七年級科學(xué)觀測太空

觀測太空七年級科學(xué)·地球及其宇宙環(huán)境Contents課程目錄七年級科學(xué)·觀測太空——從地面望遠(yuǎn)鏡到深空探測，系統(tǒng)認(rèn)識人類探索宇宙的歷程與方法。01天文觀測工具的發(fā)展02太陽系認(rèn)知03探月工程04火星探測05空間站建設(shè)06太空探索的意義與展望CHAPTER01天文觀測工具的發(fā)展從伽利略的折射望遠(yuǎn)鏡到中國天眼FAST的觀測革命光學(xué)天文·技術(shù)演進(jìn)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡的三個階段光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡從1602年伽利略的折射式起步，經(jīng)牛頓反射式改良，到施密特折反射式集大成，三次技術(shù)迭代推動了人類對宇宙的認(rèn)知邊界不斷擴(kuò)展。1602折射式望遠(yuǎn)鏡—伽利略制作首架折射式望遠(yuǎn)鏡，利用透鏡組放大星光，開啟人類用儀器系統(tǒng)觀測天體的時代1668反射式望遠(yuǎn)鏡—牛頓制成首架反射式望遠(yuǎn)鏡，以凹面鏡替代透鏡消除色差，大幅提升成像質(zhì)量與口徑上限1930折反射式望遠(yuǎn)鏡—施密特研制首架折反射式望遠(yuǎn)鏡，兼具折射與反射優(yōu)勢，成為現(xiàn)代天文臺的主力觀測設(shè)備伽利略折射式天文望遠(yuǎn)鏡·博物館藏品HUBBLESPACETELESCOPE空間望遠(yuǎn)鏡——哈勃的宇宙之眼1990年升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡擺脫了大氣層干擾，在宇宙深空探測、星系演化研究和宇宙膨脹速率測定等領(lǐng)域取得突破性成果，是天基天文觀測的里程碑。011990年4月24日由"發(fā)現(xiàn)者"號航天飛機送入軌道，運行于距地面約547公里的近地軌道，徹底擺脫大氣湍流干擾547km02累計傳回超過150萬張深空觀測圖像，幫助科學(xué)家精確測定宇宙膨脹速率、發(fā)現(xiàn)暗能量存在的關(guān)鍵證據(jù)150萬+03拍攝"創(chuàng)生之柱""哈勃深場"等標(biāo)志性圖像，揭示恒星誕生區(qū)和極早期星系形態(tài)，重塑人類對宇宙演化的認(rèn)知創(chuàng)生之柱哈勃空間望遠(yuǎn)鏡·NASA·距地面約547公里近地軌道觀測太空·大國重器中國天眼FAST——世界最大射電望遠(yuǎn)鏡位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST是目前世界最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，已發(fā)現(xiàn)超900顆新脈沖星，標(biāo)志著中國在射電天文領(lǐng)域躋身世界領(lǐng)先行列。012016年9月25日在貴州平塘大窩凼落成，口徑500米、反射面積相當(dāng)于30個足球場，是世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。口徑500m02靈敏度為全球同類設(shè)備最高水平，可接收百億光年外極其微弱的電磁信號，為探測脈沖星和星際分子提供關(guān)鍵能力。百億光年03截至2024年已累計發(fā)現(xiàn)超過900顆新脈沖星，發(fā)現(xiàn)數(shù)量為同期國際其他望遠(yuǎn)鏡總和的三倍以上，成果舉世矚目。900+脈沖星FAST500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡·貴州平塘大窩凼實景航拍SPACEEXPLORATION從觀測到探測的歷史性跨越人類太空探索經(jīng)歷了從地面望遠(yuǎn)鏡觀測、到發(fā)射無人探測器近距離考察天體、再到建設(shè)空間站常駐太空的三級躍遷，每一次跨越都深刻拓展了人類對宇宙的認(rèn)知邊界。01地面觀測時代依托光學(xué)與射電望遠(yuǎn)鏡在地面接收天體信號，受大氣干擾限制，觀測精度和深度存在天花板。光學(xué)·射電02無人探測時代發(fā)射探測器飛掠、環(huán)繞或著陸月球與火星等天體，獲取近距離影像和樣品數(shù)據(jù)，開啟主動探測模式。飛掠·著陸03載人駐留時代建設(shè)空間站實現(xiàn)航天員長期在軌工作生活，開展微重力科學(xué)實驗，綜合開發(fā)利用太空資源。微重力CHAPTER02太陽系認(rèn)知從八大行星到小天體，系統(tǒng)認(rèn)識太陽系的家族成員SOLARSYSTEM太陽系的家族全貌太陽系以太陽為中心恒星，八大行星沿軌道有序運行，同時包含眾多衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星和流星體，構(gòu)成了一個層級分明、規(guī)律運轉(zhuǎn)的天體系統(tǒng)。01太陽是太陽系唯一恒星，質(zhì)量占整個太陽系99.86%，其強大引力維系所有天體的有序公轉(zhuǎn)02八大行星按距日遠(yuǎn)近排列為水金地火木土天海，可分為類地行星和類木行星兩大陣營03太陽系還包含200+顆已知衛(wèi)星、5顆矮行星以及數(shù)以百萬計的小行星、彗星和流星體等小天體太陽系八大行星按比例排列·NASATerrestrialPlanets類地行星：巖石世界的四兄弟水星、金星、地球、火星四顆類地行星體積較小、密度較大、表面為固態(tài)巖石，但因距日遠(yuǎn)近不同，大氣與表面環(huán)境差異懸殊，展現(xiàn)了巖石行星演化的多樣性。水星與金星地球與火星火星表面紅色地貌·探測器實拍01地球擁有液態(tài)水和氮氧大氣層，表面71%被海洋覆蓋，是目前已知唯一孕育生命的天體02火星表面富含氧化鐵呈紅色，有稀薄CO?大氣和極冠冰蓋，是人類尋找地外生命的首選目標(biāo)03地球磁場保護(hù)大氣層免受太陽風(fēng)剝離，維持適宜氣候長達(dá)數(shù)十億年，為生命演化提供穩(wěn)定環(huán)境04火星曾有河流與湖泊痕跡，峽谷與沉積巖層表明早期可能存在液態(tài)水，如今地下仍可能藏有冰水GASGIANTS類木行星：氣態(tài)巨人的世界木星、土星、天王星、海王星四顆類木行星體積巨大、無固態(tài)表面、擁有壯觀的大氣系統(tǒng)和眾多衛(wèi)星，其中木星的體積相當(dāng)于1300多個地球，是太陽系中的絕對巨人。木星與土星01木星體積為地球1300倍、擁有已知95顆衛(wèi)星，大紅斑風(fēng)暴已持續(xù)數(shù)百年，是太陽系最大行星02土星以壯觀的冰粒巖石環(huán)系聞名，密度低于水，擁有已知146顆衛(wèi)星，為太陽系衛(wèi)星數(shù)量之最土星·卡西尼探測器拍攝天王星與海王星01天王星自轉(zhuǎn)軸傾斜約98°呈"側(cè)躺"姿態(tài)繞日運行，表面呈藍(lán)綠色，大氣含甲烷，有暗淡環(huán)系02海王星距日最遠(yuǎn)，表面風(fēng)速可達(dá)2100km/h為太陽系之最，深藍(lán)色大氣中有顯著的大暗斑活動海王星·旅行者2號于1989年飛掠拍攝，是迄今唯一造訪過這顆遙遠(yuǎn)冰巨星的人類探測器SOLARSYSTEMBODIES衛(wèi)星、小行星與彗星太陽系中除八大行星外還存在豐富的天體類型：衛(wèi)星環(huán)繞行星運行，小行星集中于火木之間的小行星帶，彗星以冰塵混合體在橢圓軌道上運行并拖出壯觀彗尾，共同構(gòu)成太陽系的天體多樣性。衛(wèi)星圍繞行星運行的天然天體，是太陽系中數(shù)量最多的天體類型之一。太陽系已知衛(wèi)星超過200顆，其中木衛(wèi)二因冰層下可能存在液態(tài)海洋，成為人類尋找地外生命的重要目標(biāo)。200+顆小行星主要分布于火星與木星軌道之間的小行星帶，是太陽系形成初期的遺留物質(zhì)。目前已發(fā)現(xiàn)超過100萬顆小行星，其中最大者谷神星直徑約940公里，已被重新歸類為矮行星。100萬+顆彗星由冰、塵埃和巖石構(gòu)成的"臟雪球"，沿高度橢圓軌道繞太陽運行。接近太陽時冰物質(zhì)升華形成壯觀的彗發(fā)和彗尾，長度可達(dá)數(shù)千萬公里，是太陽系中最具觀賞性的天體現(xiàn)象之一。數(shù)千萬公里流星體游蕩于太陽系中的小型巖石或金屬碎片，尺寸從塵埃顆粒到數(shù)米不等。進(jìn)入行星大氣層時與空氣摩擦燃燒形成流星現(xiàn)象，未燃盡而落到地面的殘余部分則稱為隕石。巖石碎片Astronomy·History人類認(rèn)識太陽系的歷程從古人肉眼辨星、到哥白尼日心說顛覆地心宇宙觀、再到伽利略用望遠(yuǎn)鏡提供實證、赫舍爾發(fā)現(xiàn)天王星拓展邊界，人類對太陽系的認(rèn)知經(jīng)歷了從直覺到實證的四次重大躍遷。01古人憑肉眼區(qū)分恒星與行星，觀測到水金火木土五顆行星，建立"地心說"宇宙模型統(tǒng)治思想達(dá)千年之久02哥白尼16世紀(jì)提出日心說，認(rèn)為地球等行星繞日運行，顛覆了人類對自身在宇宙中位置的根本認(rèn)知03伽利略用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)金星盈虧和木星四顆衛(wèi)星，以觀測實證支持日心說，開創(chuàng)實驗驗證的科學(xué)方法論041781年赫舍爾親手磨制鏡片發(fā)現(xiàn)天王星，打破古代五顆行星的認(rèn)知邊界，太陽系版圖由此大幅擴(kuò)展伽利略使用望遠(yuǎn)鏡觀測天象的歷史場景Chapter03探月工程從美蘇太空競賽到中國嫦娥工程的月球探索之路OBSERVINGSPACE月球——地球唯一的天然衛(wèi)星月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，直徑約3476公里，其引力引發(fā)地球潮汐現(xiàn)象，深刻影響地球自然環(huán)境。月球無大氣、無液態(tài)水、溫差極端的環(huán)境特征，使月球探測成為航天工程的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。月球表面環(huán)形山與月海地貌實拍01月球直徑約3476公里，為地球的四分之一，與地球相互繞轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期約27.3天02月球引力引發(fā)地球潮汐現(xiàn)象，海洋潮汐、大氣潮汐等自然現(xiàn)象均與月球運行密切相關(guān)03月球表面無大氣層和液態(tài)水，遍布環(huán)形山與玄武巖平原（月海），晝夜溫差超過300°CSPACERACE·1957–1972美蘇探月競賽：人類首次踏上月球20世紀(jì)50-70年代美蘇探月競賽推動了人類月球探測的快速發(fā)展。蘇聯(lián)率先實現(xiàn)月面撞擊和月球背面拍攝，美國則憑借阿波羅11號在1969年完成人類首次載人登月，開啟了人類親身探索地外天體的新紀(jì)元。蘇聯(lián)USSR蘇聯(lián)率先突破1959年"月球2號"成為首個撞擊月面的人造物體，同年"月球3號"首次拍攝到月球背面照片。蘇聯(lián)在無人探月領(lǐng)域取得多項"第一"，但載人登月計劃因火箭技術(shù)瓶頸未能實現(xiàn)。美國USA美國載人登月1969年7月20日阿波羅11號成功登月，阿姆斯特朗與奧爾德林成為首批踏上月球的人類。阿波羅計劃共完成6次載人登月任務(wù)，帶回約382公斤月球巖石樣品，極大豐富了月球科學(xué)研究。阿波羅11號·1969年7月20日·人類首次載人登月LUNAREXPLORATION中國嫦娥工程：'繞落回'三步走中國嫦娥工程2004年立項，以'繞、落、回'三步走戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)：嫦娥一號實現(xiàn)繞月、嫦娥三號實現(xiàn)軟著陸、嫦娥五號成功取回月壤，其中嫦娥四號更實現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸的歷史性突破。嫦娥五號月球探測器·中國探月工程012007·嫦娥一號成功發(fā)射并繞月飛行，獲取全月球影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)中國探月'零的突破'022013·嫦娥三號攜'玉兔號'月球車成功軟著陸月球正面，中國成為第三個實現(xiàn)月面軟著陸的國家032019·嫦娥四號實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸，'玉兔二號'巡視探測揭示月背地質(zhì)結(jié)構(gòu)新發(fā)現(xiàn)042020·嫦娥五號成功采集1731克月壤樣品返回地球，圓滿完成'繞落回'三步走戰(zhàn)略目標(biāo)LunarScienceAchievements探月工程的科學(xué)成果探月工程產(chǎn)出了豐碩的科學(xué)成果：月巖分析支撐了月球起源的"大碰撞假說"，月背探測揭示深層月幔物質(zhì)組成，嫦娥五號月壤中發(fā)現(xiàn)新礦物"嫦娥石"，持續(xù)刷新人類對月球演化歷史的認(rèn)知。月球巖石樣品在實驗室中接受研究分析01阿波羅計劃帶回的382公斤月巖樣品分析揭示月球與地球化學(xué)組成相似，支撐月球起源"大碰撞假說"。382公斤02嫦娥四號在月球背面探測到深層月幔物質(zhì)成分，為研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不對稱演化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。月球背面03嫦娥五號月壤中發(fā)現(xiàn)新礦物"嫦娥石"，為人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，由中國科學(xué)家命名。第六種新礦物CHAPTER04火星探測從飛掠紅星球到天問一號著陸，追尋火星生命與宜居密碼MARS·行星科學(xué)火星——地球的近鄰與鏡像火星與地球在自轉(zhuǎn)周期、季節(jié)變化、極冠結(jié)構(gòu)等方面高度相似，遠(yuǎn)古時期曾存在液態(tài)水，是太陽系中與地球環(huán)境最接近的行星，因此成為研究行星宜居性和搜尋地外生命的首選目標(biāo)。火星極冠區(qū)域·軌道探測器拍攝的水冰極冠影像01火星自轉(zhuǎn)周期24小時37分與地球接近，自轉(zhuǎn)軸傾角約25°產(chǎn)生四季變化，自然節(jié)律與地球高度相似24h37m02火星兩極存在水冰與干冰組成的極冠，表面保留大量干涸河道和湖泊遺跡，證明遠(yuǎn)古曾有液態(tài)水流動水冰極冠03火星大氣稀薄且以CO?為主，表面溫度-60°C左右，環(huán)境雖嚴(yán)酷但在太陽系中仍最接近早期地球條件?60°CMarsExploration世界火星探測：60年的艱難征程自1960年蘇聯(lián)首開火星探測以來，人類60多年間共執(zhí)行約50次火星探測任務(wù)，但著陸成功率不到50%，火星因距離遙遠(yuǎn)和著陸環(huán)境復(fù)雜被稱為"探測器墳場"，每一次成功著陸都彌足珍貴。Origin開啟火星征程1960年10月蘇聯(lián)發(fā)射首批火星探測器，開啟人類探測火星的宏偉歷程。早期任務(wù)多以失敗告終，但為后續(xù)探索積累了寶貴經(jīng)驗1960SuccessRate著陸成功率不足半數(shù)截至2021年共執(zhí)行約50次探測任務(wù)，著陸器成功著陸不到20次，成功率低于50%，每一次成功都凝聚著無數(shù)工程師的心血<50%Challenge著陸減速是最大瓶頸火星距地球最遠(yuǎn)約4億公里、信號往返超20分鐘，大氣稀薄使著陸減速成為最大技術(shù)瓶頸，被稱為"恐怖七分鐘"4億kmChapter04·深空探測天問一號：中國首次火星探測2021年5月天問一號成功著陸火星，使中國成為世界第二個實現(xiàn)火星軟著陸的國家。天問一號一次性完成"繞落巡"三大任務(wù)在世界火星探測史上屬首次，祝融號火星車發(fā)現(xiàn)含水礦物，為火星生命探尋提供關(guān)鍵線索。祝融號火星車于火星烏托邦平原·中國航天官方影像012021年5月15日天問一號成功著陸火星烏托邦平原，中國成為世界第二個實現(xiàn)火星軟著陸的國家。世界第二02一次性完成"繞、落、巡"三大任務(wù)在世界火星探測史上屬首次創(chuàng)舉，展示了中國深空探測的綜合實力。首次繞落巡03祝融號火星車在著陸區(qū)沙丘表面發(fā)現(xiàn)含水礦物，獲取覆蓋火星全球影像數(shù)據(jù)，制作完成首幅火星全球影像圖。含水礦物MARSEXPLORATION火星探測的關(guān)鍵科學(xué)發(fā)現(xiàn)火星探測揭示了這顆紅色星球的豐富演化歷史：地表礦物和地下水冰證實火星曾有液態(tài)水環(huán)境，巖石中檢測到有機分子表明曾具備生命化學(xué)基礎(chǔ)，大氣演化研究則揭示了太陽風(fēng)剝離大氣使火星從宜居走向荒漠的過程。水冰證據(jù)多個探測器發(fā)現(xiàn)黏土礦物和硫酸鹽等地表礦物證據(jù)，火星地下還探測到大面積水冰儲層，確認(rèn)遠(yuǎn)古曾有液態(tài)水。液態(tài)水有機分子好奇號火星車在火星巖石中檢測到多種有機分子，說明火星曾經(jīng)具備生命存在所需的化學(xué)基礎(chǔ)條件。化學(xué)基礎(chǔ)大氣演化大氣研究揭示火星遠(yuǎn)古大氣比現(xiàn)在濃密得多，太陽風(fēng)數(shù)十億年持續(xù)剝離是火星從溫暖濕潤走向荒漠的主因。太陽風(fēng)CHAPTER05空間站建設(shè)從禮炮1號到天宮空間站，人類常駐太空的探索之路OBSERVINGSPACE空間站：人類的太空實驗室空間站是可供航天員長期駐留的大型載人航天器，利用微重力、高真空、強輻射等太空獨特環(huán)境開展前沿科學(xué)實驗，同時推動通信、材料、生命保障等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。國際空間站（ISS）在軌運行實拍·NASA空間站可供航天員長期居住與工作，配備生命保障系統(tǒng)、實驗艙段和對接設(shè)施，是在軌運行的最大人造天體最大人造天體利用微重力環(huán)境開展蛋白質(zhì)結(jié)晶、流體物理、太空育種等實驗，產(chǎn)出大量地面無法獲得的科研成果微重力實驗空間站建設(shè)帶動通信、材料、再生生命保障等領(lǐng)域技術(shù)突破，相關(guān)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和日常生活產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化SPACESTATIONEVOLUTION世界空間站發(fā)展歷程從1971年蘇聯(lián)禮炮1號開創(chuàng)空間站時代，到和平號15年長期運營積累經(jīng)驗，再到16國合作的國際空間站成為最大在軌平臺，人類空間站建設(shè)經(jīng)歷了三代演進(jìn)，國際空間站預(yù)計2030年前后退役。和平號空間站·1986—2001年在軌運行·航天任務(wù)實拍影像1971禮炮1號·開創(chuàng)時代蘇聯(lián)發(fā)射世界首個空間站，在軌運行175天，開創(chuàng)人類常駐太空的先河1986和平號·長期運營在軌運行15年，接待12國135名航天員，積累豐富的長期運營經(jīng)驗2010國際空間站·多國合作16國聯(lián)合建造，重達(dá)420噸為迄今最大在軌平臺，嚴(yán)重老化預(yù)計2030年前后退役中國航天中國天宮空間站：第四座太空家園2022年底全面建成的中國天宮空間站是人類第四座大型在軌空間實驗平臺，采用T字三艙構(gòu)型設(shè)計，標(biāo)志著中國掌握了大型空間設(shè)施建造與長期運營關(guān)鍵技術(shù)。T字三艙構(gòu)型—2022年底全面建成，采用天和核心艙+問天實驗艙+夢天實驗艙的T字構(gòu)型，是人類第四座大型在軌空間平臺多學(xué)科實驗?zāi)芰Α诵呐撎峁┖教靻T長期生活與操控功能，兩個實驗艙配備大量科學(xué)實驗機柜，覆蓋微重力、空間生命等多學(xué)科研究自主建造與國際合作—標(biāo)志著中國掌握空間設(shè)施自主建造與長期運營能力，可綜合開發(fā)利用太空資源，向國際科學(xué)界開放合作中國天宮空間站·T字三艙構(gòu)型在軌運行CHAPTER06太空探索的意義與展望從科學(xué)認(rèn)知到文明躍遷，思考太空探索的深遠(yuǎn)價值與未來方向太空探索的意義科學(xué)認(rèn)知與技術(shù)轉(zhuǎn)化的雙重價值太空探索在科學(xué)認(rèn)知層面幫助人類解答宇宙起源與生命演化等根本問題，在技術(shù)轉(zhuǎn)化層面則將航天技術(shù)成果廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、氣象、醫(yī)療、通信等日常生活領(lǐng)域，產(chǎn)生了遠(yuǎn)超投入的社會經(jīng)濟(jì)價值。COGNITION科學(xué)認(rèn)知價值探索宇宙起源與演化，研究恒星生命周期和行星形成機制，逐步揭示宇宙138億年的演化歷史，深化人類對時空本質(zhì)的理解通過對火星等天體的研究尋找地外生命線索，