物理必修第二册第三节 宇宙的起源与演化优质学案

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知道宇宙的组成
2、知道恒星分类的特征
3、知道恒星演变的一般过程
知识精讲

问题1：你知道宇宙是怎么形成的吗，宇宙是有限还是无限的呢？
问题2：太阳系是我们所居住的恒星系，你知道太阳的年龄吗，《流浪地球》中太阳已经演化到哪个阶段了呢？
知识点01 宇宙的结构
1.银河系是一种旋涡状星系；太阳系正处于其中一条旋臂的边缘。
2.太阳系共有八颗行星。从距离太阳最近行星算起，依次为水星，金星、地球、火星、木星、土星、天王星
和海王星。距离太阳越近的行星，公转速度越大。除水星和金星外，其他行星都有卫星。木星和土星的卫星
最多。
3.月球的存在对地球的影响：潮汐主要由于月球对地球的的万有引力影响而产生的。地球上离月球最近和最
远的两个点形成了潮汐现象的高潮点。
4.宇宙：所有的空间及其中的万物。光年的换算：*1015
m
5.根据今天宇宙膨胀的速度，宇宙在一二百亿年前脱胎于高温、高密状态，诞生于一次大爆炸，这就是所谓
的宇宙大爆炸假设。
【典例1】
关于星系，下述正确的是（ ）
星系是由宇宙中的恒星、气体、和尘埃组成
银河系是一种不规则星系
银河系中恒星只有少量的几颗
太阳处于河外星系
【解析】在误差容许内，银河系可以认为是椭圆星系属于规则星系，银河系恒星很多，太阳系在银河系中，故选择A
【答案】A
【典例2】
关于宇宙，下列说法中正确的是（ ）
（A）地球是宇宙中唯一有卫星的星球
（B）恒星的寿命取决于亮度
（C）太阳能够发光、放热，主要是因为太阳内部不断发生化学反应
（D）银河系是一种旋涡星系，太阳处在其中的一个旋臂上
【解析】在太阳系中除了水星和金星之外，其它的六颗行星都有卫星，恒星寿命取决于质量，质量越大寿命越短，太阳内部是热核反应不是化学反应，D正确
【答案】D
【即学即练1】
地球与火星都是太阳系中的行星,有关太阳系行星的叙述,不正确的是（ ）
（A）八大行星绕日公转的轨道面几乎在一个平面上
（B）水星.金星.火星的体积.质量.组成物质与地球相似,称为类地行星
（C）在地球轨道两侧,分别是进行和火星轨道
（D）金星.火星等行星能发出可见光,这几颗行星在夜空显得很明亮
【解析】八大行星公转轨道与地球公转平面偏角很小，几乎在同一平面，水星，金星，火星组成物质与地球相似，为类地行星，地球轨道内测为金星，外侧火星，金星火星不发光，是发射太阳光
【答案】D
【即学即练2】
下列关于宇宙的说法正确的是 （ ）
A．宇宙是由银河系和太阳系组成的
B．宇宙是由银河系和地球组成的
C．太阳系中只有九大行星绕它运行
D．宇宙中有数十亿个星系，银河系是其中的一员
【答案】D
知识点02 恒星
恒星是拥有巨大且致密的等离子体，是在宇宙中靠核聚变产生的能量而自身能发热发光的星
体。最接近地球的恒星就是太阳。恒星分类是根据恒星的颜色、温度和亮度间的关系进行的。大部分恒星分 布在从图的左上到右下的对角线上，叫主序星，太阳也是一颗主序星。
1.恒星的分类：①根据恒星的物理特征来分类：体积、温度和亮度。②按照体积大小分，依次为超巨星、巨星、中型星、白矮星和中子星。
2.恒星的颜色与它的表面温度有关；恒星的亮度与体积、温度、它与地球的距离有关。
3.周年视差法测恒星距离：以日、地距离为基线，利用周年视差，通过几何方法来测量恒星的距离的方法， 叫做视差测距法。
4.恒星的物质组成：绝大多数恒星都有着和太阳相同的化学成分：73％氢、25％的氦及 2％的其他元素。
5.恒星演化的几个阶段：诞生期、存在期和死亡期。
6.一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星寿命短。太阳现在年龄大约为 47 亿年，而太阳的寿命大
约为 100 亿年。
【典例1】
下面关于宇宙的说法正确的是（ ）
（A）极少数恒星有着和太阳一样的化学成分
（B）当恒星变成红色的巨星或超巨星时，就以为这这颗恒星刚刚诞生
（C）黑洞就是质量最大的恒星
（D）超巨星、巨星、主序星、白矮星、和中子星等实际是恒星不同年龄段的形态
【解析】恒星的化学成分都类似，恒星燃料消耗完会变成红色巨星或者超巨星，黑洞是恒星的残余，D选项是恒星的演化过程，D正确
【答案】D
【典例2】
关于恒星的描述，下列说法中正确的是（ ）
（A）质量越大的恒星，寿命越短
（B）质量越大的恒星，寿命越长
（C）表面温度比太阳高的恒星呈现出比太阳稍红的颜色
（D）表面温度比太阳低的恒星呈现出比太阳稍蓝的颜色
【解析】恒星质量越大寿命越短，恒星表面颜色取决于表面温度，温度越高越偏蓝白色，越低，越偏红
【答案】A
【即学即练1】
2011 年的诺贝尔物理学奖被授予三位天体物理学家，以表彰他们通过观测遥远的超新星而发现了宇宙在加速膨胀这一卓越成果。超新星的热核爆炸代表了这颗恒星演化到了哪个阶段（ ）
（A）诞生期 （B）存在期 （C）死亡期 （D）任何时期都可能
【解析】超新星热核爆炸代表演化到了死亡期
【答案】C
【即学即练2】
温度较低的恒星，在天空中呈现（ ）
(A )暗红色
（B）黄色
（C）白色
（D）蓝色
【答案】A
能力拓展
【即学即练1】
关于恒星，下列说法中正确的是（ ）
（A）质量越大的恒星，寿命越短
（B）体积越大的恒星，亮度越大
（C）红色恒星的温度比蓝色恒星的温度高
（D）恒星发光、发热主要来自于恒星内部的化学反应
【解析】 一颗恒星质量越大，虽然可用以“燃烧”的核燃料越多，但它放射出的能量也越多，因此它的寿
命反而越短。
【答案】 A
分层提分
题组A 基础过关练
一、单选题
1．下列关于恒星寿命的说法正确的是（ ）
A．质量大的恒星寿命长B．质量小的恒星寿命长
C．恒星的寿命与其质量无关D．无法确定
【答案】B
【详解】
恒星的寿命跟其质量有关，质量越大的恒星核反应剧烈，寿命越短，质量越小的恒星核反应不够剧烈寿命越长，ACD错误，B正确。
故选B。
2．形成目前宇宙的原始火球特征为（ ）
A．温度很高、密度很小，体积很小B．温度很低、密度很大，体积很小
C．温度很高、密度很大，体积很小D．温度很低、密度很小，体积不断变动
【答案】C
【详解】
形成目前宇宙的原始火球特征为温度很高、密度很大，体积很小。
故选C。
3．木村星系离地球为一亿光年，下列叙述错误的是（ ）
A．木村星系的光需一亿年才能到达地球
B．在地球所见的为一亿年前的木村星系
C．可推知木村星系可能形成在五千万年前
D．木村星系中最老的恒星年龄应该超过一亿年
【答案】C
【详解】
因为木村星系距离地球是一亿光年，所以，木村星系的光需一亿光年才能到达地球，也是地球所见的为一亿年前的星系，可推知，木村星系中最老的恒星年龄超过一亿年，由此可得，ABD不符合题意，C符合题意。
故选C。
4．现代宇宙学告诉我们，恒星在演变过程中，会形成密度很大的天体，如白矮星、中子星或黑洞。据推测，中子星物质的质量是，则中子星的密度约（ ）
A．B．
C．D．
【答案】C
【详解】
依题意，有
，
根据密度公式，有
可得中子星的密度约为
故选C。
5．一颗恒星的寿命取决于它的（ ）
A．体积B．质量C．亮度D．温度
【答案】B
【详解】
恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星内部的核反应就更加剧烈。所以B正确；ACD错误；
故选B。
6．晴朗的夜空繁星闪烁，有的恒星颜色偏红，有的恒星颜色偏蓝关于“红星”和“蓝星”表面的温度，下列说法正确的是（ ）
A．恒星表面的温度越高，表面颜色越偏红，所以“红星”表面的温度高
B．恒星表面的温度越高，表面颜色越偏蓝，所以“蓝星”表面的温度高
C．“红星”和“蓝星”表面的温度一样高
D．恒星的表面颜色与其表面温度无关
【答案】B
【详解】
恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝。
故选B。
题组B 能力提升练
二、填空题
7．天文学家根据恒星的物理特征来分类，用来分类的主要特征是____________、____________和____________．
【答案】 体积 温度 亮度
【详解】
[1][2][3] 天文学家根据恒星的物理特征来分类，用来分类的主要特征是体积、温度和亮度。
8．图示为恒星的寿命与其质量的关系图。由图可知，恒星的质量越大，其寿命越________（选填“长”或“短”）；若一恒星的质量为太阳质量的1.8倍，则它的寿命约为________年。
【答案】 短
【详解】
[1]由图看出，恒星的寿命与太阳质量的比值越大，恒星寿命越短，而太阳的质量作为定值，则知恒星的质量越大，寿命越短；
[2]当图象中横坐标为1时，此恒星即为太阳，由图读出太阳的寿命约为10×10亿年=100亿年；恒星的质量为太阳质量的1.8倍，恒星对应纵轴的数值是30亿年年。
9．通过天文观察得知天狼星A呈蓝白色，天狼星B呈白色，半人马座B呈橘红色．这三颗恒星中表面温度最高的是____________，表面温度最低的是____________．
【答案】 天狼星A 半人马座B
【详解】
[1][2] 恒星温度越高，发射出的辐射的频率也越高，在可见光中，红光的频率最低，蓝光和紫光的频率最高。就是说，从低温到高温，恒星的颜色是从红色到蓝色的。我们的太阳表面温度大约5700度，是橙黄色的。到白色时，恒星的温度已经是1万多度了，到蓝色时，恒星的颜色可能超过3万度。故恒星中表面温度最高的是天狼星A；表面温度最低的是半人马座B。
10．一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星虽然可以燃烧的核燃料较多，但它____________，所以寿命____________．试利用图估算，一颗质量为太阳2倍的恒星的寿命约为____________．
【答案】 放射出的能量也比较多 短 20亿年
【详解】
[1][2][3] 一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星虽然可以燃烧的核燃料较多，但它放射出的能量也比较多所以寿命短，根据图像可知一颗质量为太阳2倍的恒星的寿命约为20亿年。
11．绝大多数恒星是炽热的巨大的球体，体积差别很大，主要有__________、__________、__________、__________、和__________等，其中对人类影响最大的恒星是__________。
【答案】 超巨星 巨星 中型星 白矮星 中子星 太阳
【详解】
[1][2][3][4][5][6]绝大多数恒星是炽热的巨大的球体，体积差别很大，主要有超巨星、巨星、中型星、白矮星、和中子星等，其中对人类影响最大的恒星是太阳。
12．恒星演化到了后期，某些恒星在其内部核燃料耗尽时，会发生强烈的爆发，在短短的几天中，亮度陡增千万倍甚至上亿倍，我国《宋史》第五十六卷中对当时观测到的上述现象作了详细记载。2006年5月是我国发现此现象一千周年，为此在杭州召开了有关的国际学术研讨会，天文学上把演化到这一阶段的恒星称为_______________，恒星演变到这一阶段，预示着一颗恒星的终结，此后，它可能成为____________或_____________。
【答案】 超新星 中子星 黑洞
题组C 培优拔尖练
三、解答题
13．古希腊某地理学家通过长期观察，发现某日正午时刻，在北半球A城阳光与重垂方向成7.5°角射入，而在A城正南方，与A城地面距离为的B城，阳光恰好沿重垂方向射入，如图所示，射到地球的太阳光可视为平行光，据此他估算出了地球的半径，试写出估算地球半径的表达式．
【答案】
【详解】
如图所示，由题意可知
故A、B距离可表示为
故地球半径为
14．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。（已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u）
(1)写出这个核反应方程；
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
【答案】(1)；(2)24.78 MeV；(3)4.22×109 kg
【详解】
(1)由题意可得核反应方程应为
(2)反应前的质量
m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u
反应后的质量
m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u
Δm＝m1－m2＝0.026 6 u
由质能方程得，释放能量
ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm＝≈4.22×109 kg
15．太阳现在处于主序星演化阶段，它主要是由电子和、氦等原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程式是，该核反应每发生一次放出的核能约为，这些核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而便太阳中的核数目减少10%，则太阳将离开主序星阶段进入巨星的演化阶段。为了简化计算，现假定太阳全部由电子和核组成。
(1)为了研究太阳演化过程，需要知道太阳的质量M。已知地球半径，地球质量，日地中心距离，地球表面处的重力加速度，试估算太阳目前的质量。（1年取）
(2)又已知地球上与太阳光垂直的每平方米面积上每秒钟得到的太阳辐射能为，试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年？（估算结果只要求保留一位有效数字）
【答案】(1)；(2)
【详解】
(1)设地球绕日公转的周期为T，由万有引力定律和牛顿运动定律可知
地球表面的重力加速度
联立解得
将已知数据代入上式，得
(2)根据题给假定，在太阳继续保持主序星阶段的时间内。发生题中所述的聚变反应的次数为
因此期间太阳总共辐射的能量为
设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为
所以太阳继续保持主序星阶段的时间为
由以上各式得