华东师范大学出版社华东师范大学出版社主编袁运开副主编刘炳昇钱振华王顺义科学九年级下册KEXUE义务教育教科书致同学们同学们：欢迎你们学习科学，走近科学。什么是科学？科学神秘吗？科学要研究和解决的问题与人类认识自然、利用自然、保护自然和发展自身有怎样的关系？通过学习你们将会有所感悟。在这套教材里将要学习的有关生命科学、物质科学和地球与空间科学领域的知识，只是一个初步的基础，你们更要重视科学知识的产生过程和科学方法的训练，逐步养成进行科学探究的习惯；注意科学态度、创新精神与实践能力的培养，了解科学知识在生产实际中的应用以及科学知识的社会价值；要关注发生在周围的自然现象和社会现象，试着用学过的科学知识去分析解释它们，提出自己的看法并以科学的态度对待。这些方面对你们今后的工作和学习将有深远的意义。本册内容的主线是人、自然与社会。从宇宙、生命、人类起源说起，介绍自然的演化与人类社会的进步。进一步认识科学推动技术进步、技术促进科学发展的相互关系，认识社会需求是促进科学技术发展的强大动力。最后认识到人、自然与社会三者和谐发展的重要关系。本教材的编写采用探究和叙述相结合的方式，精选大量生动形象的图片，创设探索学习的条件，开辟“活动”、“阅读”、“思考与讨论”、“视窗”、“科学技术社会环境”、“小资料”、“科学家小注”、“学生实验”、“探究课题”与“练习”等栏目，提供多种主动学习活动的形式，愿你们喜欢。爱因斯坦曾经说过：“人类的一切经验和感受中，以神秘感最为美妙；这是一切真正艺术创作及科学发明的灵感源泉。”祝愿你们在学习中始终保持对自然的神秘感，不断追求科学真理，并取得成功。编者第1章宇宙的起源与演化1我们的宇宙22热大爆炸宇宙模型93恒星的一生144星际航行和空间技术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生物进化404生态平衡49第3章物质的转化和元素的循环1物质的转化552自然界中的碳循环和氧循环613自然界中的氮循环65第4章健康与保健1健康、亚健康和疾病762运动与健康83CONTENTS目录目录13免疫与健康924营养与健康985卫生与健康1046环境与健康107第5章生物的遗传和变异1生物的遗传1212生物的变异133第6章能源与社会1能源和能源的分类1422太阳能的利用1473核能的开发与放射性防护1524新能源与可持续发展163第7章科学与社会发展1科学就是力量1722科学推动技术发展1783科学技术推动经济增长1854科学技术与可持续发展189附录1汉英词汇索引192附录2元素周期表194后记1952科学第1章宇宙无边无际，包容天地万物，是自然界一切物质的总称。爱因斯坦说过，宇宙是可以理解的。今天的人类凭借着日益发展的科学技术，正在理解宇宙的道路上不断前进。宇宙的起源与演化2科学1我们的宇宙自古以来，人们就一直对宇宙怀有难以割舍的好奇情结。宇宙有多大？宇宙的年龄有多长？宇宙有着怎样的结构？宇宙是从来如此，还是在不断演化？这些问题曾使无数人魂牵梦萦。宇宙中的天体系统思考与讨论思考与讨论你还记得在七年级学过的天文知识吗？请你回忆一下，并填写下面空格：1.地球的平均半径是km，地球离太阳的平均距离是km；2.太阳的半径是km，约是分之一光年；3.银河系的直径是光年，约是太阳直径的倍；4.银河系外还有许多星系，称为星系，最远的超过亿光年。我们已经知道，宇宙（universe）中存在着各种各样的天体。按照这些天体在结构特点（包括体积和质量）、运动规律上的相似性和差异性，天文学家把它们归属于行星、恒星、星团、星系等不同的天体层次。其中，行星依附于恒星，在一定的轨道上围绕着恒星运动；众多的恒星在引力的作用下形成星团；星系则是由几亿甚至上万亿颗恒星、星际气体以及尘埃物质构成的更大的天体系统。我们所在的星系称为银河系，银河系以外的星系称为河外星系（extragalacticsystem）。现在知道宇宙中大约有1000亿个星系，星系是宇宙的基本组成部分，银河系只是星系中的一员。第1章宇宙的起源与演化3宇宙中天体的分布非常松散，星系与星系之间的距离是星系大小的几十倍至几百倍。宇宙是如此巨大，地球、太阳、银河系在宇宙中，都不过是微不足道的一小点。小资料在观测到的星系中，最近的大麦哲伦星系离地球有16万光年，仙女座星系离地球200万光年；而观测到的最远的星系离地球有100多亿光年之遥。远在100多亿光年外的星系我们还无法观测到。离我们最近和最远的星系图1.1.1离我们最近的大麦哲伦星系图1.1.2离我们200万光年的仙女座星系宇宙的大尺度分布思考与讨论思考与讨论当我们想知道宇宙在大尺度上的物质分布情况时，我们应该去观测星系还是恒星？说说你的理由。4科学要了解宇宙的运动和物质分布等情况，必须考察星系的运动和分布。20世纪30年代，天文学家观测了许多星系，发现星系大体上呈均匀分布。近30多年来，天文学家进一步发现，星系的分布虽然并不绝对均匀，但是在更大的尺度上（109光年以上），宇宙中物质的分布是均匀的。因此，宇宙在比星系更大的尺度上是均匀的。宇宙在大尺度上不但是均匀的，而且观测者在各个不同方向上观测到的宇宙状况也相同，这说明宇宙在大尺度上还是各向同性的。既然宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的，那么宇宙各处的状况和特性在大尺度上也应该是相同的，而且宇宙一定是无边的。因为如果宇宙有边，那么在边界处观测到的宇宙就会和其他地方观测到的宇宙不一样，就会和宇宙是均匀与各向同性的这一结论发生矛盾。图1.1.3宇宙的大尺度结构图1.1.4宇宙大尺度结构计算机模拟图第1章宇宙的起源与演化5思考与讨论思考与讨论根据宇宙是均匀和各向同性的这一结论能推断宇宙是没有中心的吗？请说出你的理由。膨胀的宇宙天文学家在观测星系时，发现来自星系的光谱线并不在标准的波长位置上，所有谱线的波长都变长即颜色变红了，也就是说谱线向红端移动了，这个现象称为河外星系的谱线红移（redshift）。用多普勒效应（Dopplereffect）来解释河外星系谱线红移，可以推断星系之间正在相互退行远离。小资料多普勒效应是波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象。远方疾驶过来的火车的鸣笛声变得尖细，离我们而去的火车鸣笛声变得低沉，就是多普勒效应的现象。这一现象最初由奥地利物理学家多普勒（C.Doppler18031853）在1842年发现。荷兰气象学家拜斯-巴洛特在1845年让一队喇叭手站在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏，他在站台上测到了喇叭音调的改变。这是科学史上最有趣的实验之一。多普勒效应从19世纪下半叶起就被天文学家用来测量恒星的视向速度，现在多普勒效应已经被广泛地用来观测天体和人造地球卫星的运动。多普勒效应图1.1.5多普勒6科学思考与讨论思考与讨论1.你在生活中遇到过多普勒效应吗？2.火车鸣笛声变尖，说明声波的波长变长还是变短？火车鸣笛声变得低沉，说明声波的波长变短还是变长？3.如果多普勒效应也适用于光源运动，即光源运动也会导致观测者观测到光波波长的变化，你能用多普勒效应解释河外星系的谱线红移吗？星系之间的相互远离表明，随着时间的推移，星系与星系之间的距离会变得越来越大，我们就说，宇宙正在膨胀。常见的物体膨胀，都是从一个中心向四周膨胀的。但是，星系之间的退行是相互的，即在每一个星系上都能观测到其他星系离它而去。所以，宇宙膨胀（cosmicexpansion）是没有中心的膨胀。1.把气球吹成球形（吹时不要过分用力，为下一步吹得更大留余地）；2.用沾有墨汁的毛笔在气球表面均匀地画上小圆点；3.把气球吹大至排球大小；4.观察气球上任意一个黑点与其周围其他圆点之间的距离。你能通过黑色圆点之间距离的增大找出哪个圆点位于这些圆点的中心吗？说说你的理由。活动体验没有中心的膨胀图1.1.6气球表面上的圆点相互之间的距离在增大第1章宇宙的起源与演化7天文学家哈勃哈勃（E.P.Hubble，18891953）1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德，1910年毕业于芝加哥大学天文学系，1917年在芝加哥大学获天文学博士学位。1919年10月应聘至美国威尔逊山天文台进行研究工作。此后的岁月，除“二战”期间曾一度离开参与军方的弹道学研究和领导风洞实验研究外，哈勃一直在威尔逊山天文台从事星系天文学和观测宇宙学的研究。哈勃是星系天文学的奠基人和现代观测宇宙学的主要创始人。他在天文学上的贡献很多，最重要的有四项：在1924年率先确认银河系外还有后来被称为河外星系或星系的遥远恒星系统；在1922年至1926年对星系进行了分类，建立了星系形态的哈勃序列；在1929年提出了著名的哈勃定律，从而引出了宇宙正在膨胀的观念，哈勃定律是20世纪天体物理学中的一个重大发现；从1926年到1936年，通过对星系的观测确定在不同距离上的星系分布是均匀的。哈勃是20世纪最伟大的天文学家之一。为了纪念哈勃，20世纪90年代由美国宇航局发射的空间望远镜被取名为哈勃空间望远镜。科学家小注图1.1.7天文学家哈勃思考与讨论思考与讨论1.你关注过宇宙吗？你想过天有多高、地有多大吗？你思考过“宇宙是怎样被创造出来的”这一问题吗？2.你想象中的宇宙有多大？3.你能接受宇宙正在膨胀的观念吗？4.你认为宇宙从来就是这样，还是宇宙也是在变化的？5.你认为宇宙有没有中心？地球是处在宇宙的中心吗？我心目中的宇宙8科学1.宇宙中存在各种各样的天体，按照它们的体积大小和质量大小以及运动规律是否相同等条件，可以归属于、等不同层次。2.研究宇宙时，通常可把作为宇宙的基本组成部分。3.天文观测表明，宇宙在大尺度上是和的。练习第1章宇宙的起源与演化92热大爆炸宇宙模型宇宙起源于热大爆炸，从大爆炸到现在已经过去了约137亿年。在这137亿年中，从无到有，先后产生了各种化学元素，出现了星系、恒星、行星；在地球这样的行星上还出现了生命和智慧生物人类。宇宙从大爆炸起就始终在膨胀，现在正在加速膨胀。宇宙的将来会怎样，目前的观测证据还不能给出非常令人信服的答案，也许你长大后会揭开宇宙未来命运的秘密。宇宙的起源思考与讨论思考与讨论根据宇宙正在膨胀的观测事实，你能不能推测宇宙有一个开端？说说你的理由。根据星系之间在相互远离的事实，我们可以推断宇宙正在膨胀，还可以进一步推断宇宙有一个开端。因为宇宙现在的膨胀正是过去膨胀的继续，在遥远的过去总存在这样一个时刻，那时宇宙间所有物质紧紧地挤压在一起，物质密度极大，温度极高，宇宙的一切正是从这一时刻突然发生。科学家把宇宙从密度和温度都是极大的时刻开始的膨胀，形象地称为热大爆炸（hotbigbang）。宇宙起源于热大爆炸。10科学小资料宇宙大爆炸与我们在地球上见到的爆炸不同，地球上的爆炸总是发生在某个确定的点，譬如炸弹爆炸就发生在炸弹所在的地方，然后向四周传播开去。但宇宙大爆炸是一种在每个地方同时发生，从一开始就充满整个宇宙空间的爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其他粒子飞奔。宇宙大爆炸是没有中心的爆炸。没有中心的爆炸图1.2.2宇宙大爆炸示意图图1.2.1光谱红移和星系退行示意图，说明宇宙正在膨胀开创热大爆炸宇宙学的物理学家伽莫夫伽莫夫（G.Gamow，19041968）1904年3月4日生于乌克兰敖德萨，1922年进入新罗西斯基大学学习，1928年在列宁格勒大学获物理学博士学位。1928年到1931年间他先后在哥廷根大学、哥本哈根大学和剑桥大学从事学习和研究。这三个大学正是当时发生的物理学革命的中心，这段经历使伽莫夫身处物理学研究的前沿。伽莫夫在1931年到1933年任列宁格勒大学教授，后来移居美国，先后在乔治华盛顿大学和科罗拉多大学任教。伽莫夫在1928年提出放射性衰变理论，1948年与他的学生阿尔弗等一起提出大爆炸宇宙理论，1954年提出了遗传信息如何在生物细胞内组织的理论。伽莫夫不仅在科学领域里是多面手，而且还是从一到无穷大、物理世界奇遇记、宇宙的创生等著名通俗读物的作者。科学家小注图1.2.3创建大爆炸理论的伽莫夫第1章宇宙的起源与演化11热大爆炸的证据微波背景辐射20世纪60年代，科学家在一架原本用来接收通信卫星信号的天线上接收到了来自宇宙的微波段电磁波信号。科学家证实，宇宙各处都存在这样的微波辐射，这一辐射相当于热力学温度3K（相当于-270）的热辐射。科学家还发现无论在什么地方测量以及向什么方向测量，都能观测到温度为3K的微波辐射，所以这是一个均匀的各向同性的辐射，可以肯定这是来自宇宙深处的辐射。这一弥漫于整个宇宙的辐射被称作微波背景辐射（microwavebackgroundradiation）。微波背景辐射为宇宙起源于热大爆炸提供了有力的证据，3K就是热大爆炸留下的余温。宇宙的演化宇宙从大爆炸起就始终在演化着。根据热大爆炸宇宙理论的推算，大爆炸后约3分钟宇宙中出现了复合原子核，大爆炸后100万年宇宙中出现了原子，大爆炸后10亿年宇宙中出现了星系和恒星，大爆炸后100亿年左右太阳和地球诞生。宇宙的将来宇宙既然有过去就一定会有将来。宇宙的将来是由现在观测到的宇宙中物质的多少正确地说是由现在观测到的宇宙密度决定的。宇宙密度越大，宇宙的引力就越强。如果宇宙密度大于4.510-27kgm-3（大约每立方米三个中子或质子），宇宙的膨胀会由于引力的作用而停下来，转而开始收缩，最终回到高温高密的状态。如果宇宙密度小于或等于4.510-27kgm-3，宇宙将永远膨胀下去，宇宙的温度也将越来越低，最终消亡在接近绝对零度的冷寂世界中。遗憾的是直到今天，科学家还无法给出宇宙密度的确切数值。现在观测到的宇宙密度虽然不大，但是宇宙中还存在我们无法看见的各种各样暗物质，所以宇宙密度的数值可以比目前测量值大。不过，在20世纪的最后两年里，科学家发现宇宙不仅在膨胀，而且是在加速膨胀，因此宇宙很有可能永远膨胀下去。12科学霍金霍金（S.W.Hawking，19422018）于1942年1月8日出生在英国牛津，这一天正好是伽利略逝世300周年。他中学毕业后先在牛津大学物理系学习，后在英国剑桥大学获物理学博士学位。1974年成为英国皇家科学院最年轻的院士，1979年任剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。卢卡斯数学讲座教授的头衔具有无上的学术地位，牛顿曾是第2任卢卡斯数学讲座教授，霍金是第17任。1962年春天，霍金刚成为剑桥大学的研究生，突然被检查出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化运动神经元症。这是无法治愈而且致命的病，医生们认为他最多只能活两年。霍金凭着他顽强的意志，在和病魔进行斗争的同时，在科学上作出了重大的贡献。在全身瘫痪，甚至不能正常讲话的情形下，他那沉浸于科学的大脑却始终在不知疲倦地工作着。霍金在广义相对论、黑洞和宇宙学等领域取得了举世瞩目的成就。霍金是当代最具影响的大科学家之一。科学家小注图1.2.4物理学家霍金视窗宇宙在加速膨胀1998年世界头条科技新闻科学家在1998年年底宣布，通过对宇宙深处正在爆发的超新星的观测，发现宇宙膨胀的速度要比前几年观测和计算的速度快得多，宇宙在加速膨胀。宇宙在加速膨胀的发现，被美国科学杂志评为1998年世界十大科学进展的第一号，是1998年世界上最具突破性的发现。宇宙加速膨胀的发现，使人们意识到宇宙间不仅存在大量暗物质，还可能存在更多的暗能量。因此宇宙的未来可能是永远膨胀。第1章宇宙的起源与演化13科学技术社会环境宇宙包罗万象，宇宙至大无边。人类所赖以生存的地球与宇宙相比连沧海一粟也说不上，更不用说人类自身了。可是人类凭借着那特有的智慧和理性，在经过漫长时期徘徊于神话和宗教之间后，终于把科学的触角伸向了宇宙。今天，我们能有根据地把宇宙起源以后百分之一秒到现在的一幕幕情景展现在大家面前，这真是个不可思议的奇迹。其实，爱因斯坦早就说过，宇宙间最不可理解的事情是“宇宙是可以理解的”。我们今天之所以能理解宇宙，是因为有了自牛顿以来建立和发展起来的科学，是因为近100年来几代科学家（他们中最著名的有爱因斯坦、哈勃、伽莫夫、霍金等人）的不懈探索。科学让我们走出神话，科学让我们接近事实。但是，我们今天对宇宙的理解并不是一劳永逸的理解，更不会是绝对正确的理解。诺贝尔物理学奖获得者温伯格说过：“我讲到宇宙最初三分钟内所发生的事情时，似乎充满信心，但心里并不那么踏实。”他又说：“热大爆炸宇宙理论的重要性不在于它一定正确，而在于它为汇集和研究大量的各种各样的观测资料提供了一个共同的基础。”但是有一点可以肯定，对宇宙的新的理解一定建立在现在对宇宙理解的基础上，新的理论也一定建立在热大爆炸理论的基础之上。依靠科学理解宇宙是一个不断发现错误、改正错误、接近事实真相的过程。这正是科学与一切非科学和伪科学的根本区别。依靠科学理解宇宙通过上网或去图书馆，收集下列与认识宇宙有关的资料：1.在古代人的心目中宇宙是怎样的？2.牛顿时代人们对宇宙的认识是怎样的？3.爱因斯坦提出过什么宇宙模型？4.热大爆炸宇宙理论给出了怎样的宇宙图景？活动了解人类对宇宙认识的发展1.科学家把宇宙从和都是极大的时刻开始的膨胀，形象地称为热大爆炸。2.为宇宙起源于热大爆炸提供了有力的证据。3.宇宙是有起源的，而且在膨胀着和着。练习14科学天文观测表明，恒星的前身是星际云或星际云中的某一块星云。星云在引力作用下收缩而渐渐形成恒星。形成中的恒星依靠引力势能发光发热。引力收缩使形成中的恒星中心温度升高。当温度升高到700万摄氏度时开始出现氢核聚变为氦核的3恒星的一生宇宙中的一切事物都有自己诞生、发展和消亡的过程，恒星也不例外。在茫茫的星空中，既有许多和我们太阳一样正处在青壮年期的恒星，也有正在形成的恒星，也有年龄很大的恒星红巨星，也有已经到了晚年的恒星白矮星和中子星，还有已经成为恒星残骸的黑矮星和引力极大以致光也无法逃逸出来的黑洞。形成中的恒星思考与讨论思考与讨论请你根据太阳的能量来自太阳内部热核反应的道理考虑太阳能不能永远像现在一样发光发热并说明你的理由。图1.3.1恒星在星际云中形成图1.3.2在麒麟座锥状星云中有大量年轻的恒星第1章宇宙的起源与演化15核反应，核能成为主要能源。引力和核反应产生的压力平衡使恒星不再收缩，成为一颗非常稳定的恒星。白矮星、中子星和黑洞在星空中有一类通常只能用高倍望远镜才能观察到的恒星，它们的体积较小，但非常炽热热到表面发白的程度，天文学家把这一类恒星称为白矮星（whitedwarf）。像太阳这类质量不是很大的恒星，当核燃料用完，热核反应停止后，将演化成白矮星。白矮星的密度非常高，是现在太阳密度的几万到几百万倍。白矮星主序星天文学上把能稳定地发光发热的恒星称为主序星（mainsequencestar）。太阳就是一颗主序星。太阳上氢核聚变为氦核的核反应大约可以维持100亿年。图1.3.3大分子云猎户A中的年轻恒星图1.3.4在人马座礁湖星云中新形成的恒星红巨星在观测到的恒星中有的恒星体积特别大而且呈现红色科学家把这类恒星称为红巨星。红巨星其实是大多数恒星一生中必定要经历的一个阶段。太阳在50亿年后，也会成为红巨星。成为红巨星后的太阳半径将超过现在地球的轨道半径。红巨星依靠氦核的热核反应发光发热。图1.3.5猎户座中的红巨星（左上角）图1.3.6天狼星的伴星是白矮星（图中下方的小圆点）16科学是依靠冷却发光发热的，就像烧红的铁块在空气中慢慢冷却时会发光发热一样。白矮星冷却到最后，不再发光发热，成为黑矮星（blackdwarf）。质量较大的恒星，在核燃料用完、核反应停止后，演化为中子星（neutronstar）。由于中子星在高速旋转着并向外发射很强烈的电磁辐射，地球表面上可以接收到它的辐射脉冲，因此中子星也称为脉冲星（pulsar）。中子星的密度比白矮星还要高，是现在太阳密度的百万亿倍。中子星也依靠冷却发光发热，最后也会变成黑矮星。图1.3.7中子星示意图质量更大的恒星，在核燃料用完、核反应停止后将演化为黑洞。恒星演化而来的黑洞的密度极高，具有非常大的引力，不但会把外来的物质吸入，而且黑洞内部包括光在内的物质都无法出来。黑洞是名副其实的黑暗的“无底洞”。人们虽然无法直接观测到黑洞，但是可以通过间接的方法来探测黑洞。例如，正在向黑洞落下的物质会发射很强的辐射，在黑洞附近的恒星可能会受黑洞引力的影响而有特别的分布等。超新星爆发天文学家在观测星空时，曾多次发现在星空中，会突然出现一颗新的亮星，而且在数月或数年后，这颗亮星又会消失。中国古代天文学家把这样的亮星称作“客星”。现代天文学家把这类天体称为新星，特别亮的新星称为超新星。超新星爆发是大质量恒星在演变成中子星或黑洞时的一次巨大的爆炸。大质量恒星演化的最后阶段，中心物质变成中子星，外部物质则以极大的能量向四自转轴磁轴中子星SN第1章宇宙的起源与演化17周散开，形成超新星爆发。超新星爆发的强大的冲击波会使星际云局部密度变大，引发星际云局部引力收缩。所以超新星爆发是导致一部分恒星诞生的直接动力。超新星爆发会把大质量恒星核反应中制造出的各种元素抛洒到宇宙空间，使后来形成的恒星连同它们的行星含有各种各样的元素，包括生命物质少不了的碳、氧等元素。超新星爆发是宇宙中生命的摇篮。图1.3.101934年爆发的武仙座新星，左图为爆发前，右图为爆发时图1.3.8900多年前超新星爆发，今天的蟹状星云图1.3.91987年在大麦哲伦云中爆发的超新星1987A小资料中国古代早在公元前1300年左右，在甲骨卜辞中就有新星的记录，这是世界上最早的新星记录。汉代有“元光元年五月客星见于房”的记载，这就是有名的公元前134年发生在天蝎座中的超新星。宋代（公元1054年）记载了位于今天蟹状星云中的超新星爆发现象。到17世纪末，中国有关新星和超新星的记录已经多达60余条。这些记录为今天研究恒星的演化提供了可靠的依据，具有重大的科学价值。中国古代的新星和超新星爆发记录18科学1.天文观测表明，恒星是在作用下由星云收缩而渐渐形成的。2.有这样一类恒星，能稳定地发光发热，能源来自恒星内部的氢核聚变为氦核的热核反应。这类恒星称为。3.恒星的一生将先后经历形成中的恒星、以及白矮星（中子星或黑洞）这样四个阶段。练习第1章宇宙的起源与演化194星际航行和空间技术离开地球，飞向星空2003年10月15日我国“神舟5号”载人航天飞船冲天而起，实现了中华民族梦寐以求的夙愿。人造卫星、载人航天飞船和空间站等航天器的发明已经使星际航行成为现实。发展空间技术和开发空间资源不但能使我们深入探索宇宙的奥秘，还会给人类生活带来美好的前景。星际航行和航天器通过去图书馆、上互联网或其他途径查阅关于星际航行及航天器的资料，并在课内对以下列出的方面进行交流和讨论。1.关于星际航行的科学幻想或神话故事；2.世界上第一颗人造卫星的情况；3.世界上第一个实现空间旅行的人的情况；4.世界上第一次月球之旅的情况；5.中国首次载人航天飞船的情况；6.据你所知，目前已经有哪几类航天器？活动收集星际航行及航天器的有关资料自古以来人类就向往着能自由地飞离地球，在宇宙空间遨游或者到别的星球去做客。但是，要离开地球去进行星际航行却是很困难的事。地球引力是人们星际航行面临的第一个障碍。即使克服了地球引力，人们还面临如何保证星际航行的安全、如何避免受到星际空间致命辐射的袭击、如何保证星际旅行中人类生存所必需的供给等问题。20科学小资料第一宇宙速度，使物体围绕地球运转而不掉下来的速度，数值为7.9kms。第二宇宙速度，使物体脱离地球而成为太阳系内行星的速度，数值为11.2kms。第三宇宙速度，使物体离开太阳系而去的速度，数值为16.7kms。第一、第二和第三宇宙速度20世纪50年代，人类终于迈出了星际航行的第一步。1957年10月4日，苏联成功地发射了第一颗人造卫星，为人类的航天史揭开了光辉的一页。继苏联之后，美国、法国、日本和中国等国都先后发射了自己的人造卫星，航天器的种类也很快增加。目前，航天器基本上可分为无人航天器和载人航天器两大类。无人航天器有人造卫星、无人航天飞船、空间探测器等，载人航天器有载人航天飞船和空间站等。此外还有把各种航天器送入空间的运载火箭。图1.4.1苏联第一颗人造卫星“东方”号发射现场图1.4.2第一颗人造卫星“东方”号第1章宇宙的起源与演化21思考与讨论思考与讨论人造卫星为什么能像月球那样围绕地球运转而不会掉下来呢？人造卫星是空间科学技术的结晶。自第一颗人造卫星发射成功至今，在地球的上空已经先后有数千颗人造卫星围绕地球运转过。人造卫星的主要功能是依靠它的高位置优势对地面进行观测或作为微波通信的中继站。因此按照使用功能的不同，人造卫星可分成通信类卫星和对地观测类卫星两大类。例如，各种通信卫星、电视转播卫星和导航定位卫星都属于通信类卫星；气象卫星、资源卫星和海洋卫星等都属于对地观测类卫星。小资料把人造卫星发射上天依靠的是多级运载火箭。火箭是靠往后喷出高速气体产生的反作用力前进的动力装置。要发射的卫星被安装在末级火箭里。当第一级火箭喷气燃料将要用完的时候，火箭达到了一定高度和速度，这时第二级火箭立即发动，第一级火箭自动掉下来，减小火箭在继续飞行中的质量；第二级火箭的工作使火箭达到更高的高度和速度；当末级火箭发动时，前一级火箭又会自动掉下来。带着卫星的末级火箭达到预定的离地高度和飞行速度时，就实现了星箭分离并使卫星进入预定轨道。多级运载火箭图1.4.3宇航员在月球上图1.4.4我国“长征”火箭22科学人造卫星是无人航天器，载人的人造卫星就成为载人航天飞船。载人航天飞船和人造卫星不同之处是它还必须具有应急营救、返回和生命保障系统。显然，载人航天飞船的技术指标和制造技术要求都远比人造卫星高。空间站是长期围绕地球运行的空间基地，它既能作为空间科学技术的研究室和试验站，又能作为人类飞向月球和其他行星的中间站。图1.4.5空间站小资料1970年4月24日，中国第一颗人造卫星“东方红1号”发射成功。1975年11月25日，中国第一颗返回式遥感卫星发射成功。1981年9月20日，中国首次采用一箭多星发射技术，用“风暴1号”运载火箭将三颗空间物理探测卫星同时送入轨道。1984年，中国第一颗实验通信卫星发射成功。1988年，中国第一颗气象卫星“风云1号”A星发射成功。1988年，中国发射了两颗“东方红2号甲”通信卫星，它们与后来1990年发射的同类型通信卫星一起组成了庞大的卫星教育电视广播网。1994年，中国发射“亚太1号”通信卫星。1999年，中国发射“神舟1号”试验飞船，它是中国载人航天工程的首次无人飞行。2002年，中国第一颗海洋观测卫星“海洋1号”发射成功。2003年10月15日，中国首次载人航天飞行成功。2005年10月12日，发射了“神舟6号”载人航天飞船。中国航天史上的一些重要事件第1章宇宙的起源与演化23视窗中国首次载人航天飞行2003年10月15日9时正，在我国酒泉卫星发射中心，利用“长征2号F”运载火箭将“神舟5号”载人飞船送入太空。中国首位宇航员杨利伟乘坐“神舟5号”飞船按预定轨道在空间中飞行了21小时，环绕地球14圈，于10月16日6时23分准确返回到我国内蒙古中部预定着陆地区。中国首次载人航天飞行取得圆满成功，实现了中华民族的飞天梦想。图1.4.6“神舟5号”发射升空图1.4.7我国首位宇航员杨利伟2007年10月24日，成功地发射了“嫦娥1号”月球探测卫星。2008年9月25日，成功地发射了“神舟7号”飞船，于27日航天员首次完成空间行走。2011年9月29日，中国成功发射“天宫1号”，它是中国首个目标飞行器和空间实验室。2011年11月3日，“神舟8号”与“天宫1号”成功实现空间交汇对接。2012年6月8日，载有三位航天员的“神舟9号”与“天宫1号”自动对接成功。2013年12月14日，“嫦娥三号”在月面软着陆。2018年5月21日，“嫦娥四号”中继星“鹊桥号”成功发射。2018年12月8日，“嫦娥四号”探测器在西昌卫星发射中心成功发射。2019年1月3日，“嫦娥四号”成功着陆在月球背面预选着陆区。24科学空间资源和空间开发思考与讨论思考与讨论请你想一想，在茫茫的宇宙空间是否有可供人类利用的资源？请说出你的理由。宇宙空间虽然不利于人类生存，但是却有许多人类所需要的资源。航天器的高位置以及宇宙空间的高真空、高洁净、微重力、超低温、强辐射等都是非常有用的空间资源。航天器的高位置，可以用来作为微波通信的中继站，可以放置空间太阳能电站向地球输送电能，可以“登高望远”对地球表面的活动进行监测和了解地球表面的资源分布、海洋活动、气象变化等状况；利用空间的高真空、高洁净、微重力、超低温可以制造或生产出地球上无法制造的高纯度、高均匀的晶体和药片，生产出新型的合金；利用宇宙空间强辐射诱发生物体的基因突变，可以进行作物品种的改良等。此外，月球和其他行星上的稀有金属也是可为人类利用的资源。图1.4.8气象卫星绘制的天气图小资料半导体晶体是制造电子元件的重要材料，在地面上半导体晶体需要在无尘的环境里用溶液或沉淀蒸发增长的方法生产，不但成本很高而且不能真正做到均匀和纯净；另外，还会受到地球引力对晶体增长过程的干扰。在空间高洁净和微重力的条件下，半导体材料有着更均匀的成分和渗透物的分布，甚至可获得无尺寸限制的晶体。1990年6月，苏联的“和平号”空间站增设了一个晶体舱，内有5个半导体晶体生长炉，仅7个月就生产了价值1000万美元的半导体晶体。在空间生产半导体晶体第1章宇宙的起源与演化25思考与讨论思考与讨论小资料小资料1997年7月4日13时07分（美国东部时间）美国宇航局发射的“探路者号”火星探测器经过长达8个月的漫长旅途，终于登上这颗令多少科学家向往已久的红色星球，揭开了人类探索火星奥秘的新纪元。“探路者号”探测器着陆在火星表面的阿瑞斯山谷，并释放出一辆名为“漫游者”的火星车。虽然这辆火星车只有微波炉般大小，但是它的行动非常灵活，工作期间它拍摄了大量清晰的火星照片，收集并分析了火星岩石和土壤的成分，为人类认识火星的真实面貌提供了可贵的数据。2004年，中国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。“嫦娥工程”分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。2007年10月24日，“嫦娥一号”成功发射升空，在圆满完成各项使命后，于2009年按预定计划受控撞月。2010年10月1日“嫦娥二号”顺利发射，圆满并超额完成各项既定任务。2012年9月19日，“嫦娥三号”卫星和“玉兔号”月球车已经完成探月工程的月面勘测任务。“嫦娥四号”探测器，是“嫦娥三号”的备份星。它由着陆器与巡视器组成，巡视器被命名为“玉兔二号”。作为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器，其主要任务是着陆月球表面，继续更深层次、更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息，完善月球的档案资料。2018年5月21日，“嫦娥四号”中继星“鹊桥号”成功发射，为“嫦娥四号”的着陆器和月球车提供地月中继通信支持。2018年12月8日，“嫦娥四号”探测器在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射。2019年1月3日，“嫦娥四号”成功着陆在月球背面预选着陆区，月球车“玉兔二号”到达月面开始巡视探测。2019年1月11日，“嫦娥四号”着陆器与“玉兔二号”巡视器完成两器互拍，达到工程既定目标，标志着任务圆满完成。“嫦娥四号”任务是我国探月工程四期的首次任务，在人类历史上首次实现了航天器在月球背面软着陆和巡视勘察，首次实现了月球背面同地球的中继通信，并与多个国家和国际组织开展了具有重大意义的国际合作。“探路者号”中国探月工程与“嫦娥四号”26科学1.实现星际航行首先遇到的困难是如何克服。2.航天器基本上可分为和两大类。3.载人航天器除了具有与人造卫星相同要求的技术装备外，还必须具有、和。练习探究课题观看电影宇宙与人，并组织讨论目的拓展关于宇宙的知识，了解人类在宇宙中的位置，知道理解宇宙与促进人类文明进步的关系，加深对人与自然协调重要性的认识。步骤1.组织全班同学观看电影（或DVD）宇宙与人。2.组织全班同学讨论以下问题：1.组成活动小组，每组人数在67人，其中一人为组长。2.利用课余时间上互联网或去图书馆查阅以下几方面有关中国空间技术发展的资料（小组成员每人选择一个方面）：（1）运载火箭的发展和现状；（2）通信卫星的发展和现状；（3）气象卫星的发展和现状；（4）导航定位卫星的发展和现状；（5）载人飞船技术的发展情况；（6）空间资源开发的情况。3.在课余以小组形式交流查阅的资料，并由组长或其他成员整理成一份书面报告。4.在课堂上交流各小组的书面报告。活动调查中国空间技术的发展状况第1章宇宙的起源与演化271.星系是宇宙的基本组成部分。用多普勒效应解释观测到的河外星系谱线红移，可以得出所有星系都在相互远离的结论。2.宇宙是有起源的、膨胀的、演化的。3.宇宙起源于热大爆炸，从大爆炸到现在已经过去了约137亿年。宇宙中存在着热力学温度为3K的微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是宇宙起源于热大爆炸的有力证据。4.宇宙从大爆炸起就始终在演化着。大爆炸后约3分钟宇宙中出现了复合原子核，大爆炸后100万年宇宙中出现了原子，大爆炸后10亿年宇宙中出现了星系和恒星，大爆炸后100亿年左右太阳和地球诞生。5.恒星是由于星际云或星际云中的一部分星云在引力作用下收缩而形成的。像太阳这样稳定地发光发热的恒星称为主序星。恒星在主序星后演化成红巨星。恒星到晚期将根据它们质量的不同分别演化为白矮星、中子星或黑洞。6.超新星爆发是大质量恒星演化到晚期形成中子星或黑洞时发生的能量巨大的爆炸。超新星爆发既是后来形成恒星的原动力，也是这类恒星中含有各种元素的主要原因。7.航天器可分无人航天器和载人航天器两大类。无人航天器有人造卫星、无人航天飞船、空间探测器等，载人航天器有载人航天飞船和空间站等，此外还有把各种航天器送入空间的运载火箭。8.航天器的高位置，宇宙空间的高真空、高洁净、微重力、超低温、强辐射，以及月球和其他行星上的资源等都是非常有用的空间资源。本章学到了什么（1）为什么说宇宙是有起源的、膨胀的和演化的？（2）宇宙是怎样起源的？证据是什么？（3）你觉得关于宇宙起源和演化过程的说法可信吗？为什么？（4）人类处于宇宙中的什么位置？（5）通过本章学习和观看电影宇宙与人，你改变了哪些关于宇宙的看法？（6）理解宇宙与促进人类文明的进步有什么关系？28科学第2章科学家们推测地球的年龄有46亿年左右，地球在不断地变化，在变化中延续、演化和发展着。在地球的演化过程中生物也在进化，这是一个由地质和古生物化石记录的真实而漫长的历史进程。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地球的演化我国古代流传着“盘古开天辟地”的故事，这虽然是一个神话，但是却说明自古以来人们一直在思索地球是怎样起源和演化的。对地球起源的推测很多科学家认为，太阳以及太阳系中的地球和其他行星都是来自宇宙中同一星云，经过漫长时间的演化而逐渐形成的。星云不停地旋转，使中心部分聚集收缩，成为原始太阳。星云周围的气体尘埃物质逐渐聚集成为太阳系中的大大小小的行星。图2.1.1地球的起源原始地球形成以后，由于地球内部放射性元素发生蜕变等原因，温度逐渐增高，使较重的物质沉到中心形成地核，较轻的物质形成地幔，更轻一些的物质形成地壳。当时地球上的火山频繁爆发，喷发出大量的气体，形成了原始的大气层，其中的水蒸气冷却后降落在地面，形成了原始的海洋。地球上最初的生命就诞生在海洋之中。以后随着地壳的不断运动，渐渐形成了陆地。多种多样的生物在海洋中和30科学陆地上繁衍生长。大约在2亿多年前，完整的大陆开始分裂“漂移”，世界的海陆分布逐渐形成现在的格局。小资料很久以来，人们都在努力探索地球的起源，但是这个问题非常复杂，只能通过神话来想象。在西方的宗教里，则把地球的诞生归功于上帝。牛顿发现了万有引力定律以后，就提出太阳系可能产生于一团稀薄的气体尘埃，是在万有引力的作用下逐渐吸引聚集而成的。18世纪中叶，德国哲学家康德（I.Kant，17241804）发表了宇宙发展史概论，提出了地球和太阳都是起源于宇宙空间星云物质的假说。他认为：由于万有引力的作用，星云一面收