度℃
水星 2 440 0.05 0.056 5.46 87.9天 58天 日477
夜-173
金星 6 050 0.82 0.856 5.26 224.7天 243天 465-480
地球 6 378 1.00 1.000 5.52 1年 1天 15
火星 3 395 0.11 0.150 3.96 1.9年 1.02天 日20
夜-123
木星 71 400 317.94 1 316.000 1.33 11.8年 0.41天 -108
土星 60 000 95.18 745.000 0.70 29.5年 0.44天 -140
天王星 25 400 14.6 65.20 1.24 84.0年 0.72天 -214
海王星 24 750 17.2 57.10 1.66 164.8年 0.67天 -193至-153
名称 与太阳的距离 / (×106 千米) 赤道半径 /千米 质量 1 体积 1 ( 平均密度 / 克/厘米 3 自转周期 ) / 天 公转周期 / 年 表面温度 /K 已知卫星数 2
/ 个
水 星 57.90 2 439.70 0.06 0.06 5.43 58.79 0.24 440 0
金 星 108.20 6 051.80 0.82 0.86 5.24 243.69 0.62 737 0
地 球 149.60 6 378.14 1.00 1.00 5.51 1.00 1.00 288 1
火 星 227.90 3 396.20 0.11 3.93 1.03 1.88 210 2
木 星 778.57 71 492.00 317.83 1 321.33 1.33 0.42 11.86 112~165 79
土 星 1 433.53 60 268.00 95.16 763.59 0.69 0.45 29.46 84~134 62
天王星 2 872.46 25 559.00 14.54 63.08 1.27 0.72 84.01 53~76 27
海王星 4 495.06 24 764.00 17.15 57.74 1.64 0.67 164.79 55~72 14
小结: 地球与太阳的距离约为1.5亿千米,距离适中,且自转、公转周期适当,地球表面均匀吸收太阳辐射,平均温度保持在15℃(288K)左右,有利于液态水的存在和生命的发生、发展。
热力学温度K与人们惯用的摄氏温度t的关系是:K=273.15+t(℃)。
名称 与太阳的距离 / (×106 千米) 赤道半径 /千米 质量 1 体积 1 ( 平均密度 / 克/厘米 3 自转周期 ) / 天 公转周期 / 年 表面温度 /K 已知卫星数 2
/ 个
水 星 57.90 2 439.70 0.06 0.06 5.43 58.79 0.24 440 0
金 星 108.20 6 051.80 0.82 0.86 5.24 243.69 0.62 737 0
地 球 149.60 6 378.14 1.00 1.00 5.51 1.00 1.00 288 1
火 星 227.90 3 396.20 0.11 3.93 1.03 1.88 210 2
木 星 778.57 71 492.00 317.83 1 321.33 1.33 0.42 11.86 112~165 79
土 星 1 433.53 60 268.00 95.16 763.59 0.69 0.45 29.46 84~134 62
天王星 2 872.46 25 559.00 14.54 63.08 1.27 0.72 84.01 53~76 27
海王星 4 495.06 24 764.00 17.15 57.74 1.64 0.67 164.79 55~72 14
阅读下面的资料,说明地球具有生命存在的自身条
件有哪些?
小结: 地球具有适中的体积和质量,其引力可以吸引大量的气体聚集在地球周围,形成包围地球的大气层。原始地球大气的主要成分是二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨,缺少氧气,不适合生命的生存。经过漫长的演化,地球大气转化为以氮和氧为主的,适合生物呼吸的大气。
热力学温度K与人们惯用的摄氏温度t的关系是:K=273.15+t(℃)。
思考
存在地球内部的放射性元素开始衰变,释放出热能。岩浆喷出的还有大量二氧化碳等气体和水蒸气,这些气体上升到空中并将地球笼罩起来。水蒸气形成云层,产生降雨。经过很长时间的降雨,在原始地壳低洼处,不断积水,形成了最原始的海洋。
思考:结合图片和材料,说明图中隐含着地球具有生命存在的条件
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美丽的地球家园
小结:由于地球具备了生命存在的基本条件——充足的水分,恰到好处的大气厚度和大气成分,适宜的太阳光照和温度范围等,地球上产生了目前所知道的唯一的高级智慧生命——人类。从这种意义上说,我们地球是宇宙中的一颗特殊行星。
一、地球在宇宙中的位置
按照天体系统的层次描述
二、地球是太阳系中的一颗普通行星
(一)太阳系中八大行星:①名称;②分类
(二)八大行星具有共性
三、特殊的行星——存在生命的行星
(一)外部条件:①稳定的光照;②公转轨道安全
(二)自身条件:①适宜的温度;②适宜的大气厚度和大气成分;③液态水
内容总结
思考
如果太阳光照变得不稳定,或者太阳突然消失了,地球上将会出现怎样的情形?