上海地区优秀教案：第13章 c 天体的演化

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高考资源网第十三章 C 天体的演化
一、教学任务分析
本节课题为天体的演化，其内容主要为恒星的分类、恒星的组成、恒星的演化过程等。本节内容的学习对学生科学的认识宇宙、建立唯物的宇宙观有重要的意义。
学习本节内容需要有万有引力、宇宙的基本结构、光谱和光谱分析以及相应的图表方面的知识基础。高考资源网
本节的教学内容包含三大部分：恒星的分类、恒星的组成、恒星的演化过程。但恒星的分类可以有机的融合在恒星的演化过程中，所以本节教学可划分为“恒星的演化过程”，“恒星的物质组成”两大主要环节。宜采用学生收集资料、交流展示的方式展开教学，是开展“WebQuestion”的教学尝试的很好机会。
在教学的过程中应注重引导学生进行自主学习，培养学生的收集和整理资料、表达交流的能力。通过对恒星知识的了解，打破宇宙神秘、建立正确的宇宙观，同时意识宇宙壮阔与无与伦比的美，激发认识宇宙的兴趣、树立探索未知的精神。
二、教学目标
1．知识与技能
（1）知道恒星一般按照其亮度、颜色和表面温度等物理特征来分类。
（2）知道恒星的演变一般过程，知道恒星的质量与其寿命的关系。
（3）知道恒星的物质组成及其测量方法。
（4）学会看、及分析图表，如郝--罗图、恒星质量与寿命图。
2．过程与方法
通过郝-罗图、光谱分析的学习过程，认识一些宇宙研究的基本表达和分析方法。
3．情感、态度与价值观
（1）通过对恒星演化的学习，感悟天体演化的漫长经历，建立正确的宇宙观。
（2）培养对天文物理的兴趣，增强积极讨论交流自己观点的胆量。
（3）通过中国记录的“超新星爆发”——“天关客星”（“蟹状星云”）对天文的贡献，激发民族认同感和爱国情怀。
三、教学重点和难点
重点：恒星的分类及演化。
难点：人类认识恒星的一些方法。
四、教学器材和课件
“超新星”演示录像；相关图片。
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五、教学设计思路
学生应普遍对本课题有着浓厚的兴趣，所以不必煞费苦心去创设情景、激趣设疑。因此本教学设计开门见山的进入恒星分类环节的学习。恒星的颜色和温度、亮度和星等知识，让学生阅读教材做常识性了解即可。亦将重点放在讨论这些参量之间的关系，以及以此为基础建立的“郝--罗图”上，并注意引导学生会看、看懂“郝--罗图”，这应让学生通过实践活动来进行。
由于“郝--罗图” 不仅显示了各类恒星的特点，同时也反映恒星的演化过程。所以本设计在此将教材的顺序作了相应的调整。在恒星的分类后，紧接着讨论恒星的演化，由于教材的开始关于“超新星”的资料与恒星的演化是紧密相连的，所以也将其移至此处。恒星的演化教材介绍的比较详细，同样可以让学生自行阅读。对于基础较好的学生，教师可以将恒星的演化过程与“郝--罗图”型结合，可以将恒星的一生的演化轨迹在“郝--罗图”上绘制出来。
对于恒星的物质组成，可让学生通过完成教材上的自主活动加深了解。教学时教师可以引导学生课后做深入的了解和学习，培养收集和整理资料、自助学习的能力，激发认识宇宙的兴趣，树立探索未知的精神。
最后，以拓展练习的方式，使学生了解恒星到地球距离的测量方法，同时也了解天文测量的精细与细致。并将本课所学的知识与前面学习万有引力知识相结合，做到复习应用。
本设计要突出的重点是：恒星的分类及演化。方法是：以“郝--罗图”的产生及应用，认识恒星分类的方法；以超新星引出恒星的演化，再将恒星生命历程中几个阶段与恒星的分类相对应，加深对恒星分类和演化的了解。
本设计要突破的难点是：人类认识恒星的一些方法。方法是：目前恒星对人类来说还是无法接近的，特别遥远的恒星，如何认识它们？这必定要借助一些间接的手段和方法，其实这是隐藏在本课知识背后的思想方法。对于本课涉及的具体方法手段，在教学中采取学生活动的形式来加强学生的感受和认识，此外，引导学生课外自主学习也是采取的措施之一。
完成本设计的内容需1课时。
六、教学流程
1、教学流程图
2、对流程图的说明
问题Ⅰ 问题情景
问题1：天文界是如何对恒星进行分类的呢？
活动Ⅰ 作图
活动1：练习使用“郝--罗图”。
问题Ⅱ 问题引导
设问1：这些新星是新诞生的恒星吗？金牛座的这颗“客星”现在怎么样了？
活动Ⅱ 阅读、讨论
活动2：阅读教材P68~P70，之后交流感想，并与课后去收集一些近期关于超新星的资料和新闻。
问题Ⅲ 问题探究
问题2：根据天文观测，绝大多数恒星都有着与太阳相同的化学成分，恒星这么遥远，人类是怎样知道恒星上的物质组成的？
活动Ⅲ 练习、分析
活动3：P67自主活动
3、教学的主要环节 本设计可分为四个具体的教学环节：
第一环节，恒星的分类。
第二环节，恒星的演化。
第三环节，恒星的物质组成
第四环节，拓展练习。
七、教案示例
Ⅰ 教学内容
（一）恒星的分类
晴朗的夜空，当你抬头仰望，银河横蟠，星海浩淼，有没有激发你无限的向往和不懈的探索之情呢！？
天文学家推断在已知的宇宙当中大概有7×1022颗星星（目前全世界65亿人全来数，每人1秒钟数2颗，也要不间断的数17万年）。这么多的星星一一研究根本不可能，必须进行分类研究。描述恒星的物理、化学参量很多，根据不同的标准可以划分出不同的种类。
问题1 天文界是如何对恒星进行分类的呢？
目前科学界通用的恒星分类是根据恒星的颜色、温度和亮度间的关系进行的。
1、恒星的颜色、温度、亮度
（略）参见P66
2、郝--罗图
20世纪初，美国哈佛大学天文台已经对50万颗恒星进行了光谱研究。并对恒星光谱根据它们中谱线出现情况进行了分类。结果发现它们与颜色也有关系，即蓝色的“O”型、蓝白色的“B”型、白色的“A”型、黄白色的“F”型、黄色的“G”型、橙色的“K”型、红色的“M”型等主要类型。实际上这是一个恒星表面温度序列，从数万度的O型到2-3千度的M型。如图1。
图1
1911年丹麦赫兹布朗（Ejnar Hertzsprung 1873-1967）和1913年美国罗素（Henry Norris Russel 1877-1957）先后发现恒星的光度及表面温度的关系，并以统计图表示出来，二人于 1914年同时公布，因此，此种恒星光度与温度的关系图被称为赫--罗（H-R）图。
图2：郝--罗图的两位发明者
图3所示的为一幅赫--罗图，图中横坐标表示恒星的光谱类型（与恒星表面温度相连系），纵坐标为恒星的光度。大部分恒星分布在从图的左上到右下的对角线上，叫主星序，都是矮星。其它还有超巨星、红巨星和白矮星等类型，而这一不同类型表示了它们有不同的光度。
图3：郝--罗图
赫--罗图是研究恒星的重要手段之一。它不仅显示了各类恒星的特点，同时也反映恒星的演化过程。
（参考资料：赫--罗图http://baike./view/97158.htm ( http: / / www.21cnjy.com / )）
活动1 太阳的表面温度5770K，绝对星等4.8；水委一，波江座α星，绝对星等-1.6等。表面温度14500K，请你在郝--罗图上标出它们的大致位置，并指出它们属于什么类别。再根据教材上图13-20找出我们所熟知的北极星的亮度及表面温度的大小范围。
（二）恒星的演化
恒星是相对恒定的，但有时候，遥望星空，你可能会惊奇地发现：在某一星区，出现了一颗从来没有见过的明亮星星！然而仅仅过了几个月甚至几天，它又渐渐消失了。这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。我国古代称之为“客星”，意思是这是一颗“前来作客”的星。
中国史料里从公元前134年到公元17世纪末，有90颗新星记载，它们是非常珍贵的科学遗产。历史上最有名要数宋史中的记载了：“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是指公元1054年7月4日早晨4点多钟，在金牛座天关星附近看到的超新星，它开始的亮度和太白金星亮度差不多，经过23天，又慢慢暗下去了。
设问1 这些新星是新诞生的恒星吗？金牛座的这颗“客星”现在怎么样了？
19世纪，人们用望远镜发现在金牛座天关客星方向上有一个“蟹状星云”（如图4），20世纪初发现这团星云在膨胀，由膨胀速率推算，1054年刚好是膨胀开始的时刻。天文学家们一致公认：中国记录的“天关客星”正是一次典型的“超新星爆发”。
图4：蟹状星云
其实，“新星”不但不是新生的星体，相反，而是正走向衰亡的老年恒星，就是正在爆发的红巨星。在大爆炸中，恒星释放出巨大的能量。它的光度有可能将增加几十万倍，这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些，它的光度增加甚至能超过1000万倍，这样的恒星叫做“超新星”。超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。它在几天内倾泄的能量，就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的那样多，以致它看上去就像一整个星系那样明亮！
新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼，同时又是新生恒星的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另一方面，新星和超新星爆发的灰烬，也是形成别的天体的重要材料。
恒星是有寿命的，每一颗恒星都有其诞生、存在和死亡的过程，实际上我们观测到的超巨星、巨星、中型星、白矮星和中子星等恒星形态，就是恒星不同年龄阶段的形态。下面我们来了解恒星演化的过程。
活动2 阅读教材P68~P70，之后交流感想，并与课后去收集一些近期关于超新星的资料和新闻。
（参考资料：
1、恒星的演化过程：http://www./wiki/%E6%81%92%E6%98%9F ( http: / / www.21cnjy.com / )
2、超新星爆发视频新闻：http:///d/2007-05-08/13101496637.shtml ( http: / / www.21cnjy.com / )）
（三）恒星的物质组成
问题2 根据天文观测，绝大多数恒星都有着与太阳相同的化学成分，恒星这么遥远，人类是怎样知道恒星上的物质组成的？
与在地面实验室进行光谱分析一样，我们对恒星的光谱也可以进行分析，借以确定恒星大气中形成各种谱线的元素的含量，当然情况要比地面上一般光谱分析复杂得多。
【板书】（或投影）每种元素都有自己的特征谱线，我们用恒星大气的谱线与元素的特征谱线进行对照来判断恒星含有什么物质。
活动3 根据教材P67页图13-21，完成自主活动。
『同学回答：A——氢、氦；B——氦、钙；C——氢、纳』
（参考资料：天体光谱分析http://baike./view/397073.htm ( http: / / www.21cnjy.com / )）
II 拓展练习
1、恒星离我们的距离非常遥远，但是我们可以利用地球绕太阳运动的圆形轨道直径作为基线，利用周年视差，通过几何方法来测量恒星的距离。这种方法叫做三角视差测距法。
图5中恒星A是我们想要测量其距离的星体。B、C、D是相对比较远的恒星，在1月到7月间几乎看不出移动过，而A的相对位置在这半年里看上去却发生了变化。图中的θ角就称为周年视差。
图5：三角视差测距法示意图
1）离我们最近的恒星，半人马座α星的周年视差为0.76″（你知道0.76"有多小吗？如果将手臂伸直，所看到手上拿的一张纸厚度大约为30"。），1月份和7月份地球移动的直线距离为3×1011m。估算该恒星离我们多远
2）由于离我们越远的恒星，其视差就越小，大于3261.y.以外的恒星，其周年视差已经小到无法测量，因此就不能用这个方法来测量距离了。天文学家是如何测量遥远距离的恒星的？请课后查找相关资料。
解答：1）sinθ=R/L，由于θ很小，所以，sinθ=θ，
L=R/θ。又θ=0.76″，
所以，θ=0.76×(2π/360)×(1/3600)≈3.68×10-6，
则L=1.5×1011÷3.68×10-6m≈4.07×1016m=4.31.y.。
2）参考资料：百度百科（天体距离）
http://baike./view/914138.htm ( http: / / www.21cnjy.com / )
2、宇宙中的星云是由于万有引力的作用而聚集的，已知某星云绕其自身轴自转的角速度为ω，试计算使该星云不至解体的最小密度为？。
分析：以星云赤道上一质点作为研究对象要使它不解体，则质点所受万有引力能够提供它作圆周运动所需的向心力。
解：根据GMm/R2=mω2R 得：ρ=M/V=3ω2/4π G
活动Ⅱ
活动2
活动Ⅲ
活动3
拓展练习
恒星的演化
问题Ⅲ
问题2
恒星的物质组成
问题Ⅱ
设问1
问题Ⅰ
问题1
活动Ⅰ
活动1
恒星的分类
郝--罗图
恒星的颜色、温度、亮度等
A
B
C
太阳
1月份
的地球
7月份
的地球
地球上1月份所见的天空
地球上7月份所见的天空
A星
B
C
D
B
C
D
B
C
D
θ
L
R
θ
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