人类探索宇宙的途径

注意事项

天文课程内容相对复杂，教案中资料很多，每部分资料只讲最有趣味、最容易理解的部分即可，其余资料供主讲人备课时参考，否则上课时间会不够用，而且学生不容易理解。

“天文（四）人类探索宇宙的途径”教案

针对年级：五、六年级。
课程时长：2课时。
注意事项：
1.要用浅显的语言把复杂的天文概念讲给学生听，这需要授课人同时具备丰富的天文知识和精巧的表达能力。
2.教案中的材料，主讲人应当根据情况有所取舍，难以理解的部分应予回避。
3.每部分不设时间限制，根据实际情况讲授，剩余的时间播放天文相关影片《斗转星移》，每集10分钟，凑足2课时时间。
【教学目标】
是学生们了解最基本的天文学知识，试图使学生们产生对天文学的兴趣。
【教学准备】
教师准备：笔记本电脑，外接音箱，教学幻灯片，天文相关影片，投影仪、幕布（或多带几台笔记本电脑）。
【教学过程】
一、导入。
通过回顾前三次课程，引出人类探索宇宙有很多不同的途径。
二、肉眼观测天象。
1.教师讲述：
古人观测天象无法突破肉眼的限制。
徐光启，中国明末科学家，农学家，政治家，中西文化交流的先驱之一。字子先，号玄扈，教名保禄。汉族。南直隶松江府上海县（今上海市）人，天主教徒，并且被称为“圣教三柱石”之首。万历三十二年（1604）进士。通天文、历算，习火器。入天主教，与意大利人利玛窦研讨学问。
2.教师讲述：
用肉眼看到的夜空大家都很熟悉，对这样的夜空，我们很难做深入的研究。
图中夜空为冬夜南天星空，从图中部的猎户座得知，关于猎户座，上次课已经讲过了。
三、如何突破肉眼观察的限制？
1.教师讲述：伽利略
伽利略•伽利雷（Galileo Galilei，1564-1642），意大利著名数学家、物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。
1609年，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。
2.教师讲述：大气对天文观测的影响以及太空望远镜
太空望远镜一直是天文学家的梦想。因为通过地面望远镜观测太空总会受到大气层的影响，因而在太空设立望远镜意味着把人类的眼睛放到了太空，盲点将降到最小。地球的大气层对许多波段的天文观测影响甚大，天文学家便设想若能将望远镜移到太空中，便可以不受大气层的干扰得到更精确的天文资料。
3.教师讲述：哈勃太空望远镜
是以天文学家哈勃为名，在轨道上环绕著地球的望远镜，哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。他的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处——影像不会受到大气湍流的扰动，视宁度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。
哈勃望远镜所收集的图像和信息，经人造卫星和地面数据传输网络，最后到达美国的太空望远镜科学研究中心。利用这些极其珍贵的太空图像和宇宙资料，科学家们取得了一系列突破性的成就。沉寂多年的天文学领域，正发生着天翻地覆的变化。
哈勃太空望远镜随发现号航天飞机，于1990年4月24日发射升空。
4.教师讲述：哈勃太空望远镜拍摄到的深度宇宙空间
蓝色圆圈标示的便是遭到扭曲的类星射电源的影像。
在“哈勃”空间望远镜近日拍摄到的一幅照片上，同一个类星体居然同时显现出了五幅完全不同的影像。专家们解释说，造成这一奇特现象的正是所谓的“引力透镜”效应。
SDSS J1004+4112号星系群距离地球有大约70亿光年之遥。“哈勃”望远镜拍摄到的类星体距离地球约100亿光年。此外，在本文所幅的照片上还可看到目前已知的距离地球最为遥远的一座星系（约120亿光年，已用红色圆圈标出）。
注意事项：此处讲解几个星系距离地球的距离，重点是让学生们明白哈勃太空望远镜大大拓宽了人类的视野即可。注意回顾上次课“光年”的概念。

四、用探测器前往星体附近进行观测。
1.教师讲述：空间探测器
用望远镜观测天体也只能远距离观察，很多细节仍旧看不清楚，如果可以接近天体，就可以进行仔细观测，于是人类制造了空间探测器，接近天体进行观测。对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器。又称深空探测器。
图中是旅行者号探测器的样子。
1977年8月20日和9月5日，美国先后发射了旅行者2号和1号探测器，这两个姊妹探测器沿着两条不同的轨道飞行。担负探测太阳系外围行星的任务。
发射一百天后，旅行者1号超过旅行者2号，并先期到达木星考察。1979年3月5日，旅行者1号在距木星27.5万公里处与木星会合，拍摄了木星及其卫星的几千张照片并传回地球。通过这些照片可以发现木星周围也有一个光环，还探测到木星的卫星上有火山爆发活动。旅行者2号于1979年7月9日到达木星附近，从木星及其卫星中间穿过，在距木星72万公里处拍摄了几千张照片。
1980年11月13日和1981年8月26日，这对探测器分别飞近土星考察。
旅行者2号于1985年-1989年之间先后探测了天王星和海王星。天王星是于1781年3月13日被偶然发现的一颗神秘行星，距地球十分遥远，用天文望远镜观察它时，所看到的图像很模糊。旅行者2号经过8年的时间，航行了48亿千米之后，于1985年11月4日开始接近天王星。1986年1月24日，它从距天王星最近点飞过，然后仍继续观测到2月25日。在1988年1月24日17时59分，“旅行者”2号横穿距天王星赤道10.707万千米处，航行长达6个小时，仔细地观察了天王星的真面貌，拍摄了大量珍贵的照片。在如此近的距离上考察一颗距地球30亿千米远的天体，这还是第一次。
1989年8月24日，美国西部时间20时56分，“旅行者”2号继完成对天王星的探测任务之后，经过了12年的太空飞行，总航程达72亿千米，按预定计划飞临海王星北极的4827千米上空。自从1846年海王星被人们首次发现以来，直到1989年，用高倍率望远镜看它也只是一个不大的光点。旅行者2号飞临海王星上空一个月之前，它的摄像机镜头就开始对准海王星了，当它以每小时6万多千米的速度向海王星直奔而去，并在距海王星北极4827千米处的最近点掠过的过程中，就不断拍摄照片，并向地球发回了6000多张彩色照片，这些照片从离地球在约45亿千米外发出，要到达地球即使是无线电波传输，也要走4小时零6分钟。在大屏幕前看到第一批海王星图片的科学家惊讶得不知所措。因为这是人类第一次看清了远在45亿千米之外的海王星。
除了科学仪器外，旅行者号探测器上还携带了一张镀金铜板声像片和一枚金刚石唱针，它可以在宇宙中保存10亿年，上面记录了用54种人类语言向外星智慧生物发出的问候语，还有117种地球上动植物的图形，以及长达90分钟的各国音乐录音，其中包括中国传统古筝名曲《高山流水》。这些地球之声将带着人类的期望回荡在宇宙空间。人们希望它在宇宙中漂流的漫长岁月里能遇上地外生命，而这张唱片则传达了来自地球而的信息。
2.教师讲述：卡西尼号土星探测器
“卡西尼号”太空探测器在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后，已于北京时间2004年7月1日12时12分按计划顺利进入环绕土星转动的轨道，开始对土星大气、光环和卫星进行历时4年的科学考察。
北京时间2004年7月1日上午，“卡西尼号”已经来到了土星近旁。这时候的“卡西尼号”，离开我们的距离超过15亿千米，以至于它与地球之间的无线电通信联系，尽管无线电波以光速传播，可是单程就要花84分钟。于是，对于在“卡西尼号”发生的事情，就有了两个时间，一个是在“卡西尼号”上的时钟记录下来的一件事情真正发生的时间，另一个则是我们地球上的时钟记录下来的我们“看到”这件事情发生的时间，后一时间比前一时间晚84分钟。
“卡西尼号”的任务之一就是对土星的光环进行探测。尽管它初来乍到，然而入轨过程本身，就是在预期4年的探测运行中一个绝好的与土星距离最近的机会，它与土星表面云层顶部的距离最近时只有大约2万千米。科学家自然不会放过这个机会开展对土星光环的探测，因此在它入轨的过程中安排了两次穿越土星光环。
3.教师讲述：嫦娥一号
“嫦娥一号”（Chang'E1）是中国自主研制并发射的首个月球探测器。中国月球探测工程嫦娥一号月球探测卫星由中国空间技术研究院研制，以中国古代神话人物“嫦娥”命名，嫦娥奔月是一个在中国流传的古老的神话故事。嫦娥一号主要用于获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。整个“奔月”过程大概需要8-9天。嫦娥一号将运行在距月球表面200千米的圆形极轨道上。嫦娥一号工作寿命1年，计划绕月飞行一年。执行任务后将不再返回地球。嫦娥一号发射成功，中国成为世界第五个发射月球探测器的国家地区。
五、用探测器直接接触其他星体。
1.教师讲述：我们不仅需要在星体周围拍摄照片，进行观测。我们还需要直接接触到星体进行观测，捕捉星体的细节，所以我们需要在其他星体着陆观测。
2.教师讲述：勇气号和机遇号
2003年6月10日，勇气号发射成功；同月25日，机遇号发射成功。2004年美国东部标准时间1月3日和24日分别登上火星。
美国宇航局专家们说，“勇气”号如能不辱使命，那将标志着人类发射的星际探测器自动化程度提升到了前所未有的水平。它有自己的大脑、颈、头、眼睛、手臂，甚至还掌握着与人类地质学家所用工具类似的放大镜和锤子。
“勇气”号长1.6米、宽2.3米、高1.5米，重174千克。它的“大脑”是一台每秒能执行约2000万条指令的计算机，不过与人类大脑位置不同，计算机在火星车身体内部。
所谓“颈”和“头”是火星车上伸出的一个桅杆式结构，距火星车轮子底部高度约为1.4米，上面装有一对可拍摄火星表面彩色照片的全景照相机作为“眼睛”。两台相机高度与人眼高度差不多，有了它们，火星车能像站在火星表面的人一样环视四周。
当“勇气”号发现值得探测的目标，它会以6个轮子当腿，运动至目标面前，然后伸“手”进行考察。火星车的“手臂”具有与人肩、肘和腕关节类似的结构，能够灵活地伸展、弯曲和转动。上面带有多种工具。
“勇气”号依靠餐桌大小的太阳能电池板获得能源，在理想情况下每天最多可在火星上漫步20米。
勇气号、机遇号是一个9岁的美国小女孩取的名字。
图中机遇号拍摄的全景图局部中，火星地面是松软的土壤，地上留下了机遇号走过的轮子印；勇气号拍摄的全景图局部中，火星地面是石块。
3.教师讲述：凤凰号
美国东部时间2007年8月4日5点26分，美国“凤凰”号火星着陆探测器由一枚德尔塔2型火箭发射升空，开始飞往火星。
凤凰号火星探测器于美国东部时间2008年5月25日19时53分，在火星北极成功着陆。相当于地球位置的加拿大北部。
“凤凰”号于2007年8月从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射，经过4.22亿英里的长途跋涉才来到火星。按计划，凤凰号将在火星实施为期90天的探测任务，以对这个红色星球之前尚未探测过的北极地区展开勘测，据认为此处可能有大量冰藏在地表下面。“凤凰”号缺乏探测外星生命迹象的工具，不过，它将研究冰是否融化过，寻找北极永冻土中有机化合物的踪迹，以确定生命是否曾经在此出现过。
设计独特：凤凰号有三条腿支撑，机械臂长20英尺，工作起来似反铲挖土机，一铲下去能在火星上挖出20英寸深的沟。
图为美国宇航局6月20日公布的拼接照片分别显示的是“凤凰”号火星探测器6月15日（左）和18日发回的图片。两张图片的对比显示了那些似冰似盐的白色物质（画面阴影中）已经消失。美国宇航局科学家20日表示，他们分析“凤凰”号火星探测器发回的一系列照片后确认，火星北极区域表面下存在水冰。
“凤凰”号的机械臂30日把一份土壤样本递送到“热量和释出气体分析仪”中。在样本加热时，分析仪鉴别出其中有水蒸气产生。
4.教师讲解：深度撞击
“撞击者”由轨道舱与撞击舱组成。
轨道舱大小约等于一辆小轿车，功能：①传输数据。当撞击舱撞上彗星的小段时间内，由于探测器记录数据急速增加，其信号将向地面各个重叠天线传输。探测器上的初始数据将立刻被传输至地面，随后的数据将在一个星期内传输完毕。②观测记录撞击过程。在7月4日彗星被撞击的24小时前“深度撞击”释放撞击舱。之后，探测器将降低速度，改变航线，在距离彗星500千米以内观测撞击并记录过程。③收集分析彗核样本。在撞击发生后，使用其光学成像和红外线频谱对彗星内部物质的碎片扫描，考察撞击后10多秒内彗核的变化，对撞击过程、撞击坑的形成及坑内部成像，获取彗核及撞击坑内部的能量谱，并存储、发送图像和能谱数据，还接收撞击舱发回的数据，收集彗星内部物质样本，分析彗核结构和组成。
撞击舱与茶几大小相等。功能：①提供照片。撞击舱与探测器脱离、在撞向彗星彗核的前2秒，撞击舱利用其相机，在距离彗星大约20至300公里之间拍摄有史以来最清楚的彗核照片。②撞击彗核，产生动能相当于4.5吨TNT炸药爆炸时的能量。
这项史无前例的“炮轰”彗星计划始于1999年11月1日，美宇航局于2005年1月12日成功发射“深度撞击”号探测器。在4日撞击彗星之前，“深度撞击”号走过了4.31亿公里的漫长太空之旅，终于迎来了与坦普尔1号“亲密接触”的激动人心时刻。
撞击器击中彗星的彗核后，会在其表面轰出“弹坑”，使其内部物质暴露出来供研究。据预测，撞击会造成彗核表面的冰雪、尘埃等溅起，好比在太空中放出一个大“焰火”。
注意事项：在讲解图一的时候，重点用枪、子弹、目标三者的关系类比，提高学生的理解效果。
六、人类亲手触摸其他星体。
教师讲解：
7月21日2点56分(UTC)，鹰号降落六个半小时后，阿姆斯特朗扶着登月舱的阶梯踏上了月球，说道：“这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步(That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)。”奥尔德林不久也踏上月球，两人在月表活动了两个半小时，使用钻探取得了月芯标本，拍摄了一些照片，也采集了一些月表岩石标本。
图中宇航员为奥尔德林，为他拍照的是阿姆斯特朗，在奥尔德林面罩的反射像里面可以看到正在为他拍照的阿姆斯特朗。
七、人类探索宇宙几种方法的比较。
教师讲述：
从观测距离和观测细致程度比较以上几种观测宇宙的方法。
望远镜可以观测的距离最远。
人类越想对星体观察得仔细，就越需要近距离的观察，可以涉及的范围就越小。
八、运载火箭、航天飞机、国际空间站及其比较
1.教师讲述：运载火箭
由多级火箭组成的航天运输工具。用途是把人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。许多运载火箭的第一级外围捆绑有助推火箭，又称零级火箭。助推火箭可以是固体或液体火箭，其数量根据运载能力的需要来选择。
2.教师讲述：齐奥尔科夫斯基
康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基，俄国和苏联科学家，现代航天学和火箭理论的奠基人。1903年发表了世界上第一部喷气运动理论著作《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思和原理图，并推导出在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下，计算火箭在发动机工作期间获得速度增量的公式，为研究火箭和液体火箭发动机奠定了理论基础。
3.教师讲述：戈达德
美国火箭专家罗伯特•戈达德有句名言：“昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实”。正是罗伯特•戈达德的科学研究才使我们今天有机会现实许多飞天的梦想。
早在上世纪初，罗伯特•戈达德就对火箭作了许多研究和试验。后来，他开发了多级火箭，每级发动机都将火箭推得更高一些，直至飞出大气层。他的多级火箭设计思想到今天还在用，就某些方面来说今天的火箭都是戈达德火箭。
4.教师讲述：航天飞机
航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且可以往返于地球表面和近地轨道之间，可部分重复使用的航天器。它的轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三大部分组成。固体燃料助推火箭共两枚，发射时它们与轨道器的三台主发动机同时点火，当航天飞机上升到50千米高空时，两枚助推火箭停止工作并与轨道器分离，回收后经过修理可重复使用20次。外储箱是个巨大壳体、内装供轨道器主发动机用的推进剂，在航天飞机进入地球轨道之前主发动机熄火，外储箱与轨道器分离，进入大气层烧毁，外储箱是航天飞机组件中唯一不能回收的部分。航天飞机的轨道器是载人的部分，有宽大的机舱，并根据航天任务的需要分成若干个“房间”。有一个大的货舱，可容纳大型设备。轨道器中可乘载3名职业航天员（如指令长或机长、驾驶员、任务专家等）和4名其他乘员（非职业航天员）。其舱内大气为氮氧混合气体。航天飞机在太空轨道完成飞行任务后，轨道器下降返航，像一架滑翔机那样在预定跑道上水平着陆。轨道器可重复使用100次。
图中为发现号航天飞机，前面提及的哈勃太空望远镜就是由发现号航天飞机送往太空的。在图中帮助学生认识轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱。
5.教师讲述：国际空间站
国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的，即在国际合作的基础上建造迄今为止最大的载人空间站。经过近十余年的探索和多次重新设计，直到苏联解体、俄罗斯加盟，国际空间站才于1993年完成设计，开始实施。该空间站以美国、俄罗斯为首，包括加拿大、日本、巴西和欧空局（11个国家，正式成员国有比利时、丹麦、法国、德国、英国、意大利、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和爱尔兰）共16个国家参与研制。其设计寿命为10-15年，总质量约423吨、长108米、宽（含翼展）88米，运行轨道高度为397千米，载人舱内大气压与地表面相同，可载6人。国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳能电池等部分组成，建成后总质量将达438吨，长108米。
6.教师讲述：运载火箭、航天飞机和国际空间站的比较
由运载火箭携带的返回舱，一般不能重复使用。宇航员在太空停留时间短。
航天飞机的固体火箭推进器可以多次使用，轨道器可以反复使用。宇航员在太空停留时间长。
国际空间站，则可以为宇航员提供长期工作的场所。
九、回顾总结。
回顾课程内容。

参考页面

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