中学综合学科题库——宇宙
第一节  宇宙起源
在茫茫宇宙中，我们人类居住的星球叫地球。地球是太阳系中9个行星之一。太阳位于太阳系中心，半径为70万千米，表面温度达到6000度，是由其中心发生激烈的核聚变而产生的，这也是我们赖以生存的光、热源。太阳目前年龄约50亿年，寿命大约100一光年等于多少年亿年，正处在中年时期。它周围的9个行星依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。地球与太阳间的平均距离约1.5亿千米，光从太阳到地球约需8分钟。
太阳是银河系中的2000颗恒星之一。银河系形状如同一个中央突起、四周扁平的旋转大铁饼，大约2.5亿年旋转一周。其发光部分直径约7万光年，最大厚度达1万光年。银河系的大家族中，除2000亿颗恒星外，还有气体及尘埃组成的叫作星云的团块。
在银河系之外，还有类似银河系的上10亿个巨大的星系。夏夜晴空之时，人的肉眼可见的最远天体-仙女座星系，就是其中之一，它距银河225万光年。星系在宇宙中的分布是不均匀的，有的成双，有的成，大的星系团甚至包括成百上千个星系。用功能最强大的射电望远镜，可以观测到150亿～200亿光年距离的遥远星系。这就是我们的宇宙。
宇宙是永恒存在还是不断演化的？有没有起源和终结？这是自古至今，人们一直感兴趣的问题。其实，在人类历史上,各种文明都曾有过自己的宇宙观。
在当代，占主导地位的看法是：我们的宇宙诞生于150亿～200亿年前的一次大爆炸，爆炸之后，物质的各种成份组合、演化，逐步形成星系团，这就是所谓的“大爆炸宇宙论”。
这种奇妙的观点是怎样提出的呢？1929年，著名的天文学家哈勃研究一些星系的光谱时，发
现大多数天体的光谱都出现红移现象。根据光学知识，这意味着被观测的星体远离我们而去。进一步研究证明，星体离我们越远，飞离的速度越快，距离每增100万光年，飞离的速度增加每秒15千米。这一关系称为哈勃定律。据此的明显推论是：宇宙中的星体在彼此远离,宇宙正在膨胀之中。
如果说星系目前在彼此远离，那么同样会有另一个推论：在过去的某一时刻，各星系应是彼此聚集在一起的。用哈勃定律不难算出：那个最密集的起点时刻大约在距今150亿～200亿年之间。
1964年，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊用卫生星探测天线，发现宇宙到处都弥漫着微波波段的电磁辐射，与温度在3K的物体发出的电磁波长一样。这一发现给宇宙大爆炸学说以巨大支持，因此打开了研究宇宙整体物理演化过程的大门，是研究爆炸后1秒内宇宙状态的天文学家与研究高能世界的粒子物理学家实现了成功的联手会合。当然，由于这一领域的研究挑战性极强，难度极大，许多结果还处于理论预测或假设阶段，所有的结果都待于进一步研究发展。
第二节  浩瀚星空
人类已经熟知他们的故乡地球周围的空间区域。地球大致是一个球体，略微有些扁。地球的自转周期为1天，此外，地球还同太阳系其它行星一起绕太阳公转。公转的轨道是一个椭圆，平均半径约为1.5亿千米，公转的平均速度为30千米/秒。地球的质量约为6×1021吨。
即便如地球这样的庞然大物，也只是太阳系家族中普通的一名成员。太阳系以太阳为核心。其实，太阳只是一颗能发光的气体球，直径约为140万千米。太阳的质量是太阳系所有行星质量总和的140倍。正因为太有如此巨大的质量，它才具有强大的吸引力，并藉此牢牢地控制着在其引力范围内的所有行星和小天体的各种运动，凝聚着整个太阳系。
从距离太阳最近的行星算起，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。除水星和金星外，其它行星都有卫星，比如月亮就是地球的卫星。此外，在火星和木星轨道之间还有许多小行星。几乎所有的行星都在大致同一平面上绕太阳公转。除了行星、小行星和行星的卫星之外，太阳系中还有大量的彗星、流星体。地球与太阳的平均距离为1.5亿千米，在天文学上通常把这个距离称为1个天文单位。如果把非常遥远的彗星云也划入太阳系，则可以把太阳系的领域扩展到十几万个天文单位。
尽管如此，太阳系相对于宇宙依然是微不足道的。当人们把目光穿过太阳系而投向宇宙时，比较恰当的做法是根据光线通过的距离需要多长时间来度量。光每秒行进约30万千米，一年内所行进的距离为9.46×1012千米，即称为1光年，以此来作为描述宇宙空间的单位。
大量的恒星聚集在一起，构成了人类最为熟知的星系即银河系。中间厚，两边薄，直径约为10万光年，其中包含了数千亿颗星球。像太阳这样的恒星，银河系里差不多有2000亿颗。
银河系并未包括所有的恒星，在银河系外，像银河系这样规模的一个最近的大星系是仙女座星系，距离地球220光年。这是地球人类不需借助望远镜、肉眼所能看到的最远的星系。依此推算，目前从仙女座星系中抵达地球的光是在220万年前发射出来的，所描绘的完全是过去那个时间的情景。显然，天文学家向太空探测得越遥远，所获取的信息就越过时。天文学家发现，如果以银河系为中心，在方圆300万光年之内，就有约40个与银河系一样的星系，这些星系构成了本星系。
迄今为止，天文学家已经能够看到距离地球119亿光年的星系，而这个距离显然还不是宇宙的边缘。
【练习】
关于星座和星系，以下说法正确的是     
A  星座和星系是描写相互靠近的若干个天体的，名称不同，本质相同
B  星座和星系本质不同，但是它们都是由发光的恒星组成
C  星系是互相靠近的星球，由牛顿万有引力作用而互相环绕的天体
D  星座是以地球为参照系观察到的相立靠近的天体，实际上这些天体之间距离可能很远
【参考答案】
C、D
星座和星系虽然都是由宇宙中的星球组成的，但是它们属于不同的概念，这里不仅有天文学的问题，而且有物理学的问题。星座是由人们在地球上观察天体时，为了辨认的方便，凭着人们的想象力，把天上的恒星用想象中的线条连接起来，构成不同的图形，赋予它们名字，构成星座的天体，实际上并没有力学上的联系，它们可能相距很远，当然它们都是恒星。而星系则是由于相互之间有万有引力而联系起来的，它们是真正的互相关联的系统。组成星系
的有恒星，也有不发光的行星和卫星。
第三节  神奇的黑洞
著名美籍印度天体物理学家钱德拉塞卡指出，质量大的恒星，在其后期也会不断收缩，直到半径只剩下几公里。这就是后来被称之为“黑洞”的星体。钱德拉塞卡的精确预言使他荣获了1983年诺贝尔物理学奖。
黑洞是巨大恒星在其后期内爆、坍缩而形成的一种天体。在黑洞中。物质被极度压缩，由于它的密度极大，于是其周围形成了巨大的重力场；凡是被吸物质都无法逃遁，它简直就是一个无底洞。即使光也难从黑洞中逸出，所以，那里没有光线射出，“黑洞”由此得名。
黑洞的引力非常大，即使是速度达到极限30万千米/秒的光也逃离不出它的引力。黑洞是一种神奇的天体。黑洞周围的空间和时间与我们地球周围的空间和时间完全不同。黑洞周围的空间是弯曲的，于是，发出光线转个弯又回到黑洞，黑洞周围的时钟走得也比通常地球上的钟要慢。地球钟走2秒、4秒，而黑洞钟才走1秒，越接近黑洞钟走得越慢。到了黑洞，钟无限慢，以至我们无限地等待也见不到有东西从黑洞中跑出来。
既然黑洞看不见、天文学家又怎么能发现它的存在呢？原来，黑洞都存在一个视界面，视界内所有信息传播不出，但视界外，由于黑洞巨大引力作用，可把周围天体吸向它们，天体在被吸进的过程中速度明显加快，这好比平静的河面上水流平稳，一旦某处出现了旋涡，其四周的水流被吸进，速度明显加快的道理完全相同。天文学家观察发现，银河系核心周围的区域中，恒星运行的速度明显加速，表明它们被拉向某种引力巨大的地方，那就是银河系中心的黑洞。此外，许多河外星系核都可能是一个巨大的黑洞。
黑洞发不出光线，但它却可以辐射Ｘ射线。Ｘ射线就是人们胸透时所用身线、人眼看不到，但用仪器可以探测出来。有些人造卫星升天都携带探测Ｘ射线的设备，其中一个任务就是寻黑洞的Ｘ射线源。至今已发现了有许多这种Ｘ射线源，其中最有可能成为黑洞的，是在牛郎星和织女星之间，称为天鹅座的一个射线源。
黑洞有许多神奇的特征。有关黑洞的研究和探索在不断发展之中。科学家设想将黑洞当作“重力井”来进行发电，将落到黑洞中的物质的巨大的位能转换成热能或光，再转换成电力。其原理和水力发电或太阳能电池相同。具体说，使气体物质朝向黑洞落下，形成能在黑洞周围旋转的增积圆盘，于是圆盘内的气体与周围的气体强烈摩擦加热而使温度升高，开始放射出强
光，来自黑洞增积圆盘的热辐射，使其周围能像太阳能电池板一样转变为电力。到黑洞中建造发电站就好比在天然河川中建造水坝一样。黑洞发电站一旦建成，可使用数百万年之久。
【练习】
天文学家根据天文观察宣布了下列研究成果：银河系中可能存在一个大“黑洞”，距“黑洞”60亿千米的星体以2000km/s的速度绕其旋转：接近“黑洞”的所有物质即使速度等于光速也逃脱不了其引力作用，试计算“黑洞”的最大半径。
【参考答案】
r＝2.7×108m
    本题中的“黑洞”概念在中学教材中未出现过，是一个新情景，根据题意，星体能绕其旋转，它绕“黑洞”作圆周运动的向心力，显然是万有引力提供，据万有引力定律，可知“黑洞”是一个有质量的天体。设黑洞和转动星体的质量分别为 M和 m，两者距离为R，利用万有引力定律和向心力公式列式：GMm/R2＝mV2/R，题中还告诉一个信息：即使是等于光速的物体
也逃脱不出“黑洞”引力范围，据此信息，可以设想速度等于光速的物体恰好未被“黑洞”吸入，可类比近地卫星绕地球作圆周运动，设“黑洞”半径为r，用类比方法得到GM＝c2 r（c为光速）。
第四节  流星雨
在天文学中，沿着同一轨道绕太阳运行的大流星体称为流星。流星与地球相遇时人们会看到天空某一区域在一定时间范围内流星数目显著增多，大大超过通常偶然出现的流星数，就像下雨一样，这种现象称为流星雨。在发生流星雨时，可高达每小时十几条到几十条，但在发生流星暴雨时，可高达每小时 几千条乃至几万条。
流星雨主要是由慧星引起的。当某彗星绕太阳运行经过其轨道近日点（距太阳最近点）附近时，受太阳热辐射作用，慧星温度升高后喷发出的大量碎块随着慧星的运行而在其轨道上形成碎块密集区，当地球穿过该区域时受地球引力作用，大量碎块高速进人大气层并发生激烈摩擦，温度急剧升高而使碎块烧毁并发出明亮光线。当流星的辐射点（所有流星运动轨迹反向延长线的交汇点）处于某星座天区时就称为某星座流星雨，如狮子座流星雨、英仙座流星雨、猎户座流星雨等。
我国古籍中对流星雨有很多记载。《竹书纪年统笺》中关于“帝癸十五年，夜中星殒如雨”的记载说的是公元前16世纪商朝出现的一次流星雨，这也是世界上最早的关于流星雨的记录资料。《春秋》记载了鲁庄公7年（公元前687年）的一次流星雨：“夏四月，辛卯，夜，恒星不见，星殒如雨。”这是关于天琴座流星雨的最早记录。《宋书》记载有发生在南北朝刘宋元嘉二十年二月乙末（公元433年4月9日）夜晚的一次流星雨：“有流星大如桃，出天津，入紫宫。须臾有细流星或五或三相续，又有一大流星从紫宫出，人北斗魁。须臾又有一大流星出，贯索中，经天市垣，诸流星并北行，至晓不可称数。”这是关于宝瓶座η流星雨的观测记录。