宇宙与地球教材分析

《宇宙与地球教材分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宇宙与地球教材分析（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 宇宙与地球教材分析 济宁一中地理组 段立江一、“宇宙与地球”在高中地理课程中的地位和作用选修模块“宇宙与地球”的设置，目的是使学生从宏观层面认识地球的宇宙环境、地球自身的演化历程和地表形态的特征及其成因。虽然必修课程对相关内容已有所涉及，但是通过本模块的学习，将有助于学生更加深入地了解自然地理环境的形成机制和发展规律，进一步深刻认识遵循自然客观规律和促进人地协调发展的意义。本模块因其所包含的内容，如“宇宙大爆炸”假说、恒星的演化、九大行星的运动特征、月相与潮汐变化的关系、地质年代的生物演化简史，以及风力、流水等外力对地表形态变化的影响，等等，与物理学、化学、生物学等学科都有紧密的联系。因此，

2、本模块不仅能拓展学生的知识视野，增强学生探索宇宙奥秘的兴趣，培养辩证唯物主义宇宙观，而且还有助于引导学生在学习过程中关注学科间的相互联系，逐步形成综合贯通的学习能力。二、“宇宙与地球”的主要内容和基本结构“宇宙与地球”这一模块，采用从远及近，由大至小讲述了“宇宙”、“太阳系和地月系”、“地球的演化”和“地表形态的变化”四部分内容。第一部分“宇宙”，主要是简介“大宇宙爆炸”假说的主要观点、恒星演化主要阶段、人类探索宇宙的历程，并讲述天体观察的基本方法和星空季节变化的基本规律。通过这一部分的学习，要使学生对宇宙有一个概要的认识。第二部分“太阳系和地月系”，主要讲述太阳和太阳系、地球和地月系的概貌。

3、太阳是地球上光和热的源泉，月球是距离地球最近的一颗天体，其引力作用和太阳的光热对地球环境的形成都有着重要的作用。通过这一部分学习，要使学生对影响地球自然状况太阳和月球有一个概要的认识。第三部分“地球的演化”，主要讲述地质史和板块构造学说的主要内容。现今地表的形态、生物群落，都是地球自身长期演化的结果。而板块构造学说是目前能较好解释地球表面海陆分布及火山、地震和高大山脉等的分布的一种学说。通过这一部分学习，要使学生对地球自身演化的历史有初步的了解，并能运用板块构造学说解释地表的一些现象。第四部分“地表形态的变化”，主要讲述一些常见地貌类型的特征及外力作用对地表形态变化的影响。通过这一部分学习，要

4、使学生认识到地表形态在外力作用下，有其自身发展变化的规律，人类在改造地表形态时，不可忽视自然界发展变化的客观规律。二、对宇宙 “课程标准”要求的把握1 运用天球坐标系简图，确定主要恒星的位置 地球上任何一个地点的位置都对应一定的经纬度，对于星空中任何体格天体的位置则可借助于天球坐标系来确定。天球坐标系有地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系等。对于一般的星空观察者来说，只要借助赤道坐标系便能确定所要观察天体的位置了。由于观察者总是处于一个特定的地点，不同观察者所在的观察地可能相差甚远，那幺，在观察时，如果同时借助地平坐标系，就可更方便地找到所要观察的天体。一般的天球仪，其基本结构是以赤

5、道坐标系为基准，再加上一个地平圈和子午圈构成的，同时，在天球上还加了一条黄道外。 建立天球坐标系，需有一定的空间想象力。在引用地球经纬网引入天球坐标系的同时利用天球仪，则将有助于学生能较好的理解和建立空间的球面坐标系。 在天球坐标系简图上确定主要恒星的位置，不是课标的最终目标，而是要在学会应用天球坐标系简图确定主要恒星位置的基础上，能运用星图观察星空。因此，可以这样说，这一条课标是为学生学习下一条课标打基础的。2 运用星图进行星空观察，说出星空季节变化的基本规律 运用星图进行星空观察中所说的“星图”，主要是指以天北极为中心的星空图。所要观察的主要内容，即活动建议中所说的：“辨认银河以及大熊座、

6、小熊座、仙后座、天鹰座、天琴座、金牛座、猎户座、狮子座等星座和北极星、织女星、牛郎星、天狼星等恒星”。在指导学生进行星空观察时，可先指导学生熟悉星图，特别是指导学生熟悉各星座主要恒星所构成的图形，如大熊星座、小熊星座的主要恒星都构成了勺子形。 星空季节变化的基本规律主要是指银河的走向、大熊星座勺把的指向，以及各星座出没（或升至天顶）的时间差异。在学生能说出星空季节变化的基本规律后，有可能的（根据学生的认知水平），要求学生以地球绕日公转运动规律，解释星空季节变化的基本规律。 运用星图进行星空观察是一项实践性很强的教学活动，要克服在星图上认识星座的教学方法，必须组织并指导学生利用晴朗的夜晚开展星空

7、观察。大城市可能因灯光污染，观察有一定的困难，可利用学生到市郊学农等时间组织、指导学生进行星空观察。3 简述“宇宙大爆炸”假说的主要观点 “宇宙大爆炸”假说是现代宇宙学中最有影响的一种学说。宇宙学研究的对象是整个可观测时空范围的宇宙。目前，已探测到的最大距离为150亿光年，最大的时间尺度是100亿年，其间约包含有一亿个星系。因此，在“宇宙大爆炸”学说中所说的“宇宙”，相当于总星系，而并不是整个宇宙（因为，截至目前，总星系外的“宇宙”，由于受目前的科技水平的限制，还不能观测到）。也就是说，“宇宙大爆炸”假说的“宇宙”与通常所说的“宇宙”是两个不同的概念。很显然，“宇宙大爆炸”假说的“宇宙”只是通

8、常所说的“宇宙”中的一部分，即目前人类所能观察到的宇宙部分。 “宇宙大爆炸”假说的主要观点是：我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断的膨胀，物质密度从密到稀的演化，有如一次大爆炸。为使学生能较好的理解“宇宙大爆炸”假说的主要观点，有必要对大爆炸的过程作较为详细的描述。 根据高中学生的认知水平，本课程标准仅要求学生对“宇宙大爆炸”有一概要的了解，因此，我们可将大爆炸过程简化为如下几个时期：宇宙创生时期（0秒至10-44秒，人们将大爆炸瞬间定作宇宙年龄为0） 宇宙整体由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态），自发跃迁（即所谓“大爆炸”）到具有空间、时间的量子状态。在

9、这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断的膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性（此时的时空为虚时空），可谓是早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。时空形成和化学元素形成时期 约在5.410-44秒时，时空形成，同时产生离子，那时的宇宙的温度为1032K。及至宇宙产生的最早的1秒时间，温度降至1010K，进入了辐射时期，宇宙间只有光子、中子、电子、质子等一些基本粒子。由于整个体系在不断膨胀，温度继续迅速下降。到3分钟时，温度降至108K，氦等轻核开始形成；约又经近30分钟，氦核的质量约占整个宇宙质量的1/4（氦丰度）。到宇宙形成20000年时，温度降至

10、4000K，出现了稳定的氢、氦等轻原子，物质密度与辐射密度基本相等。 星系时代 宇宙形成20000年后，开始进入星系时代。这个阶段，宇宙内的等离子气体逐渐演化为气态物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气体逐渐凝聚成气云，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。恒星时代 宇宙形成5109年时，开始进入了恒星时代。在这一时期，星系内的星云进一步凝聚成亿万颗恒星。 为什幺说“宇宙大爆炸”假说是现代宇宙学中最有影响的一种学说，是因为，“宇宙大爆炸”假说能较好的解释下列一些观测事实： 大爆炸理论认为所有恒星度是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天的200亿年时间短，

11、而各种天体年龄的测量证明了这一点。 河外天体的红移现象。所谓“红移”，是指天体光谱相对于实验室光源的光谱中同一谱线项红端位移。1929年，哈勃（著名的美国天文学家、星系天文学奠基人、观测宇宙学的开创者）发现了星系的红移量与距离成正比的规律（即哈勃定律）。如果用多普勒效应来解释，那幺红移正是宇宙膨胀的反映。 在各种不同的天体上，氦丰度都相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什幺有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可证实这点。 根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只

12、有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。这一结果无论在定性上或者定量上都同大爆炸理论的预言相符。“宇宙大爆炸”假说能的解释上述的观测事实涉及到红移、多普勒效应等物理学知识。我们应从学生认知发展的实际和中学地理课程的目标出发，尽可能以学生能感受的比喻等来讲解红移、宇宙膨胀等问题，而不要过多地去讲述物理概念。4 根据图表，概括恒星演化的主要阶段及其特点 行星和行星系统是在恒星演化过程中形成的。例如地球，远在46亿年前，起源于原始太阳星云（而太阳系的年龄，约为4650亿年）。了解恒星演化的主要阶段，有助于学生更好的认识地球演化过程。 恒星的演化包括恒

13、星的形成一直到恒星的末态，一般经历引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、脉冲星阶段（爆发阶段）和高密度阶段（白矮星、中子星、黑洞等），如右图所示。20世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家H.N.罗素分别研究了恒星光度与光谱型的关系，并将光度和光谱型之间的关系用坐标图表示出来，后来研究发现恒星的颜色等价于光谱型或表面温度。人们将这类光度 颜色（光谱型或表面温度）图称为赫茨普龙 罗素图，简称赫罗图。右图是太阳附近6，700颗恒星的赫罗图。很显然,图中的恒星不是平均分布的，而是形成一定的序列。这是因为恒星的光度和表面温度与其质量及内部的化学成分有着内在的联系。如果恒星的化学成分是一定的，则每一

14、恒星质量便对应着一定的光度和温度值。因此，在某一质量范围内，恒星的光度和温度之间存在的一定的关系，对应在赫罗图上就会出现相应的序列。如果，同样质量范围内的恒星，在赫罗图上出现在不同的序列，必然是由化学成分不同所引起的。而化学成分的不同，或是恒星的原始化学成分不同，或是恒星处在不同的演化阶段。因此，可以根据赫罗图中序列来研究恒星的形成和演化。分析太阳附近6，700颗恒星的赫罗图，可以发现有两个密集序列，一个从左上向右下，称为主星序（也称矮星序），分布于这一序列的恒星称为主序星。银河系中恒星是主序星，太阳也是一颗主序星。主序星的光度约从10-3到大于105倍太阳光度，比巨星和亚巨星小（所以又叫矮星

15、），质量约从百分之几到约60倍太阳质量（恒星的质量差别不大，大多数恒星的质量在太阳质量0.110倍范围内。），半径从比太阳小一个数量级到太阳的20倍左右，能量主要来源于核内氢聚变为氦的热核反应。进行热核反应的阶段，正是恒星演化的中期阶段，是最长的一个阶段，约占恒星寿命的90%。另一个是相当密集的一群星，接近右上角，差不多呈水平走向，称为巨星序。此外，还有不少星分散在图的上部，称为超巨星序。主星序下面是亚矮星序。图的底部有一特殊分支，称为白矮星序。巨星、超巨星、亚矮星、白矮星以及赫罗图上没有反映出来的超新星、中子星、黑洞等特点也可从亮度、质量、体积和独特的性质（如黑洞具有巨大的引力）等方面分析说明。 根据课标的要求，学生需学会阅读图表，并结合有关资料说出恒星演化的主要阶段及其特点，至于恒星演化所涉及的恒星的光度、光谱型、温度、化学成分及恒星核内的热核反应等，不是本课标所要求学生了解或掌握的内容，只要提及这些概念的名称，不必作深入的解释。 课标的“说明”中指出：“简述宇宙大爆炸假说的主要观点”和“根据图表，概括恒星演化的主要阶段及其特点”两项，旨在运用具体事例说明人类对宇宙的认识在不断深化，永无止境，以增强学生探索宇宙奥秘的兴趣，培养辩证唯物主义宇宙观。