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第十章 从粒子到宇宙
课时10.5 宇宙探秘
2025年课程标准 物理素养
物理观念：知道宇宙是一个有层次的天体结构系统，它是有起源的，并且是
不断膨胀、演化的 。
1、了解人类探索宇宙的
科学思维：认识我国航天技术的进展与成就（如“神舟”系列飞船、中国空
漫长历程。
间站等） 。
2、知道宇宙天体的结构
科学探究：通过模型建构（如天体轨道模拟）和数据分析（如观测行星轨
层次。
迹）理解宇宙的层次结构 。
3、知道物质世界的时空
科学态度与责任：体会科学家探索宇宙的艰辛与坚持不懈的精神，培养科学
尺度。
探索的兴趣和责任感；增强民族自豪感，关注我国航天事业对科技发展的推
动作用 。
知识点一、银河系和宇宙天体的结构层次
1.银河系：晴朗的夜空，可见一条横亘天际的光带，它是由群星和弥漫的星际物质集合而
成的一个庞大的天体系统——银河系。它好似一个中央凸起、四周扁平的旋转铁饼，直径
大约为10万光年。
特别提醒
银河系由群星和弥漫物质集合而成的一个庞大的天体系统，它好像是一个中央突起四周扁
平的旋转铁饼，直径大约为8万光年；太阳是银河系中数以千亿计的恒星中的一颗，而银
河系又只是浩瀚宇宙中普通的一员，目前人们观测到的星系约为 1000亿个。仙女星系是离
银河系较近的星系，它距离我们超过200万光年。
2.宇宙天体的结构层次：在银河系之外，还有许许多多类似银河系的天体系统，银河系只
是其中的普通一员。现代宇宙观认为，宇宙是一个有层次的天体结构系统。它是有起源的
并且是不断膨胀、演化的。这些观点得到了越来越多观测证据的支持。
特别提醒
宇宙的起源：大多数宇宙科学家都认定，宇宙诞生于约 137亿年前的一次大爆炸。大爆炸
理论认为，宇宙起始于一个“原始火球”。在“原始火球”里，温度和密度都高得无法想
象，这时物质的状态至今还无法描述，这种状态可能极不稳定。最终“原始火球”发生爆
炸，这种爆炸是整体的涉及宇宙的全部物质及时间、空间。爆炸导致宇宙空间处处膨胀，
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学科网（北京）股份有限公司温度则相应下降。温度降到一定程度时，逐步形成了行星和恒星、星系、星系团和超星系
团等。
创立“日心说”的天文学家是 。现代天文学研究表明，太阳
（选填“是”或“不是”）宇宙的中心。如图所示，向粘有金属小颗粒的气球中打气
时，任一金属小颗粒与周围的其他小颗粒都相互远离。同理，我们观察到所有的星系
正在远离我们而去，我们就会得出宇宙正在 （选填“膨胀”或“收缩”）
的结论。
知识点二、物质世界的时空尺度
1.从微观到宏观的尺度：宏观与微观，是一组相对的概念。
（1）宏观是指从大的方面去观察，微观是指从小的方面去观察，有时候，我们还常常用到
中观这个概念，即处于宏观与微观之间。
（2）在自然科学中，微观世界通常是指分子、原子等粒子层面的物质世界，而除微观世界
以外的物质世界被称为宏观世界，有时候，我们又将宏观世界特指星系、宇宙等物质世界
而将人类日常生活所接触到的世界称为中观世界。
2.物质世界的时空尺度：四方上下曰宇，古往今来曰宙。”宇宙是物质、能量、时间、空
间
的总称。小到微观粒子，大到宇宙天体，都是物质。它们的存在与变化，都是与时间和空
间紧密联系的。
在“银河系、宇宙、太阳系”中，尺度最大的是 ；1811年，意大利
物理学家阿伏加德罗把能保持物质的性质不变的最小颗粒命名为 ；“质子、
中子、电子”中，不带电的是 。
问题一：银河系和宇宙天体的结构层次
【角度1】宇宙天体的结构层次
【典例1】创立“日心说”的天文学家是 （选填“托勒密”“哥白尼”或“伽利
略”）。现代天文学研究表明，太阳 （选填“是”或“不是”）宇宙的中心。如
图所示，向粘有金属小颗粒的气球中打气时，任一金属小颗粒与周围的其他小颗粒都相
互远离。同理，我们观察到所有的星系正在远离我们而去，我们就会得出宇宙正在
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学科网（北京）股份有限公司（选填“膨胀”或“收缩”）的结论。
（1）整个宇宙都是运动的，宇宙有层次之分，是由无数天体组成，太阳是宇宙中的一颗恒
星，不是宇宙的中心。
（2）宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下
降，宇宙开始膨胀，到一定程度时，逐步形成了超星系团、星系团、星系乃至恒星和行星
等。
【变式1-1】下列关于宇宙的认识正确的是（ ）
A．太阳是宇宙的中心
B．我们认识到，宇宙是一个有层次的天体结构系统
C．如图，教材中用类比的思想方法说明宇宙在不断收缩
D．恒星的位置是固定不变的，太阳是银河系中数以千亿计恒星中的一颗普通的恒星
【变式1-2】宇宙大爆炸理论认为：宇宙一开始是一个“原始火球”，原始的火球发生了大
爆炸，导致宇宙空间处处膨胀，温度 （上升/不变/下降）到一定程度时，逐步形
成了超星系团、星系团、星系乃至恒星和 等。
问题二：物质世界的时空尺度
【角度1】从微观到宏观的尺度
【典例1】宇宙是一个有 的天体结构系统。天体之间相距很远，天文学常用
作为长度单位。在银河系、宇宙、太阳系中尺度最大的是 。
（1）宇宙是一个有层次的天体结构系统；天体之间非常遥远，而光速是目前人类认知中速
度最快的，所以我们用光在一年内传播的距离--光年来作为天文学中的长度单位。
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学科网（北京）股份有限公司（2）地球属于太阳系一颗行星，太阳系属于银河系的一个星系，而银河系只是广袤宇宙的
一个组成部分。在银河系、宇宙、太阳系中尺度最大的是宇宙。
【变式1-1】下列物体中，空间尺度最小的是（ ）
A．原子 B．太阳 C．篮球 D．夸克
【变式1-2】小兰同学在宿舍里吃榴莲糖，香味会弥漫整个房间，这是 现象，人们在
研究原子的结构过程中，提出了“核式结构”的科学家是 ，宇宙是无限的，人们
对它的认识在不断提高和扩大，其中太阳是 系中的中心，分子、电子、质子、
PM2.5四种粒子，按尺度由小到大的排列 。
【基础强化】
1．下列关于宇宙的认识中正确的是（ ）
A．16世纪后，哥白尼创立了“地心说”，牛顿创立了万有引力理论
B．恒星的位置是固定不变的，太阳是银河系中数以千亿计的恒星中的一颗
C．人类认识到宇宙是一个没有层次的天体结构系统
D．如图所示，教材中用类比的物理思想方法说明宇宙在不断膨胀
2．为了揭示大自然的奥秘，大到宇宙，小到原子，人类从来没有停止探索。下列有关说法
正确的是（ ）
A．地球和其他七大行星都围绕太阳运转，说明太阳是宇宙的中心
B．玻璃棒与丝绸摩擦后能带电，说明通过摩擦可创造电荷
C．天文学家把“光年”作为衡量时间的单位
D．在原子、原子核和中子中，尺度最小的是中子
3．中国天文学发展历史非常悠久，如图是陈列在某景区内的青铜制“浑天仪”，是中国古
代天文学的重要成就。时至今日，人类从未停止对宇宙的探索。关于粒子和宇宙，下列
说法正确的是（ ）
A．固体、液体很难被压缩，说明分子间存在吸引力
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学科网（北京）股份有限公司B．杨絮漫天飞舞，说明分子在做永不停息的无规则运动
C．电子、原子核、原子是按照由小到大的尺度排序的
D．我们认识到，宇宙是一个没有层次的天体结构系统
4．下列各项排列中，按照尺度由大到小排列的是（ ）
A．银河系、太阳系、地球、电子、原子 B．太阳系、银河系、地球、原子核、质子
C．地球、太阳系、月球、原子、分子 D．太阳系、地球、分子、原子核、中子
5．关于粒子和宇宙，下列认识正确的是（ ）
A．银河系、地球、分子、原子核是按照尺度由大到小的顺序排列的
B．“破镜难重圆”是因为固体分子间存在着排斥力
C．卢瑟福发现了电子，说明原子可以再分
D．宇宙是一个有层次的天体结构系统，其中恒星是绝对不动的
6．下列说法正确的是（ ）
A．一只气球受热膨胀后，球内气体的质量不变，密度不变
B．在原子、电子、夸克和中子中，尺度最小的是电子
C．两个不带电的物体相互摩擦时，得到电子的物体带正电
D．宇宙是一个有层次的天体结构系统，是有起源、膨胀和演化的
7．一枚一元硬币的质量约为6 （填合适的单位），若将这枚硬币带到月球后，
其质量将 （选填“变大”、“不变”或“变小”）。从微观世界到宇宙，
物体的尺寸大小不同，在原子、电子、太阳系、地球四者中，尺度最大的是
，最小的是 。
8．在银河系、宇宙、太阳系中尺度最大的是 。在生活中，通过气味能分辨酱油和
醋是因为分子 ；一定量的水和酒精混合总体积变小，是由于分子之间存在
；固体和液体很难被压缩，是由于分子之间存在 。
9．宇宙是一个有层次的天体结构系统，太阳系、地月系、宇宙、银河系中尺度最小的是
；构成物质世界的各种原子都有相似的结构，根据 （填科学家名字）的
原子核式结构模型可知：原子中心由带 电的原子核和核外绕核高速旋转
的电子组成。
【能力培优】
10．下列说法正确的是（ ）
A．两个不带电的物体相互摩擦时，得到电子的物体带正电
B．在原子、分子、夸克和中子中，尺度最小的是原子
C．一只气球受热膨胀后，球内气体的质量不变，密度不变
D．宇宙是一个有层次的天体结构系统，是有起源、膨胀和演化的
11．2018年3月，现代最伟大的物理学家霍金逝世，引发全球悼念。他证明了宇宙起源于
“大爆炸”，说明宇宙是一个 （有/无）起源的天体结构系统，天体之间相距
遥远，天文学中常用 做长度单位；课本上将一个黏有小金属粒的气球看成宇宙，
将 看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，任一小金属粒周围的其他金属粒都在离
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学科网（北京）股份有限公司它远去，这里主要运用的一种思维方法是 （等效法/类比法/转换法）。
12．我们知道，当一列火车迎面开来时，我们听到汽笛声的音调升高，当它离我们远去时
音调就明显降低，这叫多普勒效应，光同样有多普勒效应．20世纪20年代科学家发
现星系的光谱向频率低的方向偏移（谱线“红移”），这一现象说明星系在
（“远离”或“靠近”）我们。由此人们认识到宇宙在 （“膨胀”或“收
缩”），从而推测宇宙诞生于约137亿年前的一次 。
13．为了形象地说明宇宙扩张学说，物理课本上用一个黏有小金属粒的气球做演示实验，
该实验将黏有小金属粒的气球看成宇宙， 看成是宇宙中的天体，气球膨胀时，
任一小金属粒周围的其他小金属粒都在离它远去，这主要运用的一种思维方法是 ．
（选填“等效法”、“类比法”或“转换法”） 天文学家哈勃发现 星系的光谱向长
波方向偏移，这一现象说明星系在 我们而去．（选填“靠近”或“远
离”）
14．物质的结构和尺度宇宙万物，从浩瀚星空到我们生活的地球，从莽莽大山到滔滔江河，
从高大的建筑物到构成物质的微小的分子、原子，都有一定的尺度，都要占据一定的
空间。
从古至今，人类从未停止对看不见的微观世界的探索，不懈地追寻构成整个世界的最
小粒子正是这种探索的集中体现。在中国科技馆“物质之妙”展区，通过图甲、乙所
示的展品能够使我们了解一些人类探索微观粒子的历程。
图甲的展品中，当同学按动启动按钮，然后旋转磁铁转盘，我们会发现管中的射线
（绿色的光）并观察到射线（绿色的光）的路径随着磁铁转盘的转动而发生变化。早
在 年，汤姆孙就根据阴极射线在电场和磁场作用下的轨迹确定出阴极射线中的粒
子带负电，并测出其荷质比，为人类认识微观世界迈出了坚实的一步。
图乙的展品中，圆形展台的正前方是一个接收屏，后面是一个玻璃罩，玻璃罩里边放
置了一个金箔片，再往后是一个模拟产生 粒子射线的装置。按动按钮，模拟装置会
发出射线，沿着圆形轨道移动接收屏，同学们可以看到接收屏在射线的正前方时屏中
的光点较多，逐步移动接收屏发现屏中的光点变少，也就是接收的 粒子的数量变少。
这个实验模拟了卢瑟福的金箔实验，又称 粒子散射实验。
根据卢瑟福做过的 粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为 ，原
子直径大约是 ，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积
只相当于原子体积的万亿分之一。
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学科网（北京）股份有限公司请根据上述材料，回答下列问题：
（1）宇宙万物无论大小，都有一定的尺度，都需要占据一定的 ；
（2）汤姆孙通过阴极射线实验发现了 ；
A．电子 B．原子 C．原子核 D．质子
（3）下列各项排列中，按照尺度的数量级由大到小排列的是 。
A．银河系、地球、原子、分子
B．太阳系、银河系、原子、原子核
C．太阳系、地球、电子、原子
D．银河系、太阳、原子、原子核
15．阅读短文，回答问题：
宇宙大爆炸
宇宙由何而来？是困扰着现代物理学和天文学的一个难题。1946年，有科学家提出，
宇宙起源于大约137亿年以前的一次大爆炸。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热
到冷的演化史。在这个时期里，宇宙在不断地膨胀，使物质从密到稀地演化，如同一
次规模巨大的爆炸。
后来，科学家注意到，从我们所处的银河系观察，银河系外的星系（即河外星系）发
出的光，绝大部分颜色会偏“红”，个别也有几个颜色偏“蓝”，分别称为“红移”
和“蓝移”。理论分析表明，发生红移的河外星系，表示它在远离我们。蓝移则表示
相应的星系在靠近我们。我们（银河系）之外的其他星系群和星系团中的星系几乎都
表现出红移，而且离我们越远的星系，红移量越大。这似乎表明，绝大多数星系都在
远离我们，而且离我们越远的星系，远离越快。天文学家通过反复观测，得出一条规
律：河外星系远离我们的速度v与它到我们的距离s成正比，这条规律被称为哈勃定
律，其数学表达式为v=Hs，式中H称为哈勃常数。哈勃定律的发现，有力支持了宇宙
大爆炸学说。
根据上述材料，回答下列问题：
（1）如果我们看到某个星系发出的光的颜色偏“红”，说明这个星系正在
我们；
（2）小明根据哈勃定律，认为若以我们（银河系）为参照物，那么河外星系做
运动（选填“匀速”或“非匀速”）；
（3）类比得出速度、密度单位的方法，可推理得出哈勃常数H的单位是 ；
A．米（m） B．秒（s） C．米-1（m-1） D．秒-1（ ）
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学科网（北京）股份有限公司（4）由“v=Hs”及我们所学的速度公式，假设某星体在宇宙大爆炸后远离我们的时间
为t，其计算式为t= （用“哈勃常数H”表示）。
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