第十二章 小粒子与大宇宙 实践：追寻人类探索宇宙的进展 教学课件(共30张PPT)初中物理沪科版（2024）八年级全一册

(共30张PPT)
第十二章 小粒子与大宇宙
实践：追寻人类探索宇宙的进展
一、问题缘起
人们自古以来就对宇宙充满好奇：宇宙是什么 宇宙是如何产生的 宇宙有多大 宇宙未来的发展趋势如何 现代宇宙学仍然在不断探索这些问题. 科学家们的探索进展如何
二、活动方案
本活动涉及与物理学、宇宙学、科学史相关的内容. 在下面任务中，选择自己感兴趣的一项进行调研，完成一篇相关论文.
任务一：查阅资料，了解人类对宇宙起源的研究模型与证据.
内容：宇宙起源于一个无维度的点，宇宙诞生于一次 “爆炸”，创造了时间、空间和一切物质. 在早期，宇宙处于高温、高密度的状态，随后开始膨胀并逐渐冷却，不断发生着物质与能量的相互转化和演化.
大爆炸理论
二、活动方案
红移现象——美国天文学家哈勃通过观测发现，天体的谱线具有普遍的红移现象，即天体发出的电磁波波长会变长. 这意味着这些星系正在远离我们而去，且星系退行速度和距离成正比，是宇宙膨胀演化的有力证据.
宇宙微波背景辐射——这是一种均匀分布于整个宇宙空间的微弱电磁辐射. 这种辐射被认为是宇宙大爆炸后早期高温、高密度状态遗留下来的 “余晖”，是大爆炸理论的关键证据之一.
元素丰度——宇宙中氢元素的相对丰度约为75%，氦元素的相对丰度约为25%，与大爆炸理论预测的宇宙早期核合成过程所产生的元素丰度基本相符.
二、活动方案
证据支持：
大反弹理论
内容：宇宙起源于一个非常低密度但无限大的状态，不存在奇点和黑洞等高密度区域. 宇宙自身处于一种循环状态，经历着膨胀和收缩的循环周期，当宇宙坍缩到极限时会发生 “反弹”，进入新的膨胀阶段.
二、活动方案
引力波探测——在南极的观测站，科学家发现了宇宙诞生初期的引力波. 宇宙诞生瞬间的引力波表明宇宙在早期经历过极快的暴涨阶段，这与大反弹理论中宇宙的演化过程相吻合.
理论的自洽性——大反弹理论在一定程度上可以避免大爆炸理论中难以解释的 “奇点” 问题，并且能够对宇宙的循环演化过程给出较为合理的物理描述，从理论逻辑上具有一定的吸引力，但目前其证据的确定性相对较弱.
二、活动方案
证据支持：
黑洞起源理论
内容：宇宙产生于黑洞. 黑洞是一种特殊的天体，具有极强的引力，在其内部可能存在一个隐藏的奇点. 黑洞在吞噬物质的同时也可能在释放其他物质，这些物质可能是宇宙演化的基础.
证据支持：
二、活动方案
任务二：查阅资料，了解人类对宇宙黑洞的探索历程与结果.
第一张宇宙黑洞照片
二、活动方案
早期构想——1783 年，英国自然哲学家米歇尔在论文中提出一种 “看不见的星球”.不久之后，法国数学家、天文学家拉普拉斯也提出类似想法.
他们根据牛顿万有引力定律推测，宇宙中可能存在一种在密度与太阳相同的情况下直径比太阳大几百倍、逃逸速度超过光速、能把光吸进去的 “黑暗星球”，但当时受限于观测手段和理论认识，这一构想未得到深入研究.
理论预测阶段
二、活动方案
广义相对论预言——1915 年爱因斯坦提出广义相对论，1916 年德国天文学家卡尔 史瓦西从爱因斯坦场方程中得到一个真空解，表明如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值，其周围会产生奇异现象，存在一个界面 “视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱，这种 “不可思议的天体” 就是黑洞.
不过，爱因斯坦最初对史瓦西的研究持否定态度，因为当时没有观测到类似天体，且史瓦西黑洞是不转动的，与所观测到的宇宙中天体都在转动的现象不符.
二、活动方案
恒星演化理论相关研究——20世纪30年代，钱德拉塞卡根据量子力学计算发现白矮星质量有上限，超过此质量则无法支撑重力. 1939 年，奥本海默和他的学生史奈德通过简化模型得到广义相对论的解，说明中子星超过一定质量上限后会走向塌缩，这为黑洞的形成提供了理论基础，但该理论在当时存在很多质疑声音.
缓慢发展阶段
二、活动方案
理论突破——1963 年，新西兰的数学家罗伊 克尔通过数学求解的办法，第一次得到了 “带旋转黑洞的精确解”，使人们对黑洞的认识更加完善.
观测突破——1964年，科学家用观测的手段发现了第一颗恒星级的黑洞，标志着黑洞从理论走向实际观测.
命名确定——1968年，著名的物理学家约翰 惠勒将这种天体正式命名为 “黑洞”，在此之前有 “黑暗的天体”“暗星”“冷恒星” 等不同称呼.
突破性发展阶段
二、活动方案
快速发展阶段
引力波探测——2015 年，LIGO引力波探测器首次观测到两个恒星级黑洞的合并，一个黑洞约为36个太阳质量，另一个约有29个太阳质量. 2016年第二次观测到黑洞合并事件，引力波观测成为研究黑洞的重要手段.
黑洞合并模拟图
二、活动方案
黑洞成像——2019年4月，“事件视界望远镜” 项目发布了人类第一张黑洞照片，揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，其距离地球5 500万光年，质量为太阳的65亿倍.
事件视界望远镜
第一张宇宙黑洞照片
二、活动方案
后续研究进展——2023年，国际科研团队通过分析多个甚长基线干涉测量网在2000年至2022年的观测数据，发现M87星系中心黑洞喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为11年，振幅约为10度，为M87黑洞自旋的存在提供了有力的观测证据.
二、活动方案
任务三：查阅资料，了解人类对宇宙暗物质与暗能量的探测进展.
二、活动方案
中国锦屏地下实验室
许多国家都在地下深处建设了暗物质探测实验室，以屏蔽宇宙射线的干扰，探测暗物质与普通物质的相互作用. 例如中国的锦屏地下实验室，为暗物质探测提供了良好的环境. 但由于暗物质与普通物质的相互作用极弱，目前还没有确凿的直接探测发现.
暗物质直接探测实验
二、活动方案
天体物理观测：通过观测星系的旋转曲线、引力透镜效应、星系团的动力学等现象，可以间接推断暗物质的存在.如哈勃空间望远镜、钱德拉X 射线天文台等，为暗物质的间接探测提供了大量的数据.
钱德拉望远镜拍摄的X波段图像
暗物质直接探测实验
二、活动方案
高能粒子探测：利用卫星探测器和地面观测设备探测宇宙中的高能粒子.国际空间站上的阿尔法磁谱仪在太空中收集了大量的数据，对寻找暗物质提供了一定的线索.
二、活动方案
宇宙膨胀测量：通过观测超新星、重子声学振荡等现象，研究宇宙的膨胀速度随时间的变化，进而了解暗能量对宇宙膨胀的影响.重子声学振荡是宇宙早期声波传播在物质分布上留下的痕迹，通过观测重子声学振荡的尺度和演化，可以研究暗能量对宇宙结构形成的影响.
上海交大研究者首次在星系形状相关性中发现重子声学振荡
暗能量探测实验
暗能量探测实验
二、活动方案
实验室精密测量：南京大学的研究团队利用基于悬浮力探测器的精密测量技术，对主流暗能量理论 ——变色龙理论进行了实验检测，实验精度比已知国际最好水平提升了两个数量级，对变色龙暗能量理论做出了终极确定性的排除.
二、活动方案
欧几里得空间望远镜：2023年7月，欧洲航天局的欧几里得空间望远镜发射升空. 它将观测100亿光年范围内的数十亿个星系，以创建宇宙3D地图，通过分析星系的形状、位置和运动状况等信息，揭示宇宙物质分布以及宇宙演变过程，帮助推断宇宙暗能量和暗物质的属性.
空间探测任务
二、活动方案
任务四：查阅资料，了解人类对物质与反物质的探索进展.
二、活动方案
理论预测阶段：
1928年，英国物理学家保罗 狄拉克发表了关于费米子的论文，提出了狄拉克方程. 这一方程成功地预言了反物质的存在，为反物质理论研究奠定了基础.
试验发现阶段：
1932年，美国物理学家卡尔 安德森在研究宇宙射线和云室照片时，发现了一种与电子质量相同但电荷相反的粒子，即正电子，这是人类首次发现的反物质粒子. 安德森的研究成果验证了狄拉克的理论，此后反物质的研究逐渐引起科学界的关注.
二、活动方案
反物质粒子的进一步发现：
后续科学家们相继发现了反质子、反中子等反物质粒子. 随着技术的不断进步，越来越多的反物质粒子被发现，人们对反物质的性质和特点有了更深入的了解.
反物质原子的制备：
科学家们尝试制备反物质原子，如反氢原子. 通过将反质子和正电子结合，成功制备出了少量的反氢原子. 这是反物质研究的一个重要突破，为进一步研究反物质的性质提供了可能.
二、活动方案
反物质超核的发现：
2024年8月，中国科大团队在RHIC-STAR国际合作重离子碰撞实验中首次发现了反超氢-4核这一新反物质超核，是迄今实验上发现的最重的反物质超核.进一步验证了正反物质在寿命这一内禀属性上的对称性.
正反物质不对称性研究：
粒子衰变为研究正反物质不对称性提供了重要线索.我国学者与海外合作者在北京正负电子对撞机上的实验，为研究物质和反物质不对称性提供了极其灵敏的实验探针.
二、活动方案
举办关于探索宇宙奥秘的科普活动，利用收集的信息(含图片及视频等)完成用于讲演的多媒体课件，与同学分享调研结果及自己的观点，体会人类在探索宇宙中孜孜不倦、持之以恒的科学精神，体会宇宙之大、奥秘无穷，科学探索之无止境.
三、交流评价
查阅资料，了解人类对微观世界的探索进展，如量子纠缠的研究现状等，为关于微观世界的科普活动做准备.
三、交流评价
谢谢观看
THANKS