人類探索宇宙的途徑

注意事項

天文課程內容相對複雜，教案中資料很多，每部分資料只講最有趣味、最容易理解的部分即可，其餘資料供主講人備課時參考，否則上課時間會不夠用，而且學生不容易理解。

「天文（四）人類探索宇宙的途徑」教案

針對年級：五、六年級。
課程時長：2課時。
注意事項：
1.要用淺顯的語言把複雜的天文概念講給學生聽，這需要授課人同時具備豐富的天文知識和精巧的表達能力。
2.教案中的材料，主講人應當根據情況有所取捨，難以理解的部分應予迴避。
3.每部分不設時間限制，根據實際情況講授，剩餘的時間播放天文相關影片《斗轉星移》，每集10分鐘，湊足2課時時間。
【教學目標】
是學生們了解最基本的天文學知識，試圖使學生們產生對天文學的興趣。
【教學準備】
教師準備：筆記本電腦，外接音箱，教學幻燈片，天文相關影片，投影儀、幕布（或多帶幾台筆記本電腦）。
【教學過程】
一、導入。
通過回顧前三次課程，引出人類探索宇宙有很多不同的途徑。
二、肉眼觀測天象。
1.教師講述：
古人觀測天象無法突破肉眼的限制。
徐光啟，中國明末科學家，農學家，政治家，中西文化交流的先驅之一。字子先，號玄扈，教名保祿。漢族。南直隸松江府上海縣（今上海市）人，天主教徒，並且被稱為「聖教三柱石」之首。萬曆三十二年（1604）進士。通天文、歷算，習火器。入天主教，與意大利人利瑪竇研討學問。
2.教師講述：
用肉眼看到的夜空大家都很熟悉，對這樣的夜空，我們很難做深入的研究。
圖中夜空為冬夜南天星空，從圖中部的獵戶座得知，關於獵戶座，上次課已經講過了。
三、如何突破肉眼觀察的限制？
1.教師講述：伽利略
伽利略•伽利雷（Galileo Galilei，1564-1642），意大利著名數學家、物理學家、天文學家和哲學家，近代實驗科學的先驅者。
1609年，伽利略創製了天文望遠鏡（後被稱為伽利略望遠鏡），並用來觀測天體，他發現了月球表面的凹凸不平，並親手繪製了第一幅月面圖。1610年1月7日，伽利略發現了木星的四顆衛星，為哥白尼學說找到了確鑿的證據，標誌着哥白尼學說開始走向勝利。藉助於望遠鏡，伽利略還先後發現了土星光環、太陽黑子、太陽的自轉、金星和水星的盈虧現象、月球的周日和周月天平動，以及銀河是由無數恆星組成等等。這些發現開闢了天文學的新時代。
2.教師講述：大氣對天文觀測的影響以及太空望遠鏡
太空望遠鏡一直是天文學家的夢想。因為通過地面望遠鏡觀測太空總會受到大氣層的影響，因而在太空設立望遠鏡意味着把人類的眼睛放到了太空，盲點將降到最小。地球的大氣層對許多波段的天文觀測影響甚大，天文學家便設想若能將望遠鏡移到太空中，便可以不受大氣層的干擾得到更精確的天文資料。
3.教師講述：哈勃太空望遠鏡
是以天文學家哈勃為名，在軌道上環繞着地球的望遠鏡，哈勃望遠鏡是有史以來最大、最精確的天文望遠鏡。他的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處——影像不會受到大氣湍流的擾動，視寧度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。它上面的廣角行星相機可拍攝到幾十到上百個恆星照片，其清晰度是地面天文望遠鏡的10倍以上，其觀測能力等於從華盛頓看到1.6萬千米外悉尼的一隻螢火蟲。
哈勃望遠鏡所收集的圖像和信息，經人造衛星和地面數據傳輸網絡，最後到達美國的太空望遠鏡科學研究中心。利用這些極其珍貴的太空圖像和宇宙資料，科學家們取得了一系列突破性的成就。沉寂多年的天文學領域，正發生着天翻地覆的變化。
哈勃太空望遠鏡隨發現號穿梭機，於1990年4月24日發射升空。
4.教師講述：哈勃太空望遠鏡拍攝到的深度宇宙空間
藍色圓圈標示的便是遭到扭曲的類星射電源的影像。
在「哈勃」空間望遠鏡近日拍攝到的一幅照片上，同一個類星體居然同時顯現出了五幅完全不同的影像。專家們解釋說，造成這一奇特現象的正是所謂的「引力透鏡」效應。
SDSS J1004+4112號星系群距離地球有大約70億光年之遙。「哈勃」望遠鏡拍攝到的類星體距離地球約100億光年。此外，在本文所幅的照片上還可看到目前已知的距離地球最為遙遠的一座星系（約120億光年，已用紅色圓圈標出）。
注意事項：此處講解幾個星系距離地球的距離，重點是讓學生們明白哈勃太空望遠鏡大大拓寬了人類的視野即可。注意回顧上次課「光年」的概念。

四、用探測器前往星體附近進行觀測。
1.教師講述：空間探測器
用望遠鏡觀測天體也只能遠距離觀察，很多細節仍舊看不清楚，如果可以接近天體，就可以進行仔細觀測，於是人類製造了空間探測器，接近天體進行觀測。對月球和月球以遠的天體和空間進行探測的無人航天器。又稱深空探測器。
圖中是旅行者號探測器的樣子。
1977年8月20日和9月5日，美國先後發射了旅行者2號和1號探測器，這兩個姊妹探測器沿着兩條不同的軌道飛行。擔負探測太陽系外圍行星的任務。
發射一百天後，旅行者1號超過旅行者2號，並先期到達木星考察。1979年3月5日，旅行者1號在距木星27.5萬公里處與木星會合，拍攝了木星及其衛星的幾千張照片並傳回地球。通過這些照片可以發現木星周圍也有一個光環，還探測到木星的衛星上有火山爆發活動。旅行者2號於1979年7月9日到達木星附近，從木星及其衛星中間穿過，在距木星72萬公里處拍攝了幾千張照片。
1980年11月13日和1981年8月26日，這對探測器分別飛近土星考察。
旅行者2號於1985年-1989年之間先後探測了天王星和海王星。天王星是於1781年3月13日被偶然發現的一顆神秘行星，距地球十分遙遠，用天文望遠鏡觀察它時，所看到的圖像很模糊。旅行者2號經過8年的時間，航行了48億千米之後，於1985年11月4日開始接近天王星。1986年1月24日，它從距天王星最近點飛過，然後仍繼續觀測到2月25日。在1988年1月24日17時59分，「旅行者」2號橫穿距天王星赤道10.707萬千米處，航行長達6個小時，仔細地觀察了天王星的真面貌，拍攝了大量珍貴的照片。在如此近的距離上考察一顆距地球30億千米遠的天體，這還是第一次。
1989年8月24日，美國西部時間20時56分，「旅行者」2號繼完成對天王星的探測任務之後，經過了12年的太空飛行，總航程達72億千米，按預定計劃飛臨海王星北極的4827千米上空。自從1846年海王星被人們首次發現以來，直到1989年，用高倍率望遠鏡看它也只是一個不大的光點。旅行者2號飛臨海王星上空一個月之前，它的攝像機鏡頭就開始對準海王星了，當它以每小時6萬多千米的速度向海王星直奔而去，並在距海王星北極4827千米處的最近點掠過的過程中，就不斷拍攝照片，並向地球發回了6000多張彩色照片，這些照片從離地球在約45億千米外發出，要到達地球即使是無線電波傳輸，也要走4小時零6分鐘。在大屏幕前看到第一批海王星圖片的科學家驚訝得不知所措。因為這是人類第一次看清了遠在45億千米之外的海王星。
除了科學儀器外，旅行者號探測器上還攜帶了一張鍍金銅板聲像片和一枚金剛石唱針，它可以在宇宙中保存10億年，上面記錄了用54種人類語言向外星智慧生物發出的問候語，還有117種地球上動植物的圖形，以及長達90分鐘的各國音樂錄音，其中包括中國傳統古箏名曲《高山流水》。這些地球之聲將帶着人類的期望回蕩在宇宙空間。人們希望它在宇宙中漂流的漫長歲月里能遇上地外生命，而這張唱片則傳達了來自地球而的信息。
2.教師講述：卡西尼號土星探測器
「卡西尼號」太空探測器在經過6年8個月、35億千米的漫長太空旅行之後，已於北京時間2004年7月1日12時12分按計劃順利進入環繞土星轉動的軌道，開始對土星大氣、光環和衛星進行歷時4年的科學考察。
北京時間2004年7月1日上午，「卡西尼號」已經來到了土星近旁。這時候的「卡西尼號」，離開我們的距離超過15億千米，以至於它與地球之間的無線電通信聯繫，儘管無線電波以光速傳播，可是單程就要花84分鐘。於是，對於在「卡西尼號」發生的事情，就有了兩個時間，一個是在「卡西尼號」上的時鐘記錄下來的一件事情真正發生的時間，另一個則是我們地球上的時鐘記錄下來的我們「看到」這件事情發生的時間，後一時間比前一時間晚84分鐘。
「卡西尼號」的任務之一就是對土星的光環進行探測。儘管它初來乍到，然而入軌過程本身，就是在預期4年的探測運行中一個絕好的與土星距離最近的機會，它與土星表面雲層頂部的距離最近時只有大約2萬千米。科學家自然不會放過這個機會開展對土星光環的探測，因此在它入軌的過程中安排了兩次穿越土星光環。
3.教師講述：嫦娥一號
「嫦娥一號」（Chang'E1）是中國自主研製並發射的首個月球探測器。中國月球探測工程嫦娥一號月球探測衛星由中國空間技術研究院研製，以中國古代神話人物「嫦娥」命名，嫦娥奔月是一個在中國流傳的古老的神話故事。嫦娥一號主要用於獲取月球表面三維影像、分析月球表面有關物質元素的分佈特點、探測月壤厚度、探測地月空間環境等。整個「奔月」過程大概需要8-9天。嫦娥一號將運行在距月球表面200千米的圓形極軌道上。嫦娥一號工作壽命1年，計劃繞月飛行一年。執行任務後將不再返回地球。嫦娥一號發射成功，中國成為世界第五個發射月球探測器的國家地區。
五、用探測器直接接觸其他星體。
1.教師講述：我們不僅需要在星體周圍拍攝照片，進行觀測。我們還需要直接接觸到星體進行觀測，捕捉星體的細節，所以我們需要在其他星體着陸觀測。
2.教師講述：勇氣號和機遇號
2003年6月10日，勇氣號發射成功；同月25日，機遇號發射成功。2004年美國東部標準時間1月3日和24日分別登上火星。
美國宇航局專家們說，「勇氣」號如能不辱使命，那將標誌着人類發射的星際探測器自動化程度提升到了前所未有的水平。它有自己的大腦、頸、頭、眼睛、手臂，甚至還掌握着與人類地質學家所用工具類似的放大鏡和錘子。
「勇氣」號長1.6米、寬2.3米、高1.5米，重174千克。它的「大腦」是一台每秒能執行約2000萬條指令的計算機，不過與人類大腦位置不同，計算機在火星車身體內部。
所謂「頸」和「頭」是火星車上伸出的一個桅杆式結構，距火星車輪子底部高度約為1.4米，上面裝有一對可拍攝火星表面彩色照片的全景照相機作為「眼睛」。兩台相機高度與人眼高度差不多，有了它們，火星車能像站在火星表面的人一樣環視四周。
當「勇氣」號發現值得探測的目標，它會以6個輪子當腿，運動至目標面前，然後伸「手」進行考察。火星車的「手臂」具有與人肩、肘和腕關節類似的結構，能夠靈活地伸展、彎曲和轉動。上面帶有多種工具。
「勇氣」號依靠餐桌大小的太陽能電池板獲得能源，在理想情況下每天最多可在火星上漫步20米。
勇氣號、機遇號是一個9歲的美國小女孩取的名字。
圖中機遇號拍攝的全景圖局部中，火星地面是鬆軟的土壤，地上留下了機遇號走過的輪子印；勇氣號拍攝的全景圖局部中，火星地面是石塊。
3.教師講述：鳳凰號
美國東部時間2007年8月4日5點26分，美國「鳳凰」號火星着陸探測器由一枚德爾塔2型火箭發射升空，開始飛往火星。
鳳凰號火星探測器於美國東部時間2008年5月25日19時53分，在火星北極成功着陸。相當於地球位置的加拿大北部。
「鳳凰」號於2007年8月從美國佛羅里達州卡納維拉爾角發射，經過4.22億英里的長途跋涉才來到火星。按計劃，鳳凰號將在火星實施為期90天的探測任務，以對這個紅色星球之前尚未探測過的北極地區展開勘測，據認為此處可能有大量冰藏在地表下面。「鳳凰」號缺乏探測外星生命跡象的工具，不過，它將研究冰是否融化過，尋找北極永凍土中有機化合物的蹤跡，以確定生命是否曾經在此出現過。
設計獨特：鳳凰號有三條腿支撐，機械臂長20英尺，工作起來似反鏟挖土機，一鏟下去能在火星上挖出20英寸深的溝。
圖為美國宇航局6月20日公布的拼接照片分別顯示的是「鳳凰」號火星探測器6月15日（左）和18日發回的圖片。兩張圖片的對比顯示了那些似冰似鹽的白色物質（畫面陰影中）已經消失。美國宇航局科學家20日表示，他們分析「鳳凰」號火星探測器發回的一系列照片後確認，火星北極區域表面下存在水冰。
「鳳凰」號的機械臂30日把一份土壤樣本遞送到「熱量和釋出氣體分析儀」中。在樣本加熱時，分析儀鑒別出其中有水蒸氣產生。
4.教師講解：深度撞擊
「撞擊者」由軌道艙與撞擊艙組成。
軌道艙大小約等於一輛小轎車，功能：①傳輸數據。當撞擊艙撞上彗星的小段時間內，由於探測器記錄數據急速增加，其信號將向地面各個重疊天線傳輸。探測器上的初始數據將立刻被傳輸至地面，隨後的數據將在一個星期內傳輸完畢。②觀測記錄撞擊過程。在7月4日彗星被撞擊的24小時前「深度撞擊」釋放撞擊艙。之後，探測器將降低速度，改變航線，在距離彗星500千米以內觀測撞擊並記錄過程。③收集分析彗核樣本。在撞擊發生後，使用其光學成像和紅外線頻譜對彗星內部物質的碎片掃描，考察撞擊後10多秒內彗核的變化，對撞擊過程、撞擊坑的形成及坑內部成像，獲取彗核及撞擊坑內部的能量譜，並存儲、發送圖像和能譜數據，還接收撞擊艙發回的數據，收集彗星內部物質樣本，分析彗核結構和組成。
撞擊艙與茶几大小相等。功能：①提供照片。撞擊艙與探測器脫離、在撞向彗星彗核的前2秒，撞擊艙利用其相機，在距離彗星大約20至300公里之間拍攝有史以來最清楚的彗核照片。②撞擊彗核，產生動能相當於4.5噸TNT炸藥爆炸時的能量。
這項史無前例的「炮轟」彗星計劃始於1999年11月1日，美宇航局於2005年1月12日成功發射「深度撞擊」號探測器。在4日撞擊彗星之前，「深度撞擊」號走過了4.31億公里的漫長太空之旅，終於迎來了與坦普爾1號「親密接觸」的激動人心時刻。
撞擊器擊中彗星的彗核後，會在其表面轟出「彈坑」，使其內部物質暴露出來供研究。據預測，撞擊會造成彗核表面的冰雪、塵埃等濺起，好比在太空中放出一個大「焰火」。
注意事項：在講解圖一的時候，重點用槍、子彈、目標三者的關係類比，提高學生的理解效果。
六、人類親手觸摸其他星體。
教師講解：
7月21日2點56分(UTC)，鷹號降落六個半小時後，阿姆斯特朗扶着登月艙的階梯踏上了月球，說道：「這是我個人的一小步，但卻是全人類的一大步(That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)。」奧爾德林不久也踏上月球，兩人在月表活動了兩個半小時，使用鑽探取得了月芯標本，拍攝了一些照片，也採集了一些月表岩石標本。
圖中宇航員為奧爾德林，為他拍照的是阿姆斯特朗，在奧爾德林面罩的反射像裡面可以看到正在為他拍照的阿姆斯特朗。
七、人類探索宇宙幾種方法的比較。
教師講述：
從觀測距離和觀測細緻程度比較以上幾種觀測宇宙的方法。
望遠鏡可以觀測的距離最遠。
人類越想對星體觀察得仔細，就越需要近距離的觀察，可以涉及的範圍就越小。
八、運載火箭、穿梭機、國際空間站及其比較
1.教師講述：運載火箭
由多級火箭組成的航天運輸工具。用途是把人造地球衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入預定軌道。許多運載火箭的第一級外圍捆綁有助推火箭，又稱零級火箭。助推火箭可以是固體或液體火箭，其數量根據運載能力的需要來選擇。
2.教師講述：齊奧爾科夫斯基
康斯坦丁•齊奧爾科夫斯基，俄國和蘇聯科學家，現代航天學和火箭理論的奠基人。1903年發表了世界上第一部噴氣運動理論著作《利用噴氣工具研究宇宙空間》，提出了液體推進劑火箭的構思和原理圖，並推導出在不考慮空氣動力和地球引力的理想情況下，計算火箭在發動機工作期間獲得速度增量的公式，為研究火箭和液體火箭發動機奠定了理論基礎。
3.教師講述：戈達德
美國火箭專家羅伯特•戈達德有句名言：「昨天的夢想就是今天的希望、明天的現實」。正是羅伯特•戈達德的科學研究才使我們今天有機會現實許多飛天的夢想。
早在上世紀初，羅伯特•戈達德就對火箭作了許多研究和試驗。後來，他開發了多級火箭，每級發動機都將火箭推得更高一些，直至飛出大氣層。他的多級火箭設計思想到今天還在用，就某些方面來說今天的火箭都是戈達德火箭。
4.教師講述：穿梭機
穿梭機是一種垂直起飛、水平降落的載人航天器，它以火箭發動機為動力發射到太空，能在軌道上運行，且可以往返於地球表面和近地軌道之間，可部分重複使用的航天器。它的軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱三大部分組成。固體燃料助推火箭共兩枚，發射時它們與軌道器的三台主發動機同時點火，當穿梭機上升到50千米高空時，兩枚助推火箭停止工作並與軌道器分離，回收後經過修理可重複使用20次。外儲箱是個巨大殼體、內裝供軌道器主發動機用的推進劑，在穿梭機進入地球軌道之前主發動機熄火，外儲箱與軌道器分離，進入大氣層燒毀，外儲箱是穿梭機組件中唯一不能回收的部分。穿梭機的軌道器是載人的部分，有寬大的機艙，並根據航天任務的需要分成若干個「房間」。有一個大的貨艙，可容納大型設備。軌道器中可乘載3名職業航天員（如指令長或機長、駕駛員、任務專家等）和4名其他乘員（非職業航天員）。其艙內大氣為氮氧混合氣體。穿梭機在太空軌道完成飛行任務後，軌道器下降返航，像一架滑翔機那樣在預定跑道上水平着陸。軌道器可重複使用100次。
圖中為發現號穿梭機，前面提及的哈勃太空望遠鏡就是由發現號穿梭機送往太空的。在圖中幫助學生認識軌道器、固體燃料助推火箭和外儲箱。
5.教師講述：國際空間站
國際空間站的設想是1983年由美國總統里根首先提出的，即在國際合作的基礎上建造迄今為止最大的載人空間站。經過近十餘年的探索和多次重新設計，直到蘇聯解體、俄羅斯加盟，國際空間站才於1993年完成設計，開始實施。該空間站以美國、俄羅斯為首，包括加拿大、日本、巴西和歐空局（11個國家，正式成員國有比利時、丹麥、法國、德國、英國、意大利、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士和愛爾蘭）共16個國家參與研製。其設計壽命為10-15年，總質量約423噸、長108米、寬（含翼展）88米，運行軌道高度為397千米，載人艙內大氣壓與地表面相同，可載6人。國際空間站結構複雜，規模大，由航天員居住艙、實驗艙、服務艙，對接過渡艙、桁架、太陽能電池等部分組成，建成後總質量將達438噸，長108米。
6.教師講述：運載火箭、穿梭機和國際空間站的比較
由運載火箭攜帶的返回艙，一般不能重複使用。宇航員在太空停留時間短。
穿梭機的固體火箭推進器可以多次使用，軌道器可以反覆使用。宇航員在太空停留時間長。
國際空間站，則可以為宇航員提供長期工作的場所。
九、回顧總結。
回顧課程內容。

參考頁面

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