指尖上的宇宙Part3P78南京大学天文与空间科学学院.PDF

指尖上的宇宙 Part 3, P71-85 151099122 唐星怡 商学院 用1000 立方厘米的立方体和10 个1 立方厘米的立方体做演示，告诉学生1 升等于1000 立方厘米。大量恒星的体积的数值，在用单位“升”来表示时是用“立方厘米”来表示时的 千分之一。你会发现这个数值仍然太大以至于无法感受它的意义。我们需要一个更大的体积 单位。 用 1 立方米和 1 升的立方体来做演示，告诉学生 1 立方米包含 1000 升，或1,000,000 立方厘米。因此，你的学生需要把他们个人得到的结果，或者班级平均结果除以 1,000,000 来得到立方米单位下恒星的体积。尽管结果完全取决于使用的沙粒的大小，你的学生将大体 上发现，我们星系中的所有恒星可以被一堆大约500 立方米体积的沙子来表示——每一粒沙 子足以填满一个大的教室。 明白了这个事实，让你的学生计量教室的尺寸，并且计算教室的体积有多少平方米。 结语 在花费一些时间来理解这些视觉图像后，提醒你的学生恒星的真实大小（大多数恒星比 如说太阳拥有大约一百万千米的赤道直径）再者，在银河系中，恒星相距几万亿千米。有了 这些信息，你的学生也许终于开始对星系的巨大有了一些概念。 延伸 讨论银河系中恒星数量与整个太空中恒星数量的关系。让你的学生思考这样一个事实： 太空中的星系大约与银河系中的恒星数目一样多。让他们基于“每个星系拥有相同数目恒星” 的假设之上，计算整个宇宙中恒星的大约数量。 你也许想每天进行下面的一个拓展，也许从每天开始，鼓励学生进一步思考，并促进长 期记忆。 让你的学生改变估计恒星的比例尺，使得大一些的物体，比如一颗棒球能代表一颗恒星， 让他们计算2000 亿颗棒球的体积。计算可以这样进行：估计一颗沙粒和一个棒球的体积； 用后者除以前者，结果乘以2000 亿沙粒的体积，得到的结果是2000 亿棒球的体积。 让你的学生计算能够表示宇宙中所有恒星所需的沙子体积。不要让学生使用立方米，提 出一个更原始，更有意义的体积单位，比如一个圆拱顶的体育场，让他们用来表示体积。 在这个活动中，一颗恒星被想象缩小成一颗沙砾，这些沙粒被堆起来，不考虑恒星之间 真实的空隙。向学生指出并且强调这堆并不表示星系本身的大小，星系本身远大于此。要求 学生们想象我们的星系被放置在一个压缩机器中，它压缩了一切——包括恒星和星际间距离 ——并且继续压缩星系直到恒星的平均大小再次是一颗沙粒的大小。让全班预测星系压缩后 的体积，然后一起计算。 背景 不同星系在大小和结构上都有所不同，但我们的银河系是典型的螺旋形，并且拥有典型 数量的恒星，大约 2 ×10^11。以同样的方式，几乎所有恒星都会组合成星系，大多数星系 组合成星系团，星系团又常常组合成超星系团。宇宙中包含超过 10^11 星系，大部分包括 10^11 恒星（有关星系的信息来源详见附录）。 气球般膨胀的宇宙 （H4） ·这个活动是什么？ 宇宙有中心吗？天文学家所说的宇宙在膨胀意味着什么？天文学家如何测量这种膨胀？ 这些问题是宇宙学的核心，它们总是以一种缺少实际动手探索的机会的方式被陈述给学生。 这个简单的活动帮助学生“感受”宇宙膨胀，并且对膨胀中的、无限的宇宙产生自己的个人 理解。纵观全程，这个活动以科学测量和数据分析的过程为模型，它为接下来有关哈勃定律 的活动奠定了基础。 ·学生们要做什么？ 学生们两两合作，给气球做上标记来表示星系，测量并记录标记间的距离，然后给气球 充气。气球膨胀过程中的反复测量演示了星系的远离，宇宙如何膨胀。学生向全班汇报他们 的结果并且讨论模型存在的问题。 ·注意点和建议 尽管膨胀的气球这一类比很适合来演示星系如何远离彼此，它可能引导学生错误地认为： 气球上墨迹点的延展，意味着星系本身也在膨胀。必须强调，是空间本身在膨胀，而不是星 系或者星系中包含的物质。宇宙的膨胀似乎并没有使银河变大，也没有使我们的太阳系变大。 ·学生们将会学到什么？ 概念：宇宙膨胀 调查技巧：探索、观察、测量、推理 理念：尺度、模型、变化规律 许多学生难以理解：宇宙可以向各个方向无限延展，并且持续膨胀。他们通过 “宇宙的 二维曲线”气球模型来争取理解这个概念。 课前准备： 材料：气球（1/每对学生） 记号笔（1/每对学生） 卷