華東師范大學出版社華東師范大學出版社主編袁運開副主編劉炳昇錢振華王順義科學九年級下冊KEXUE義務教育教科書致同學們同學們：歡迎你們學習科學，走近科學。什么是科學？科學神秘嗎？科學要研究和解決的問題與人類認識自然、利用自然、保護自然和發展自身有怎樣的關系？通過學習你們將會有所感悟。在這套教材里將要學習的有關生命科學、物質科學和地球與空間科學領域的知識，只是一個初步的基礎，你們更要重視科學知識的產生過程和科學方法的訓練，逐步養成進行科學探究的習慣；注意科學態度、創新精神與實踐能力的培養，了解科學知識在生產實際中的應用以及科學知識的社會價值；要關注發生在周圍的自然現象和社會現象，試著用學過的科學知識去分析解釋它們，提出自己的看法并以科學的態度對待。這些方面對你們今后的工作和學習將有深遠的意義。本冊內容的主線是人、自然與社會。從宇宙、生命、人類起源說起，介紹自然的演化與人類社會的進步。進一步認識科學推動技術進步、技術促進科學發展的相互關系，認識社會需求是促進科學技術發展的強大動力。最后認識到人、自然與社會三者和諧發展的重要關系。本教材的編寫采用探究和敘述相結合的方式，精選大量生動形象的圖片，創設探索學習的條件，開辟“活動”、“閱讀”、“思考與討論”、“視窗”、“科學技術社會環境”、“小資料”、“科學家小注”、“學生實驗”、“探究課題”與“練習”等欄目，提供多種主動學習活動的形式，愿你們喜歡。愛因斯坦曾經說過：“人類的一切經驗和感受中，以神秘感最為美妙；這是一切真正藝術創作及科學發明的靈感源泉。”祝愿你們在學習中始終保持對自然的神秘感，不斷追求科學真理，并取得成功。編者第1章宇宙的起源與演化1我們的宇宙22熱大爆炸宇宙模型93恒星的一生144星際航行和空間技術19第2章地球的演化和生物圈的形成1地球的演化292生命起源363生物進化404生態平衡49第3章物質的轉化和元素的循環1物質的轉化552自然界中的碳循環和氧循環613自然界中的氮循環65第4章健康與保健1健康、亞健康和疾病762運動與健康83CONTENTS目錄目錄13免疫與健康924營養與健康985衛生與健康1046環境與健康107第5章生物的遺傳和變異1生物的遺傳1212生物的變異133第6章能源與社會1能源和能源的分類1422太陽能的利用1473核能的開發與放射性防護1524新能源與可持續發展163第7章科學與社會發展1科學就是力量1722科學推動技術發展1783科學技術推動經濟增長1854科學技術與可持續發展189附錄1漢英詞匯索引192附錄2元素周期表194后記1952科學第1章宇宙無邊無際，包容天地萬物，是自然界一切物質的總稱。愛因斯坦說過，宇宙是可以理解的。今天的人類憑借著日益發展的科學技術，正在理解宇宙的道路上不斷前進。宇宙的起源與演化2科學1我們的宇宙自古以來，人們就一直對宇宙懷有難以割舍的好奇情結。宇宙有多大？宇宙的年齡有多長？宇宙有著怎樣的結構？宇宙是從來如此，還是在不斷演化？這些問題曾使無數人魂牽夢縈。宇宙中的天體系統思考與討論思考與討論你還記得在七年級學過的天文知識嗎？請你回憶一下，并填寫下面空格：1.地球的平均半徑是km，地球離太陽的平均距離是km；2.太陽的半徑是km，約是分之一光年；3.銀河系的直徑是光年，約是太陽直徑的倍；4.銀河系外還有許多星系，稱為星系，最遠的超過億光年。我們已經知道，宇宙（universe）中存在著各種各樣的天體。按照這些天體在結構特點（包括體積和質量）、運動規律上的相似性和差異性，天文學家把它們歸屬于行星、恒星、星團、星系等不同的天體層次。其中，行星依附于恒星，在一定的軌道上圍繞著恒星運動；眾多的恒星在引力的作用下形成星團；星系則是由幾億甚至上萬億顆恒星、星際氣體以及塵埃物質構成的更大的天體系統。我們所在的星系稱為銀河系，銀河系以外的星系稱為河外星系（extragalacticsystem）。現在知道宇宙中大約有1000億個星系，星系是宇宙的基本組成部分，銀河系只是星系中的一員。第1章宇宙的起源與演化3宇宙中天體的分布非常松散，星系與星系之間的距離是星系大小的幾十倍至幾百倍。宇宙是如此巨大，地球、太陽、銀河系在宇宙中，都不過是微不足道的一小點。小資料在觀測到的星系中，最近的大麥哲倫星系離地球有16萬光年，仙女座星系離地球200萬光年；而觀測到的最遠的星系離地球有100多億光年之遙。遠在100多億光年外的星系我們還無法觀測到。離我們最近和最遠的星系圖1.1.1離我們最近的大麥哲倫星系圖1.1.2離我們200萬光年的仙女座星系宇宙的大尺度分布思考與討論思考與討論當我們想知道宇宙在大尺度上的物質分布情況時，我們應該去觀測星系還是恒星？說說你的理由。4科學要了解宇宙的運動和物質分布等情況，必須考察星系的運動和分布。20世紀30年代，天文學家觀測了許多星系，發現星系大體上呈均勻分布。近30多年來，天文學家進一步發現，星系的分布雖然并不絕對均勻，但是在更大的尺度上（109光年以上），宇宙中物質的分布是均勻的。因此，宇宙在比星系更大的尺度上是均勻的。宇宙在大尺度上不但是均勻的，而且觀測者在各個不同方向上觀測到的宇宙狀況也相同，這說明宇宙在大尺度上還是各向同性的。既然宇宙在大尺度上是均勻和各向同性的，那么宇宙各處的狀況和特性在大尺度上也應該是相同的，而且宇宙一定是無邊的。因為如果宇宙有邊，那么在邊界處觀測到的宇宙就會和其他地方觀測到的宇宙不一樣，就會和宇宙是均勻與各向同性的這一結論發生矛盾。圖1.1.3宇宙的大尺度結構圖1.1.4宇宙大尺度結構計算機模擬圖第1章宇宙的起源與演化5思考與討論思考與討論根據宇宙是均勻和各向同性的這一結論能推斷宇宙是沒有中心的嗎？請說出你的理由。膨脹的宇宙天文學家在觀測星系時，發現來自星系的光譜線并不在標準的波長位置上，所有譜線的波長都變長即顏色變紅了，也就是說譜線向紅端移動了，這個現象稱為河外星系的譜線紅移（redshift）。用多普勒效應（Dopplereffect）來解釋河外星系譜線紅移，可以推斷星系之間正在相互退行遠離。小資料多普勒效應是波源和觀察者之間有相對運動時，觀察者接收到的波的頻率與波源發出的頻率不同的現象。遠方疾駛過來的火車的鳴笛聲變得尖細，離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉，就是多普勒效應的現象。這一現象最初由奧地利物理學家多普勒（C.Doppler18031853）在1842年發現。荷蘭氣象學家拜斯-巴洛特在1845年讓一隊喇叭手站在一輛從荷蘭烏德勒支附近疾駛而過的敞篷火車上吹奏，他在站臺上測到了喇叭音調的改變。這是科學史上最有趣的實驗之一。多普勒效應從19世紀下半葉起就被天文學家用來測量恒星的視向速度，現在多普勒效應已經被廣泛地用來觀測天體和人造地球衛星的運動。多普勒效應圖1.1.5多普勒6科學思考與討論思考與討論1.你在生活中遇到過多普勒效應嗎？2.火車鳴笛聲變尖，說明聲波的波長變長還是變短？火車鳴笛聲變得低沉，說明聲波的波長變短還是變長？3.如果多普勒效應也適用于光源運動，即光源運動也會導致觀測者觀測到光波波長的變化，你能用多普勒效應解釋河外星系的譜線紅移嗎？星系之間的相互遠離表明，隨著時間的推移，星系與星系之間的距離會變得越來越大，我們就說，宇宙正在膨脹。常見的物體膨脹，都是從一個中心向四周膨脹的。但是，星系之間的退行是相互的，即在每一個星系上都能觀測到其他星系離它而去。所以，宇宙膨脹（cosmicexpansion）是沒有中心的膨脹。1.把氣球吹成球形（吹時不要過分用力，為下一步吹得更大留余地）；2.用沾有墨汁的毛筆在氣球表面均勻地畫上小圓點；3.把氣球吹大至排球大小；4.觀察氣球上任意一個黑點與其周圍其他圓點之間的距離。你能通過黑色圓點之間距離的增大找出哪個圓點位于這些圓點的中心嗎？說說你的理由。活動體驗沒有中心的膨脹圖1.1.6氣球表面上的圓點相互之間的距離在增大第1章宇宙的起源與演化7天文學家哈勃哈勃（E.P.Hubble，18891953）1889年11月20日生于美國密蘇里州馬什菲爾德，1910年畢業于芝加哥大學天文學系，1917年在芝加哥大學獲天文學博士學位。1919年10月應聘至美國威爾遜山天文臺進行研究工作。此后的歲月，除“二戰”期間曾一度離開參與軍方的彈道學研究和領導風洞實驗研究外，哈勃一直在威爾遜山天文臺從事星系天文學和觀測宇宙學的研究。哈勃是星系天文學的奠基人和現代觀測宇宙學的主要創始人。他在天文學上的貢獻很多，最重要的有四項：在1924年率先確認銀河系外還有后來被稱為河外星系或星系的遙遠恒星系統；在1922年至1926年對星系進行了分類，建立了星系形態的哈勃序列；在1929年提出了著名的哈勃定律，從而引出了宇宙正在膨脹的觀念，哈勃定律是20世紀天體物理學中的一個重大發現；從1926年到1936年，通過對星系的觀測確定在不同距離上的星系分布是均勻的。哈勃是20世紀最偉大的天文學家之一。為了紀念哈勃，20世紀90年代由美國宇航局發射的空間望遠鏡被取名為哈勃空間望遠鏡。科學家小注圖1.1.7天文學家哈勃思考與討論思考與討論1.你關注過宇宙嗎？你想過天有多高、地有多大嗎？你思考過“宇宙是怎樣被創造出來的”這一問題嗎？2.你想象中的宇宙有多大？3.你能接受宇宙正在膨脹的觀念嗎？4.你認為宇宙從來就是這樣，還是宇宙也是在變化的？5.你認為宇宙有沒有中心？地球是處在宇宙的中心嗎？我心目中的宇宙8科學1.宇宙中存在各種各樣的天體，按照它們的體積大小和質量大小以及運動規律是否相同等條件，可以歸屬于、等不同層次。2.研究宇宙時，通常可把作為宇宙的基本組成部分。3.天文觀測表明，宇宙在大尺度上是和的。練習第1章宇宙的起源與演化92熱大爆炸宇宙模型宇宙起源于熱大爆炸，從大爆炸到現在已經過去了約137億年。在這137億年中，從無到有，先后產生了各種化學元素，出現了星系、恒星、行星；在地球這樣的行星上還出現了生命和智慧生物人類。宇宙從大爆炸起就始終在膨脹，現在正在加速膨脹。宇宙的將來會怎樣，目前的觀測證據還不能給出非常令人信服的答案，也許你長大后會揭開宇宙未來命運的秘密。宇宙的起源思考與討論思考與討論根據宇宙正在膨脹的觀測事實，你能不能推測宇宙有一個開端？說說你的理由。根據星系之間在相互遠離的事實，我們可以推斷宇宙正在膨脹，還可以進一步推斷宇宙有一個開端。因為宇宙現在的膨脹正是過去膨脹的繼續，在遙遠的過去總存在這樣一個時刻，那時宇宙間所有物質緊緊地擠壓在一起，物質密度極大，溫度極高，宇宙的一切正是從這一時刻突然發生。科學家把宇宙從密度和溫度都是極大的時刻開始的膨脹，形象地稱為熱大爆炸（hotbigbang）。宇宙起源于熱大爆炸。10科學小資料宇宙大爆炸與我們在地球上見到的爆炸不同，地球上的爆炸總是發生在某個確定的點，譬如炸彈爆炸就發生在炸彈所在的地方，然后向四周傳播開去。但宇宙大爆炸是一種在每個地方同時發生，從一開始就充滿整個宇宙空間的爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其他粒子飛奔。宇宙大爆炸是沒有中心的爆炸。沒有中心的爆炸圖1.2.2宇宙大爆炸示意圖圖1.2.1光譜紅移和星系退行示意圖，說明宇宙正在膨脹開創熱大爆炸宇宙學的物理學家伽莫夫伽莫夫（G.Gamow，19041968）1904年3月4日生于烏克蘭敖德薩，1922年進入新羅西斯基大學學習，1928年在列寧格勒大學獲物理學博士學位。1928年到1931年間他先后在哥廷根大學、哥本哈根大學和劍橋大學從事學習和研究。這三個大學正是當時發生的物理學革命的中心，這段經歷使伽莫夫身處物理學研究的前沿。伽莫夫在1931年到1933年任列寧格勒大學教授，后來移居美國，先后在喬治華盛頓大學和科羅拉多大學任教。伽莫夫在1928年提出放射性衰變理論，1948年與他的學生阿爾弗等一起提出大爆炸宇宙理論，1954年提出了遺傳信息如何在生物細胞內組織的理論。伽莫夫不僅在科學領域里是多面手，而且還是從一到無窮大、物理世界奇遇記、宇宙的創生等著名通俗讀物的作者。科學家小注圖1.2.3創建大爆炸理論的伽莫夫第1章宇宙的起源與演化11熱大爆炸的證據微波背景輻射20世紀60年代，科學家在一架原本用來接收通信衛星信號的天線上接收到了來自宇宙的微波段電磁波信號。科學家證實，宇宙各處都存在這樣的微波輻射，這一輻射相當于熱力學溫度3K（相當于-270）的熱輻射。科學家還發現無論在什么地方測量以及向什么方向測量，都能觀測到溫度為3K的微波輻射，所以這是一個均勻的各向同性的輻射，可以肯定這是來自宇宙深處的輻射。這一彌漫于整個宇宙的輻射被稱作微波背景輻射（microwavebackgroundradiation）。微波背景輻射為宇宙起源于熱大爆炸提供了有力的證據，3K就是熱大爆炸留下的余溫。宇宙的演化宇宙從大爆炸起就始終在演化著。根據熱大爆炸宇宙理論的推算，大爆炸后約3分鐘宇宙中出現了復合原子核，大爆炸后100萬年宇宙中出現了原子，大爆炸后10億年宇宙中出現了星系和恒星，大爆炸后100億年左右太陽和地球誕生。宇宙的將來宇宙既然有過去就一定會有將來。宇宙的將來是由現在觀測到的宇宙中物質的多少正確地說是由現在觀測到的宇宙密度決定的。宇宙密度越大，宇宙的引力就越強。如果宇宙密度大于4.510-27kgm-3（大約每立方米三個中子或質子），宇宙的膨脹會由于引力的作用而停下來，轉而開始收縮，最終回到高溫高密的狀態。如果宇宙密度小于或等于4.510-27kgm-3，宇宙將永遠膨脹下去，宇宙的溫度也將越來越低，最終消亡在接近絕對零度的冷寂世界中。遺憾的是直到今天，科學家還無法給出宇宙密度的確切數值。現在觀測到的宇宙密度雖然不大，但是宇宙中還存在我們無法看見的各種各樣暗物質，所以宇宙密度的數值可以比目前測量值大。不過，在20世紀的最后兩年里，科學家發現宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，因此宇宙很有可能永遠膨脹下去。12科學霍金霍金（S.W.Hawking，19422018）于1942年1月8日出生在英國牛津，這一天正好是伽利略逝世300周年。他中學畢業后先在牛津大學物理系學習，后在英國劍橋大學獲物理學博士學位。1974年成為英國皇家科學院最年輕的院士，1979年任劍橋大學盧卡斯數學講座教授。盧卡斯數學講座教授的頭銜具有無上的學術地位，牛頓曾是第2任盧卡斯數學講座教授，霍金是第17任。1962年春天，霍金剛成為劍橋大學的研究生，突然被檢查出患有肌萎縮性脊髓側索硬化運動神經元癥。這是無法治愈而且致命的病，醫生們認為他最多只能活兩年。霍金憑著他頑強的意志，在和病魔進行斗爭的同時，在科學上作出了重大的貢獻。在全身癱瘓，甚至不能正常講話的情形下，他那沉浸于科學的大腦卻始終在不知疲倦地工作著。霍金在廣義相對論、黑洞和宇宙學等領域取得了舉世矚目的成就。霍金是當代最具影響的大科學家之一。科學家小注圖1.2.4物理學家霍金視窗宇宙在加速膨脹1998年世界頭條科技新聞科學家在1998年年底宣布，通過對宇宙深處正在爆發的超新星的觀測，發現宇宙膨脹的速度要比前幾年觀測和計算的速度快得多，宇宙在加速膨脹。宇宙在加速膨脹的發現，被美國科學雜志評為1998年世界十大科學進展的第一號，是1998年世界上最具突破性的發現。宇宙加速膨脹的發現，使人們意識到宇宙間不僅存在大量暗物質，還可能存在更多的暗能量。因此宇宙的未來可能是永遠膨脹。第1章宇宙的起源與演化13科學技術社會環境宇宙包羅萬象，宇宙至大無邊。人類所賴以生存的地球與宇宙相比連滄海一粟也說不上，更不用說人類自身了。可是人類憑借著那特有的智慧和理性，在經過漫長時期徘徊于神話和宗教之間后，終于把科學的觸角伸向了宇宙。今天，我們能有根據地把宇宙起源以后百分之一秒到現在的一幕幕情景展現在大家面前，這真是個不可思議的奇跡。其實，愛因斯坦早就說過，宇宙間最不可理解的事情是“宇宙是可以理解的”。我們今天之所以能理解宇宙，是因為有了自牛頓以來建立和發展起來的科學，是因為近100年來幾代科學家（他們中最著名的有愛因斯坦、哈勃、伽莫夫、霍金等人）的不懈探索。科學讓我們走出神話，科學讓我們接近事實。但是，我們今天對宇宙的理解并不是一勞永逸的理解，更不會是絕對正確的理解。諾貝爾物理學獎獲得者溫伯格說過：“我講到宇宙最初三分鐘內所發生的事情時，似乎充滿信心，但心里并不那么踏實。”他又說：“熱大爆炸宇宙理論的重要性不在于它一定正確，而在于它為匯集和研究大量的各種各樣的觀測資料提供了一個共同的基礎。”但是有一點可以肯定，對宇宙的新的理解一定建立在現在對宇宙理解的基礎上，新的理論也一定建立在熱大爆炸理論的基礎之上。依靠科學理解宇宙是一個不斷發現錯誤、改正錯誤、接近事實真相的過程。這正是科學與一切非科學和偽科學的根本區別。依靠科學理解宇宙通過上網或去圖書館，收集下列與認識宇宙有關的資料：1.在古代人的心目中宇宙是怎樣的？2.牛頓時代人們對宇宙的認識是怎樣的？3.愛因斯坦提出過什么宇宙模型？4.熱大爆炸宇宙理論給出了怎樣的宇宙圖景？活動了解人類對宇宙認識的發展1.科學家把宇宙從和都是極大的時刻開始的膨脹，形象地稱為熱大爆炸。2.為宇宙起源于熱大爆炸提供了有力的證據。3.宇宙是有起源的，而且在膨脹著和著。練習14科學天文觀測表明，恒星的前身是星際云或星際云中的某一塊星云。星云在引力作用下收縮而漸漸形成恒星。形成中的恒星依靠引力勢能發光發熱。引力收縮使形成中的恒星中心溫度升高。當溫度升高到700萬攝氏度時開始出現氫核聚變為氦核的3恒星的一生宇宙中的一切事物都有自己誕生、發展和消亡的過程，恒星也不例外。在茫茫的星空中，既有許多和我們太陽一樣正處在青壯年期的恒星，也有正在形成的恒星，也有年齡很大的恒星紅巨星，也有已經到了晚年的恒星白矮星和中子星，還有已經成為恒星殘骸的黑矮星和引力極大以致光也無法逃逸出來的黑洞。形成中的恒星思考與討論思考與討論請你根據太陽的能量來自太陽內部熱核反應的道理考慮太陽能不能永遠像現在一樣發光發熱并說明你的理由。圖1.3.1恒星在星際云中形成圖1.3.2在麒麟座錐狀星云中有大量年輕的恒星第1章宇宙的起源與演化15核反應，核能成為主要能源。引力和核反應產生的壓力平衡使恒星不再收縮，成為一顆非常穩定的恒星。白矮星、中子星和黑洞在星空中有一類通常只能用高倍望遠鏡才能觀察到的恒星，它們的體積較小，但非常熾熱熱到表面發白的程度，天文學家把這一類恒星稱為白矮星（whitedwarf）。像太陽這類質量不是很大的恒星，當核燃料用完，熱核反應停止后，將演化成白矮星。白矮星的密度非常高，是現在太陽密度的幾萬到幾百萬倍。白矮星主序星天文學上把能穩定地發光發熱的恒星稱為主序星（mainsequencestar）。太陽就是一顆主序星。太陽上氫核聚變為氦核的核反應大約可以維持100億年。圖1.3.3大分子云獵戶A中的年輕恒星圖1.3.4在人馬座礁湖星云中新形成的恒星紅巨星在觀測到的恒星中有的恒星體積特別大而且呈現紅色科學家把這類恒星稱為紅巨星。紅巨星其實是大多數恒星一生中必定要經歷的一個階段。太陽在50億年后，也會成為紅巨星。成為紅巨星后的太陽半徑將超過現在地球的軌道半徑。紅巨星依靠氦核的熱核反應發光發熱。圖1.3.5獵戶座中的紅巨星（左上角）圖1.3.6天狼星的伴星是白矮星（圖中下方的小圓點）16科學是依靠冷卻發光發熱的，就像燒紅的鐵塊在空氣中慢慢冷卻時會發光發熱一樣。白矮星冷卻到最后，不再發光發熱，成為黑矮星（blackdwarf）。質量較大的恒星，在核燃料用完、核反應停止后，演化為中子星（neutronstar）。由于中子星在高速旋轉著并向外發射很強烈的電磁輻射，地球表面上可以接收到它的輻射脈沖，因此中子星也稱為脈沖星（pulsar）。中子星的密度比白矮星還要高，是現在太陽密度的百萬億倍。中子星也依靠冷卻發光發熱，最后也會變成黑矮星。圖1.3.7中子星示意圖質量更大的恒星，在核燃料用完、核反應停止后將演化為黑洞。恒星演化而來的黑洞的密度極高，具有非常大的引力，不但會把外來的物質吸入，而且黑洞內部包括光在內的物質都無法出來。黑洞是名副其實的黑暗的“無底洞”。人們雖然無法直接觀測到黑洞，但是可以通過間接的方法來探測黑洞。例如，正在向黑洞落下的物質會發射很強的輻射，在黑洞附近的恒星可能會受黑洞引力的影響而有特別的分布等。超新星爆發天文學家在觀測星空時，曾多次發現在星空中，會突然出現一顆新的亮星，而且在數月或數年后，這顆亮星又會消失。中國古代天文學家把這樣的亮星稱作“客星”。現代天文學家把這類天體稱為新星，特別亮的新星稱為超新星。超新星爆發是大質量恒星在演變成中子星或黑洞時的一次巨大的爆炸。大質量恒星演化的最后階段，中心物質變成中子星，外部物質則以極大的能量向四自轉軸磁軸中子星SN第1章宇宙的起源與演化17周散開，形成超新星爆發。超新星爆發的強大的沖擊波會使星際云局部密度變大，引發星際云局部引力收縮。所以超新星爆發是導致一部分恒星誕生的直接動力。超新星爆發會把大質量恒星核反應中制造出的各種元素拋灑到宇宙空間，使后來形成的恒星連同它們的行星含有各種各樣的元素，包括生命物質少不了的碳、氧等元素。超新星爆發是宇宙中生命的搖籃。圖1.3.101934年爆發的武仙座新星，左圖為爆發前，右圖為爆發時圖1.3.8900多年前超新星爆發，今天的蟹狀星云圖1.3.91987年在大麥哲倫云中爆發的超新星1987A小資料中國古代早在公元前1300年左右，在甲骨卜辭中就有新星的記錄，這是世界上最早的新星記錄。漢代有“元光元年五月客星見于房”的記載，這就是有名的公元前134年發生在天蝎座中的超新星。宋代（公元1054年）記載了位于今天蟹狀星云中的超新星爆發現象。到17世紀末，中國有關新星和超新星的記錄已經多達60余條。這些記錄為今天研究恒星的演化提供了可靠的依據，具有重大的科學價值。中國古代的新星和超新星爆發記錄18科學1.天文觀測表明，恒星是在作用下由星云收縮而漸漸形成的。2.有這樣一類恒星，能穩定地發光發熱，能源來自恒星內部的氫核聚變為氦核的熱核反應。這類恒星稱為。3.恒星的一生將先后經歷形成中的恒星、以及白矮星（中子星或黑洞）這樣四個階段。練習第1章宇宙的起源與演化194星際航行和空間技術離開地球，飛向星空2003年10月15日我國“神舟5號”載人航天飛船沖天而起，實現了中華民族夢寐以求的夙愿。人造衛星、載人航天飛船和空間站等航天器的發明已經使星際航行成為現實。發展空間技術和開發空間資源不但能使我們深入探索宇宙的奧秘，還會給人類生活帶來美好的前景。星際航行和航天器通過去圖書館、上互聯網或其他途徑查閱關于星際航行及航天器的資料，并在課內對以下列出的方面進行交流和討論。1.關于星際航行的科學幻想或神話故事；2.世界上第一顆人造衛星的情況；3.世界上第一個實現空間旅行的人的情況；4.世界上第一次月球之旅的情況；5.中國首次載人航天飛船的情況；6.據你所知，目前已經有哪幾類航天器？活動收集星際航行及航天器的有關資料自古以來人類就向往著能自由地飛離地球，在宇宙空間遨游或者到別的星球去做客。但是，要離開地球去進行星際航行卻是很困難的事。地球引力是人們星際航行面臨的第一個障礙。即使克服了地球引力，人們還面臨如何保證星際航行的安全、如何避免受到星際空間致命輻射的襲擊、如何保證星際旅行中人類生存所必需的供給等問題。20科學小資料第一宇宙速度，使物體圍繞地球運轉而不掉下來的速度，數值為7.9kms。第二宇宙速度，使物體脫離地球而成為太陽系內行星的速度，數值為11.2kms。第三宇宙速度，使物體離開太陽系而去的速度，數值為16.7kms。第一、第二和第三宇宙速度20世紀50年代，人類終于邁出了星際航行的第一步。1957年10月4日，蘇聯成功地發射了第一顆人造衛星，為人類的航天史揭開了光輝的一頁。繼蘇聯之后，美國、法國、日本和中國等國都先后發射了自己的人造衛星，航天器的種類也很快增加。目前，航天器基本上可分為無人航天器和載人航天器兩大類。無人航天器有人造衛星、無人航天飛船、空間探測器等，載人航天器有載人航天飛船和空間站等。此外還有把各種航天器送入空間的運載火箭。圖1.4.1蘇聯第一顆人造衛星“東方”號發射現場圖1.4.2第一顆人造衛星“東方”號第1章宇宙的起源與演化21思考與討論思考與討論人造衛星為什么能像月球那樣圍繞地球運轉而不會掉下來呢？人造衛星是空間科學技術的結晶。自第一顆人造衛星發射成功至今，在地球的上空已經先后有數千顆人造衛星圍繞地球運轉過。人造衛星的主要功能是依靠它的高位置優勢對地面進行觀測或作為微波通信的中繼站。因此按照使用功能的不同，人造衛星可分成通信類衛星和對地觀測類衛星兩大類。例如，各種通信衛星、電視轉播衛星和導航定位衛星都屬于通信類衛星；氣象衛星、資源衛星和海洋衛星等都屬于對地觀測類衛星。小資料把人造衛星發射上天依靠的是多級運載火箭。火箭是靠往后噴出高速氣體產生的反作用力前進的動力裝置。要發射的衛星被安裝在末級火箭里。當第一級火箭噴氣燃料將要用完的時候，火箭達到了一定高度和速度，這時第二級火箭立即發動，第一級火箭自動掉下來，減小火箭在繼續飛行中的質量；第二級火箭的工作使火箭達到更高的高度和速度；當末級火箭發動時，前一級火箭又會自動掉下來。帶著衛星的末級火箭達到預定的離地高度和飛行速度時，就實現了星箭分離并使衛星進入預定軌道。多級運載火箭圖1.4.3宇航員在月球上圖1.4.4我國“長征”火箭22科學人造衛星是無人航天器，載人的人造衛星就成為載人航天飛船。載人航天飛船和人造衛星不同之處是它還必須具有應急營救、返回和生命保障系統。顯然，載人航天飛船的技術指標和制造技術要求都遠比人造衛星高。空間站是長期圍繞地球運行的空間基地，它既能作為空間科學技術的研究室和試驗站，又能作為人類飛向月球和其他行星的中間站。圖1.4.5空間站小資料1970年4月24日，中國第一顆人造衛星“東方紅1號”發射成功。1975年11月25日，中國第一顆返回式遙感衛星發射成功。1981年9月20日，中國首次采用一箭多星發射技術，用“風暴1號”運載火箭將三顆空間物理探測衛星同時送入軌道。1984年，中國第一顆實驗通信衛星發射成功。1988年，中國第一顆氣象衛星“風云1號”A星發射成功。1988年，中國發射了兩顆“東方紅2號甲”通信衛星，它們與后來1990年發射的同類型通信衛星一起組成了龐大的衛星教育電視廣播網。1994年，中國發射“亞太1號”通信衛星。1999年，中國發射“神舟1號”試驗飛船，它是中國載人航天工程的首次無人飛行。2002年，中國第一顆海洋觀測衛星“海洋1號”發射成功。2003年10月15日，中國首次載人航天飛行成功。2005年10月12日，發射了“神舟6號”載人航天飛船。中國航天史上的一些重要事件第1章宇宙的起源與演化23視窗中國首次載人航天飛行2003年10月15日9時正，在我國酒泉衛星發射中心，利用“長征2號F”運載火箭將“神舟5號”載人飛船送入太空。中國首位宇航員楊利偉乘坐“神舟5號”飛船按預定軌道在空間中飛行了21小時，環繞地球14圈，于10月16日6時23分準確返回到我國內蒙古中部預定著陸地區。中國首次載人航天飛行取得圓滿成功，實現了中華民族的飛天夢想。圖1.4.6“神舟5號”發射升空圖1.4.7我國首位宇航員楊利偉2007年10月24日，成功地發射了“嫦娥1號”月球探測衛星。2008年9月25日，成功地發射了“神舟7號”飛船，于27日航天員首次完成空間行走。2011年9月29日，中國成功發射“天宮1號”，它是中國首個目標飛行器和空間實驗室。2011年11月3日，“神舟8號”與“天宮1號”成功實現空間交匯對接。2012年6月8日，載有三位航天員的“神舟9號”與“天宮1號”自動對接成功。2013年12月14日，“嫦娥三號”在月面軟著陸。2018年5月21日，“嫦娥四號”中繼星“鵲橋號”成功發射。2018年12月8日，“嫦娥四號”探測器在西昌衛星發射中心成功發射。2019年1月3日，“嫦娥四號”成功著陸在月球背面預選著陸區。24科學空間資源和空間開發思考與討論思考與討論請你想一想，在茫茫的宇宙空間是否有可供人類利用的資源？請說出你的理由。宇宙空間雖然不利于人類生存，但是卻有許多人類所需要的資源。航天器的高位置以及宇宙空間的高真空、高潔凈、微重力、超低溫、強輻射等都是非常有用的空間資源。航天器的高位置，可以用來作為微波通信的中繼站，可以放置空間太陽能電站向地球輸送電能，可以“登高望遠”對地球表面的活動進行監測和了解地球表面的資源分布、海洋活動、氣象變化等狀況；利用空間的高真空、高潔凈、微重力、超低溫可以制造或生產出地球上無法制造的高純度、高均勻的晶體和藥片，生產出新型的合金；利用宇宙空間強輻射誘發生物體的基因突變，可以進行作物品種的改良等。此外，月球和其他行星上的稀有金屬也是可為人類利用的資源。圖1.4.8氣象衛星繪制的天氣圖小資料半導體晶體是制造電子元件的重要材料，在地面上半導體晶體需要在無塵的環境里用溶液或沉淀蒸發增長的方法生產，不但成本很高而且不能真正做到均勻和純凈；另外，還會受到地球引力對晶體增長過程的干擾。在空間高潔凈和微重力的條件下，半導體材料有著更均勻的成分和滲透物的分布，甚至可獲得無尺寸限制的晶體。1990年6月，蘇聯的“和平號”空間站增設了一個晶體艙，內有5個半導體晶體生長爐，僅7個月就生產了價值1000萬美元的半導體晶體。在空間生產半導體晶體第1章宇宙的起源與演化25思考與討論思考與討論小資料小資料1997年7月4日13時07分（美國東部時間）美國宇航局發射的“探路者號”火星探測器經過長達8個月的漫長旅途，終于登上這顆令多少科學家向往已久的紅色星球，揭開了人類探索火星奧秘的新紀元。“探路者號”探測器著陸在火星表面的阿瑞斯山谷，并釋放出一輛名為“漫游者”的火星車。雖然這輛火星車只有微波爐般大小，但是它的行動非常靈活，工作期間它拍攝了大量清晰的火星照片，收集并分析了火星巖石和土壤的成分，為人類認識火星的真實面貌提供了可貴的數據。2004年，中國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。“嫦娥工程”分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。2007年10月24日，“嫦娥一號”成功發射升空，在圓滿完成各項使命后，于2009年按預定計劃受控撞月。2010年10月1日“嫦娥二號”順利發射，圓滿并超額完成各項既定任務。2012年9月19日，“嫦娥三號”衛星和“玉兔號”月球車已經完成探月工程的月面勘測任務。“嫦娥四號”探測器，是“嫦娥三號”的備份星。它由著陸器與巡視器組成，巡視器被命名為“玉兔二號”。作為世界首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，其主要任務是著陸月球表面，繼續更深層次、更加全面地科學探測月球地質、資源等方面的信息，完善月球的檔案資料。2018年5月21日，“嫦娥四號”中繼星“鵲橋號”成功發射，為“嫦娥四號”的著陸器和月球車提供地月中繼通信支持。2018年12月8日，“嫦娥四號”探測器在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭成功發射。2019年1月3日，“嫦娥四號”成功著陸在月球背面預選著陸區，月球車“玉兔二號”到達月面開始巡視探測。2019年1月11日，“嫦娥四號”著陸器與“玉兔二號”巡視器完成兩器互拍，達到工程既定目標，標志著任務圓滿完成。“嫦娥四號”任務是我國探月工程四期的首次任務，在人類歷史上首次實現了航天器在月球背面軟著陸和巡視勘察，首次實現了月球背面同地球的中繼通信，并與多個國家和國際組織開展了具有重大意義的國際合作。“探路者號”中國探月工程與“嫦娥四號”26科學1.實現星際航行首先遇到的困難是如何克服。2.航天器基本上可分為和兩大類。3.載人航天器除了具有與人造衛星相同要求的技術裝備外，還必須具有、和。練習探究課題觀看電影宇宙與人，并組織討論目的拓展關于宇宙的知識，了解人類在宇宙中的位置，知道理解宇宙與促進人類文明進步的關系，加深對人與自然協調重要性的認識。步驟1.組織全班同學觀看電影（或DVD）宇宙與人。2.組織全班同學討論以下問題：1.組成活動小組，每組人數在67人，其中一人為組長。2.利用課余時間上互聯網或去圖書館查閱以下幾方面有關中國空間技術發展的資料（小組成員每人選擇一個方面）：（1）運載火箭的發展和現狀；（2）通信衛星的發展和現狀；（3）氣象衛星的發展和現狀；（4）導航定位衛星的發展和現狀；（5）載人飛船技術的發展情況；（6）空間資源開發的情況。3.在課余以小組形式交流查閱的資料，并由組長或其他成員整理成一份書面報告。4.在課堂上交流各小組的書面報告。活動調查中國空間技術的發展狀況第1章宇宙的起源與演化271.星系是宇宙的基本組成部分。用多普勒效應解釋觀測到的河外星系譜線紅移，可以得出所有星系都在相互遠離的結論。2.宇宙是有起源的、膨脹的、演化的。3.宇宙起源于熱大爆炸，從大爆炸到現在已經過去了約137億年。宇宙中存在著熱力學溫度為3K的微波背景輻射。宇宙微波背景輻射是宇宙起源于熱大爆炸的有力證據。4.宇宙從大爆炸起就始終在演化著。大爆炸后約3分鐘宇宙中出現了復合原子核，大爆炸后100萬年宇宙中出現了原子，大爆炸后10億年宇宙中出現了星系和恒星，大爆炸后100億年左右太陽和地球誕生。5.恒星是由于星際云或星際云中的一部分星云在引力作用下收縮而形成的。像太陽這樣穩定地發光發熱的恒星稱為主序星。恒星在主序星后演化成紅巨星。恒星到晚期將根據它們質量的不同分別演化為白矮星、中子星或黑洞。6.超新星爆發是大質量恒星演化到晚期形成中子星或黑洞時發生的能量巨大的爆炸。超新星爆發既是后來形成恒星的原動力，也是這類恒星中含有各種元素的主要原因。7.航天器可分無人航天器和載人航天器兩大類。無人航天器有人造衛星、無人航天飛船、空間探測器等，載人航天器有載人航天飛船和空間站等，此外還有把各種航天器送入空間的運載火箭。8.航天器的高位置，宇宙空間的高真空、高潔凈、微重力、超低溫、強輻射，以及月球和其他行星上的資源等都是非常有用的空間資源。本章學到了什么（1）為什么說宇宙是有起源的、膨脹的和演化的？（2）宇宙是怎樣起源的？證據是什么？（3）你覺得關于宇宙起源和演化過程的說法可信嗎？為什么？（4）人類處于宇宙中的什么位置？（5）通過本章學習和觀看電影宇宙與人，你改變了哪些關于宇宙的看法？（6）理解宇宙與促進人類文明的進步有什么關系？28科學第2章科學家們推測地球的年齡有46億年左右，地球在不斷地變化，在變化中延續、演化和發展著。在地球的演化過程中生物也在進化，這是一個由地質和古生物化石記錄的真實而漫長的歷史進程。地球的演化和生物圈的形成第2章地球的演化和生物圈的形成291地球的演化我國古代流傳著“盤古開天辟地”的故事，這雖然是一個神話，但是卻說明自古以來人們一直在思索地球是怎樣起源和演化的。對地球起源的推測很多科學家認為，太陽以及太陽系中的地球和其他行星都是來自宇宙中同一星云，經過漫長時間的演化而逐漸形成的。星云不停地旋轉，使中心部分聚集收縮，成為原始太陽。星云周圍的氣體塵埃物質逐漸聚集成為太陽系中的大大小小的行星。圖2.1.1地球的起源原始地球形成以后，由于地球內部放射性元素發生蛻變等原因，溫度逐漸增高，使較重的物質沉到中心形成地核，較輕的物質形成地幔，更輕一些的物質形成地殼。當時地球上的火山頻繁爆發，噴發出大量的氣體，形成了原始的大氣層，其中的水蒸氣冷卻后降落在地面，形成了原始的海洋。地球上最初的生命就誕生在海洋之中。以后隨著地殼的不斷運動，漸漸形成了陸地。多種多樣的生物在海洋中和30科學陸地上繁衍生長。大約在2億多年前，完整的大陸開始分裂“漂移”，世界的海陸分布逐漸形成現在的格局。小資料很久以來，人們都在努力探索地球的起源，但是這個問題非常復雜，只能通過神話來想象。在西方的宗教里，則把地球的誕生歸功于上帝。牛頓發現了萬有引力定律以后，就提出太陽系可能產生于一團稀薄的氣體塵埃，是在萬有引力的作用下逐漸吸引聚集而成的。18世紀中葉，德國哲學家康德（I.Kant，17241804）發表了宇宙發展史概論，提出了地球和太陽都是起源于宇宙空間星云物質的假說。他認為：由于萬有引力的作用，星云一面收