《物理上册光学和探索天体课件教材》

物理上册光学和探索天体课件教材这套初中物理教学课件专为第一学期光学与天文学基础教育设计本教材涵盖光学原理和天体探索两大核心内容，旨在通过系统的知识结构帮助学生建立物理学科的基本概念课程以实验与观察为基础，引导学生亲身体验科学探究过程，培养科学思维能力通过丰富的实例和互动演示，学生将能够将抽象的物理概念与日常生活现象建立联系，真正理解物理学的实用价值和美妙之处课程目标与学习成果掌握光的基本性质学习光的传播规律，理解反射、折射等基本现象，建立光学基础知识体系理解光学应用掌握各类光学仪器的工作原理，了解光学技术在日常生活和现代科技中的广泛应用天体知识体系建立太阳系和宇宙基本结构的认知，学习天文观测的基本方法和技巧科学探究能力通过实验和观察活动，培养科学思维方式和实验操作技能，提升解决问题的能力第一部分光学基础光学仪器及应用将基础知识应用于各类仪器透镜与成像原理理解不同透镜的成像规律光的反射与折射掌握光在不同介质中的行为光的本质与传播了解光波的基本特性光学是物理学的重要分支，研究光的性质、传播规律及其与物质的相互作用本部分将从光的基本概念出发，逐步探索光的反射、折射等现象，并学习透镜成像原理及其在光学仪器中的应用，为理解现代光学技术奠定基础光的本质与传播光的本质直线传播原理光源分类光是一种电磁波，其波长范围约为在均匀介质中，光沿直线传播这一光源可分为自然光源和人造光源自纳米，对应人眼可见的不特性是形成影子、光线和针孔成像等然光源包括太阳、恒星和生物发光体380-760同颜色光波不需要介质即可传播，现象的基础光的直线传播也解释了等；人造光源包括各种灯具、激光器在真空中传播速度为为什么我们能看到物体的确切位置等不同光源发出的光谱特性各异299,792,458米秒，通常简记为×米秒/310^8/光的直线传播实验三孔成线实验使用带有三个小孔的纸板和光源，当三孔成一直线时，透过第一个孔可以看到光源；移动中间的孔，则光被挡住，证明光沿直线传播影子形成演示使用点光源照射不透明物体，观察形成的影子形状和大小通过改变光源位置和物体距离，观察影子变化，理解光直线传播特性日食月食解释基于光的直线传播，当地球、月球和太阳在一条直线上时，会发生日食或月食现象日食是月球挡住太阳光线，月食是地球挡住太阳光线针孔成像原理通过小孔，光线直线传播形成倒立的实像针孔越小，成像越清晰，但亮度降低；针孔过大，则成像模糊针孔相机正是基于此原理工作光的反射现象光反射定律反射类型生活中的反射光的反射遵循两个基本规律根据反射表面的性质，光的反射可分为光的反射在日常生活中无处不在两种类型入射光线、反射光线和法线在同一平镜子和反光材料利用镜面反射原理••面内镜面反射发生在光滑表面，反射光•阅读书籍依赖纸张的漫反射•线沿特定方向入射角等于反射角•湖面的倒影是水面反射的结果•漫反射发生在粗糙表面，光线向各•这些规律适用于各种反射表面和任何入个方向反射射角度的情况正是因为漫反射，我们才能看到大多数非发光物体平面镜成像规律1虚像平面镜成的像是虚像，光线看似从镜后射出，但实际上不能在镜后成像这就是为什么我们无法在镜子后放置屏幕接收到像2等大等距平面镜成的像与物体大小相同，且像距等于物距物体距离镜面多远，像就在镜后等距离处形成，这是平面镜成像的重要特点3左右相反平面镜成像会导致左右互换，这就是为什么当我们照镜子时，举右手会看到镜中人举左手从数学上讲，这是一种空间的奇偶变换4多面镜成像当两面镜子成一定角度放置时，会形成多个像镜子之间的角度越小，像的数量越多当角度为°，则成像数为，这是万花筒的基本原理360/n n-1反射定律实验数据分析与结论实验步骤与测量将所有测量结果整理成表格，分析入射角实验装置准备从不同角度发射激光束照射平面镜，标记与反射角的关系通过对比不同组数据，需要准备平面镜、光源（激光笔）、白纸、入射光线和反射光线路径使用量角器测验证入射角等于反射角的规律讨论实验量角器、直尺等工具在白纸上画出坐标量入射角和反射角，记录多组数据确保中可能的误差来源及改进方法系并固定平面镜，确保镜面垂直于纸面并测量时视线垂直于纸面，减少读数误差通过坐标原点生活中的镜面应用汽车后视镜潜望镜原理反光安全材料汽车侧视镜通常采用凸面镜设计，可提供潜望镜利用两面成°角的平面镜，使光安全服装、交通标志和自行车反光片等使45更宽的视野范围，但会使物体看起来比实线转向°，从而使潜艇在水下也能观察用微棱镜结构的反光材料，能将入射光反90际更小更远内后视镜则通常使用平面镜，水面情况这一原理也被应用于许多玩具射回光源方向这种逆反射特性使夜间行并配有防眩光功能，可通过切换角度减少和观察工具中，让我们能够看到正常视线人或车辆在车灯照射下更加醒目，大大提夜间行车时后方车辆大灯的眩光影响无法直接看到的区域高了夜间的安全性光的折射现象折射原理斯涅尔定律当光从一种介质斜射入另一种介质时，折射遵循斯涅尔定律₁₁n sinθ=传播方向会发生偏折，这种现象称为折₂₂，其中为介质的折射率，n sinθnθ射折射是由于光在不同介质中传播速为光线与法线的夹角这个定律精确描度不同导致的述了折射角与入射角的关系折射率概念全反射现象折射率是光在真空中的速度与在该介质当光从光密介质射向光疏介质，且入射中速度的比值，表示介质对光的减速程角大于临界角时，光线不再发生折射，度不同物质的折射率不同，如空气约而是全部反射回原介质，这种现象称为为，水约为，玻璃约为

1.

00031.33全反射光纤通信就利用了这一原理

1.5折射现象实验折射现象实验是理解光学原理的重要部分通过激光束在空气与水之间传播的观察，学生可以直观地看到光路偏折测量不同入射角对应的折射角，可以验证斯涅尔定律视深实验则展示了由于折射导致的视觉误差，解释了为什么水中物体看起来比实际位置更浅生活中的折射现象水中折断的筷子当筷子一部分浸入水中时，看起来像是在水面处折断了这是因为从水中射出的光线在进入空气时发生折射，导致我们看到的水下部分位置与实际位置不同海市蜃楼现象在沙漠或高温公路上，有时会看到水或远处景物的倒影这是由于地面附近空气温度梯度导致的光线弯曲，是连续折射的结果，而非真正的水面反射光纤通信技术光纤利用全反射原理传输信息当入射角大于临界角时，光在纤芯与包层界面发生全反射，使光信号能够沿纤维传播很长距离而几乎不损失能量宝石闪光效应钻石等宝石因具有高折射率和特殊切割角度，能使入射光发生多次内部全反射，最终从表面不同位置射出，产生灿烂的光彩和闪烁效果透镜的基本类型凸透镜（会聚透镜）凹透镜（发散透镜）透镜的关键参数凸透镜的中间部分比边缘厚，能将平行凹透镜的中间部分比边缘薄，能使平行理解透镜性质需掌握以下概念光线会聚到一点根据形状又可分为双光线发散按形状可分为双凹透镜、平光心透镜中心点，光线通过不偏折•凸透镜、平凸透镜和凹凸透镜（凸面曲凹透镜和凸凹透镜（凹面曲率大于凸率大于凹面）主要特点是面）主要特点是焦点平行于主光轴的光线会聚或发•具有正焦距，焦点在透镜两侧具有负焦距，焦点在透镜同一侧••散的点平行光束通过后会聚于一点平行光束通过后向外发散••焦距焦点到光心的距离•常用于放大镜、照相机等常用于近视眼镜、望远镜目镜等••主光轴通过光心垂直于透镜的直线•凸透镜成像规律物距与焦距的关系像的性质像与物的大小关系u f实像、倒立缩小u2f实像、倒立等大u=2f实像、倒立放大2fuf无法成像u=f-虚像、正立放大uf凸透镜成像遵循基本公式，其中为物距，为像距，为1/u+1/v=1/f uv f焦距放大率，物体在不同位置时成像特点各异对于实像，m=v/u=h/h可以用屏幕接收；对于虚像，只能用眼睛观察，不能用屏幕接收凸透镜成像实验实验准备准备凸透镜、光源（蜡烛或光箱）、光屏、测量尺测量焦距利用太阳光或远处物体，找到清晰成像点测定焦距成像规律验证改变物距，记录像距和像的大小、性质，验证成像公式数据分析计算值与比较，绘制关系图表1/u+1/v1/f u-v通过凸透镜成像实验，学生能直观理解物距与像距的关系实验中需注意保持光源、透镜和光屏在同一高度，并确保它们都与光学台垂直为减少误差，每组数据应重复测量多次取平均值凹透镜的特性与应用负值焦距特性凹透镜的焦距为负值，表示虚焦点位于透镜同侧发散光线作用将平行光线向四周发散，不能会聚光线到一点虚像成像特点只能形成正立、缩小的虚像，物体在任何位置均如此广泛应用领域用于近视眼镜、望远镜目镜和减小像差的组合系统凹透镜成像可用公式描述，但需注意为负值在光学系统中，凹透镜常与凸透镜组合使用，如在照相机、显微镜和望远1/u+1/v=1/f f镜中，用于校正像差、调整焦距范围或改变光束大小近视眼镜正是利用凹透镜的发散特性，使成像位置从视网膜前移到视网膜上常见光学仪器原理放大镜显微镜望远镜利用凸透镜在物距小于焦由物镜和目镜组成的复杂用于观察远距离物体，包距时形成正立放大的虚像光学系统物镜将样品放括折射式（使用透镜）和放大倍数与焦距成反比，大形成实像，目镜进一步反射式（使用反射镜）两焦距越短，放大倍数越大放大这个实像总放大倍种物镜收集光线形成实典型放大倍数为倍，数是物镜和目镜放大倍数像，目镜放大这一像天2-20主要用于观察小物体细节的乘积，可达几百至上千文望远镜倒像通常不予校倍正，因观测天体不需正立像照相机利用凸透镜（镜头）将景物成倒立缩小的实像投射到感光元件（传感器或胶片）上通过调节镜头与感光元件距离（对焦）和控制进光量（光圈和快门）实现清晰成像眼睛的光学结构角膜瞳孔与虹膜透明的外层组织，是眼睛最主要的折射虹膜控制瞳孔大小，调节进入眼内的光结构，提供约的折射能力角膜病量强光下瞳孔缩小，弱光下扩大，类2/3变会严重影响视力似相机光圈视网膜晶状体眼球内壁的感光层，相当于照相机中的双凸透镜结构，通过睫状肌控制可改变传感器，含视杆细胞（感知亮度）和视曲率，调整焦距实现对不同距离物体的锥细胞（感知颜色）清晰成像眼睛是一个精密的光学系统，类似于一台自动对焦相机光线通过角膜和晶状体折射，在视网膜上形成倒立的实像大脑会将这一倒立像在感知过程中翻转，使我们正常看到物体眼睛的调节能力随年龄增长而减弱，是老花眼形成的主要原因近视与远视的矫正近视眼的成因凹透镜矫正近视远视眼的成因凸透镜矫正远视近视眼（短视）是由于眼球近视眼使用凹透镜（负透镜）远视眼（远视）是由于眼球远视眼使用凸透镜（正透镜）前后轴过长或角膜曲率过大，矫正视力凹透镜将入射的前后轴过短或角膜曲率过小，矫正视力凸透镜增强光线使平行光线聚焦在视网膜前平行光线先发散，使成像点使平行光线的焦点落在视网会聚能力，使焦点前移至视方，导致远处物体成像模糊后移至视网膜上，从而看清膜后方，导致近处物体成像网膜上，从而看清近处物体远处物体不清近视者能清楚看到近处物体，近视度数越高，需要的凹透远视者看远处较清晰，但看老花眼是由于年龄增长晶状但远处物体模糊随着用眼镜焦距越短（度数越大）近处物体费力，常伴有视疲体弹性减弱导致的调节能力习惯和遗传因素影响，近视现代近视矫正还包括角膜塑劳和头痛严重远视连远处下降，其矫正原理与远视相可能逐渐加深形镜和激光手术等方法物体也会模糊似，也使用凸透镜光的色散现象白光的组成白光是由不同颜色（波长）的光混合而成，包括红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色不同波长的光在介质中传播速度不同，折射率也不同棱镜色散当白光通过棱镜时，不同波长的光折射角度不同，短波长（紫色）折射较多，长波长（红色）折射较少，从而使白光分解为彩色光谱彩虹形成彩虹是自然界中最壮观的色散现象当阳光照射到空中的水滴时，光线在水滴中发生折射、反射和再次折射，通过色散形成七彩光谱，呈弧形出现在天空光谱分析应用利用色散现象可以进行光谱分析，研究物质的组成和特性每种元素在特定条件下发射或吸收特定波长的光，形成独特的指纹，用于天文观测和材料分析光的干涉与衍射光的干涉和衍射是展示光波动性的重要现象干涉发生在两束相干光相遇时，根据相位差形成明暗相间的干涉条纹经典的杨氏双缝实验证明了光的波动性，两束通过窄缝的光在屏幕上形成明暗相间的条纹薄膜干涉是日常中常见的干涉现象，如肥皂泡表面的彩色光泽是由于光在薄膜两表面反射后发生干涉衍射是光绕过障碍物边缘或通过狭缝时偏离直线传播的现象，展示了光的波动本质，说明光不完全遵循几何光学规律光的偏振现象自然光与偏振光自然光中的电场振动方向是随机的，在垂直于传播方向的所有平面内振动而偏振光的电场振动被限制在特定平面内，具有确定的振动方向偏振光可通过偏振片、反射或散射等方式获得偏振片原理偏振片是一种特殊材料，只允许与其偏振轴平行的光振动分量通过当自然光通过偏振片时，输出的是偏振光两片偏振片交叉放置（偏振轴互相垂直）时，光无法通过，形成光闸效应马吕斯定律当偏振光通过偏振片时，透射光强度与入射光强度的关系遵循马吕斯定律₀，其中是入射I=I cos²θθ偏振光振动方向与偏振片偏振轴之间的夹角这解释了为何旋转偏振片时光强变化偏振应用偏振技术广泛应用于现代生活偏光太阳镜可减少反射眩光；电影利用不同偏振方向分离左右眼图像；3D液晶显示器使用偏振控制像素亮度；应力分析利用材料在应力下产生的光学各向异性实用光学仪器实践1自制简易望远镜使用两个凸透镜（一个焦距较长作物镜，一个焦距较短作目镜）和纸筒制作简易望远镜调整两透镜间距至能清晰观察远处物体这种简易望远镜可达到倍放大效果2-3针孔照相机制作使用纸盒、黑纸、锡箔和针制作针孔相机在盒子一端中央制作小针孔，另一端用磨砂纸作为成像屏针孔大小影响图像清晰度，可尝试不同大小观察效果差异简易光谱仪制作使用纸板筒、碟片（作为衍射光栅）和狭缝制作简易光谱仪通过狭缝观察各种DVD光源的光谱，比较白炽灯、荧光灯和灯的光谱差异LED4手机显微放大装置利用手机相机和水滴（作为简易透镜）或从激光笔中取出的小透镜，制作简易显微设备可以观察植物叶片、昆虫翅膀等微小结构，放大倍数可达倍10-20光学技术的现代应用激光技术激光产生原理基于受激辐射，具有良好的单色性、相干性和方向性现代应用包括精密测量、激光切割与焊接、光纤通信、激光手术、全息图、条形码扫描等领域军事领域用于激光制导和高能激光武器系统全息成像全息技术利用激光的相干性记录物体的三维信息，包括光强和相位重建时可产生真正的三维图像，观察者从不同角度看到物体不同面应用于安全防伪、艺术展示、医学成像和数据存储等领域光纤通信利用全反射原理，光信号在光纤中传输几乎不损失现代光纤通信系统是全球互联网的基础，具有传输容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点单根光纤可同时传输数万个电话通话和高速互联网数据第二部分探索天体航天技术与探索人类走出地球，探索宇宙奥秘天体观测方法2认识和使用天文观测工具太阳系的组成了解行星及其他天体特征宇宙的基本结构从微观到宏观认识宇宙层次探索天体是人类永恒的追求，从古至今，我们对星空的好奇从未停止本部分将带领学生系统认识宇宙的基本结构，详细了解太阳系中各天体的特点，掌握基本的天文观测方法，并了解现代航天技术的发展与应用通过学习，学生将建立基本的天文学知识体系，培养科学的宇宙观，感受科学探索的魅力与人类智慧的伟大古代天文学1天文观测成就中国古代天文学有着悠久历史，早在商周时期就有系统的天象记录汉代张衡发明浑天仪；南北朝时期祖冲之测定回归年长度为天，精确度令人惊叹；宋代设立

365.2428司天监，对恒星位置进行精确测量2农业指导作用古人通过观察天象变化指导农业生产，形成二十四节气系统，精确预测季节更替和气候变化《夏小正》等农事历书记载了星象与农事的关系，帮助农民确定播种、收获的最佳时机3天文仪器发展古代天文仪器丰富多样圭表用于测量太阳投影长度确定节气；浑天仪模拟天球运转；简仪测量天体高度；至元大明历表和水运仪象台展示了中国古代机械天文仪器的高度发展4星象体系建立中国古代创造了独特的二十八宿天文体系，将黄道附近恒星分为东西南北四象七宿《甘石星经》等古代星图详细记录了恒星位置，许多星名沿用至今，如牛郎织女、北斗七星等宇宙的层次结构行星系统恒星与星团以恒星为中心，包含行星、卫星、小行恒星是自身能发光的气体天体，如太阳星、彗星等天体的系统我们的太阳系恒星常聚集成星团，分为疏散星团和球是典型的行星系统，直径约为天文状星团银河系中估计有1001000-4000单位（太阳到地球的距离）亿颗恒星星系团与超星系团星系星系群聚形成星系团，如本星系群；多由数十亿到数万亿颗恒星及星际物质组个星系团又构成超星系团，如室女座超成的巨大系统银河系是一个典型的螺星系团这些结构在更大尺度上形成网旋星系，直径约万光年宇宙中还有10状的宇宙大尺度结构椭圆星系、不规则星系等类型宇宙的尺度超出人类日常经验，通常用光年（光在一年内传播的距离，约万亿千米）或秒差距（约光年）作为天文距离单

9.

463.26位现代宇宙学研究表明，宇宙在加速膨胀，其中暗物质和暗能量是构成宇宙的主要成分，约占总质能的，但本质仍是未解之谜95%太阳系概览太阳系基本结构太阳系由中心恒星太阳、八大行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星和星际尘埃等组成太阳占整个太阳系质量的，对系统内所有天体产生强大引

99.86%力太阳系位于银河系的猎户臂上，距离银河系中心约万光年

2.7行星排列与分类八大行星按距离太阳由近及远排列为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星可分为内行星（类地行星水、金、地、火）和外行星（气态巨行星木、土、天、海）内行星体积小、密度大、岩石构成；外行星体积大、密度小、气体为主太阳系其他成员除行星外，太阳系还包含多种天体矮行星（如冥王星、谷神星）不满足清空轨道条件；小行星主要分布在火星和木星轨道间的小行星带；彗星大多来自太阳系外围的柯伊伯带和更远的奥尔特云；各种人造航天器也是太阳系的新成员太阳我们的恒星×⁰

1.98910³kg质量太阳质量是地球的约万倍，但在恒星中属于中等质量黄矮星33×

6.9610⁸m半径太阳半径是地球的约倍，体积是地球的万倍1091305778K表面温度太阳核心温度高达万度，支持核聚变反应持续进行1500亿年46年龄太阳已经度过了约一半寿命，预计还能稳定燃烧约亿年50太阳是一个巨大的核聚变反应堆，内部将氢原子核聚变为氦原子核，每秒释放相当于数十亿颗氢弹爆炸的能量太阳的结构由内到外包括核心、辐射层、对流层、光球层、色球层和日冕太阳活动包括太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射等，遵循约年的周期变化11太阳活动对地球有重要影响，包括影响地球气候、产生极光现象、干扰无线电通信，以及对航天器和电网等技术系统造成潜在威胁地球与月球地球基本特征地球运动月球特征月相变化地球是太阳系中第三颗行星，地球的两种主要运动对自然月球是地球唯一的天然卫星，月球绕地球公转周期约

27.3也是目前已知唯一孕育生命环境产生重要影响也是太阳系中第五大卫星天，但由于地球同时绕太阳的天体公转，从地球上看到的完整自转地球绕自转轴旋转，•月相周期约为天月相

29.5平均半径千米周期约小时分，造平均半径千米•63712356•1737变化顺序为新月、娥眉月、成昼夜交替（地球的约）质量×千克1/4•

5.9710²⁴上弦月、盈凸月、满月、亏公转地球绕太阳椭圆轨质量×千克表面重力米秒••

7.3510²²凸月、下弦月、残月，再回•

9.8/²道运行，周期约（地球的约）

365.241/81到新月大气成分氮气、•78%天，结合自转轴倾斜导致表面重力米秒氧气等•

1.62/²21%四季变化（地球的约）1/6地球表面被水覆盖，拥71%无大气层，表面布满环形•有保护生命的磁场和大气层山地月系统的特殊现象日食和月食是地月系统中最壮观的天文现象日食发生在新月时，当月球位于太阳和地球之间，月球的影子投射到地球表面根据月球遮挡太阳的程度，可分为全食、环食和偏食月食则发生在满月时，地球位于太阳和月球之间，月球进入地球的影子中，月球表面呈现红铜色潮汐现象主要由月球引力和太阳引力共同作用引起月球引力对地球各点作用不同，导致海水在月球方向和反方向隆起形成潮汐太阳引力虽然大，但距离远，潮汐作用约为月球的当太阳、地球、月球成一直线时，形成大潮；成直角时形成小潮地月系统稳定性高，46%但月球以每年厘米的速度远离地球

3.8内行星水星和金星水星特征水星是太阳系最内侧的行星，也是最小的行星直径千米（地球的）•488038%极端温差白天可达℃，夜间降至℃•430-180特殊自转自转周期约天，公转周期约天，自转与公转比为•59883:2几乎无大气，表面布满陨石坑•水星轨道特点水星轨道椭率大（），是太阳系八大行星中最大的，这导致其与太阳距离变化显著

0.206近日点天文单位•

0.31远日点天文单位•

0.47轨道倾角度•7爱因斯坦的广义相对论通过水星近日点进动的精确预测获得验证金星特征金星是太阳系中最接近地球的行星，被称为地球的姊妹星直径千米（地球的）•1210495%表面温度高达℃，是太阳系最热的行星•465逆向自转自西向东，周期约天•243厚重大气主要成分是二氧化碳（）•96%金星的温室效应金星极端高温主要由强烈的温室效应造成金星厚重的二氧化碳大气层阻止热量散发，使表面温度足以熔化铅这一现象被科学家视为地球温室效应失控的警示，提醒人类重视气候变化和环境保护问题火星红色星球基本特征火星是太阳系第四颗行星，因表面富含氧化铁呈现红色而得名红色星球直径约千米，约为地球的一半；质量为地球的；表面重力约为地球的火星大

679410.7%38%气稀薄，主要成分为二氧化碳，大气压仅为地球的约一个火星日（）约小时分钟，一年约个地球日95%

0.6%Sol2440687水的痕迹火星表面发现大量干涸的河道、湖泊和可能的海洋痕迹，表明火星过去曾有大量液态水火星极区有冰冻的水冰，地下也探测到水冰存在年，科学家发现火星南极冰2018盖下可能存在液态水湖这些证据使火星成为寻找地外生命的重要目标，尤其是寻找微生物生命的可能性探测任务火星是除地球外探测任务最多的行星从年代起，人类已发射数十个火星探测器，包括环绕器、着陆器和漫游车美国成功派出好奇号、毅力号等火星车进行表面探测；1960中国的天问一号于年成功着陆，实现了火星轨道、着陆和巡视探测；未来的火星样本返回任务将把火星岩石带回地球进行详细分析2021木星与土星木星太阳系巨人巨行星共同特点木星是太阳系最大的行星，质量是地球的318木星和土星作为气态巨行星，主要由氢和氦构成，倍，体积是地球的多倍木星大红斑是已1300没有固体表面它们质量巨大，自转迅速，具有知最大的行星风暴，存在至少年，直径可300强大磁场，拥有庞大的卫星系统和明显的环系结容纳个地球木星磁场强度是地球的倍，2-314构木星和土星还具有差异明显的大气带状结构辐射带对航天器构成威胁木星拥有至少颗79和强大的风暴系统卫星，其中伽利略卫星（木卫一至木卫四）最为著名壮观的环系土星光环之王木星和土星都有环系，但土星环最为壮观土星土星以其壮观的环系闻名，是太阳系中第二大行环主要由冰粒子和岩石碎片组成，厚度只有几十星土星密度极低，约为水的倍，理论上能

0.7米到公里，但直径可达万公里环系分为漂浮在足够大的水体上土星风暴强烈，赤道区128多个明显的环带，如环、环、环等，由环域风速可达公里小时土星有颗已知A BC1800/82缝分隔这些环系可能来自被潮汐力撕碎的卫星，卫星，其中土卫六泰坦是唯一有厚重大气层的或是行星形成过程中的残留物质卫星，表面有甲烷湖泊天王星、海王星与冥王星天王星倾斜之谜海王星风暴巨人冥王星矮行星地位海王星外天体天王星是太阳系第七颗行星，海王星是太阳系第八颗行星，冥王星曾被视为第九大行星，在海王星轨道之外，存在大量直径约千米，质量是直径约千米，质量是年被重新分类为矮行星称为海王星外天体的冰质小天51,11849,5282006地球的倍其最显著特地球的倍其发现历史独直径约千米，质量仅为体，主要分布在柯伊伯带

14.5172,377征是自转轴极端倾斜，高达特不是通过观测，而是通地球的其轨道高度椭（天文单位）这里——

0.2%30-50度，几乎与轨道平面平行，过数学计算预测，是牛顿引力圆且倾斜，公转周期为年发现多个矮行星，如阋神星、98248像是侧卧公转这可能是早理论的重要胜利妊神星等，其中某些体积甚至期太阳系形成时遭受巨大天体超过冥王星海王星呈深蓝色，同样因大气冥王星表面有氮冰、甲烷冰和撞击的结果中的甲烷吸收红光尽管距太一氧化碳冰新视野号探测器更远处是奥尔特云（千至510天王星表面呈淡青色，大气以阳遥远，海王星却有太阳系最年飞掠，发现其表面远万天文单位），被认为是长周2015氢、氦和甲烷为主由于甲烷强烈的风暴，风速可达比预期复杂，有山脉、冰原和期彗星的来源这些区域被视2,100吸收红光，反射蓝绿光，使天千米小时著名的大黑斑可能的冰火山冥王星与其最为太阳系的边疆地带，保存/王星呈现特有色调其季节变是一个巨大风暴系统，类似木大卫星冥卫一互相以同一面相着太阳系形成早期的原始物质化极端，极区可经历年极星的大红斑，但较不稳定对，形成双行星系统42昼或极夜小天体彗星与小行星彗星结构彗星主要由冰、尘埃和岩石组成，被形象地称为脏雪球当彗星接近太阳时，表面物质升华形成彗发和彗尾彗星结构包括彗核（坚固的冰尘混合物，直径通常为几公里）；彗发（环绕彗核的气体和尘埃云）；彗尾（可分为离子尾和尘埃尾，始终背离太阳方向）彗星轨道与来源根据轨道周期，彗星分为短周期彗星（周期小于年）和长周期彗星（周期大于年）200200短周期彗星多来自柯伊伯带，如著名的哈雷彗星（年周期）；长周期彗星则多来自更远的奥76尔特云部分彗星轨道极为狭长，仅在几千或几万年内来访太阳系内部一次小行星分布大多数小行星分布在火星和木星轨道之间的小行星带，估计有数百万个直径大于公里的小行1星特洛伊小行星群位于木星轨道上的拉格朗日点，与木星共享轨道土星之外的海王星外天体是另一大类冰质小天体小行星成分多样，有碳质、硅质和金属质等类型近地小行星与撞击风险近地小行星指轨道与地球轨道接近或相交的小行星，有潜在撞击地球风险万年前恐龙6500灭绝事件可能与小行星撞击有关现代天文学密切监测近地小行星，建立预警系统科学家研究多种可能的防御方法，如改变小行星轨道或摧毁威胁目标天体观测基础天球坐标系统天球坐标系用于确定天体在天空中的位置地平坐标系使用方位角和高度角，以观测者所在地平线为基准；赤道坐标系使用赤经和赤纬，以天球赤道为基准，类似地球上的经纬度系统赤道坐标系不随观测者位置和时间变化，适合星图绘制和天体定位观测工具使用赤道仪是专业天文观测的基础设备，其一轴平行地轴，可方便地跟踪天体视运动地平仪则以水平和垂直方向运动，操作直观但跟踪天体较困难初学者可先学习使用星图和寻星镜定位基本星座，再过渡到望远镜观测肉眼认星技巧肉眼观星应先学习辨认亮星和主要星座，如北斗七星、猎户座、天鹰座等利用指向星找到其他星座，如利用北斗七星指向北极星不同季节可见不同星座，春季以狮子座为代表，夏季有天鹰座和天琴座，秋季有飞马座，冬季以猎户座最为显著城市观测条件城市光污染严重影响天文观测，使暗淡天体难以观测在城市中观测应选择高处、避开强光源，选择晴朗无云无雾的夜晚月球、行星和亮星在城市中依然可以观测，而星云和星系等弥散天体则需要前往光污染较少的郊区或山区观测天文望远镜原理折射式望远镜反射式望远镜望远镜参数选择与使用折射式望远镜使用透镜收集反射式望远镜使用镜面收集选择望远镜需要了解几个关初学者选择望远镜时应注意和聚焦光线优点是结构简和反射光线优点是无色差、键参数单、维护方便、图像稳定清可制造大口径、成本相对较口径主镜或物镜直径，稳定的赤道仪或地平仪比••晰；缺点是存在色差（不同低；缺点是需要定期校准决定集光能力和分辨率望远镜本身更重要波长光焦点不同）、制造大（调整反射镜）、散射光较口径以为口径困难、长焦距导致体积多适合观测星云、星系等•70-150mm焦距焦点到物镜主镜宜，不宜过大或过小庞大适合观测月球、行星弥散天体•/的距离等高反差目标优先考虑光学质量而非放•典型代表牛顿式、卡塞•焦比焦距与口径之比，大倍数•典型代表传统单筒望远格林式望远镜•影响像场亮度配备多个目镜以获得不同•镜、双筒望远镜大型天文台多采用反射式•放大率望远镜焦距除以放大倍数•历史上第一种望远镜伽设计•目镜焦距利略年使用1609实用天文观测技巧初学者如何开始对初学者而言，天文观测应从简单目标开始，循序渐进先学习辨认主要星座和亮星，可使用星图软件或传统星图辅助接着观察月球，其表面细节即使用双筒望远镜也能清晰可见熟悉基本操作后，尝试观测行星和亮星，最后挑战星云星团等深空天体观测时应养成记录习惯，记下观测时间、条件、天体外观等信息行星观测要点行星观测需要良好的大气稳定性，选择行星高度较高且大气平稳的时机观测时使用中高倍率目镜，推荐倍率约为口径的倍（毫米转倍率）注意行星的最佳观测

1.5-2时机木星和土星在冲日时（与太阳相对地球方向相反）距离最近且可整夜观测；火星每两年有一次大冲，此时是最佳观测窗口；金星最亮时是新月形，细节最佳时是半月形深空天体观测观测星云、星团和星系等深空天体需要避开光污染和月光干扰使用低倍率大视场目镜先定位目标，再视情况提高倍率深空天体观测需要侧视技巧不直——接盯着目标，而是看其周边，利用视网膜上对弱光更敏感的杆状细胞滤镜可提高特定天体的观测效果，如或滤镜适合观测发射星云暗适应至少需要UHC OIII分钟，避免使用白光手电20-30星空导览四季星空概览北极星定位中国传统星空不同季节可见的星座各不相同春季天空中狮北极星是北半球重要的导航星，因其几乎位于中国古代星空体系独具特色，以二十八宿为主子座、巨蟹座和后发座占据主导地位；夏季星北天极（地轴北端在天球上的投影）而长期保要结构，将黄道附近恒星划分为东方青龙七宿空最为绚丽，以天鹰座、天琴座和天鹅座组成持位置不变寻找北极星最简单的方法是利用（角、亢、氐、房、心、尾、箕）、北方玄武的夏季大三角为标志；秋季可见飞马座的秋北斗七星，沿北斗斗杓最外侧两颗星（指极星）七宿（斗、牛、女、虚、危、室、壁）、西方季方形和仙女座星系；冬季则以猎户座为代表，的连线向斗杓外侧延伸约倍距离，即可找到北白虎七宿（奎、娄、胃、昴、毕、觜、参）和5天空中布满亮星，如天狼星、参宿四等，形成极星北极星高度角近似等于观测地点的地理南方朱雀七宿（井、鬼、柳、星、张、翼、壮观的冬季六边形纬度，这一特性在古代曾用于航海导航轸）这一体系与西方黄道十二宫有所不同，但同样用于历法和占星多波段天文学红外与紫外天文学可见光天文学红外波段（纳米毫米）可穿透星际尘760-1可见光是人眼可见波长范围（约纳380-760埃，观测到可见光无法看到的天体结构，如恒米）的电磁波传统天文观测主要在可见光波星形成区和星系中心紫外观测（纳10-380段进行，使用光学望远镜可见光观测受大气、米）主要用于研究高温天体这些波段的大气云层和光污染影响显著，许多现代光学望远镜吸收严重，需要高空或太空观测，如詹姆斯韦·建在高山或干旱地区哈勃太空望远镜等太空2布太空望远镜（红外）和已退役的哈勃望远镜观测设备可避开大气干扰（紫外）引力波与多信使天文学射电与射线天文学X年首次直接探测到引力波，开启了引力2015波天文学时代引力波探测器如和射电天文学观测波长大于毫米的电磁波，可LIGO Virgo14能探测到黑洞和中子星合并等剧烈事件产生的在白天和阴天进行观测，受大气影响小射电时空涟漪多信使天文学结合电磁波、引力波、望远镜口径可达数百米，如中国的天眼中微子等多种信使，全面研究天体物理现象，射线天文学研究高能现象，如黑洞FAST X如年观测到的中子星合并事件周围物质和超新星残骸，完全需要太空观测设2017同时被引力波和电磁波探测器捕备，如钱德拉射线天文台GW170817X获宇宙的起源与演化大爆炸理论宇宙起源于约亿年前的大爆炸138宇宙微波背景辐射大爆炸的余辉，验证了宇宙早期高温高密度状态宇宙膨胀与暗能量宇宙正在加速膨胀，暗能量可能是驱动力宇宙演化时间线从量子涨落到恒星、星系形成的漫长历程大爆炸理论认为宇宙起源于一个极其炽热致密的奇点宇宙最初的一秒钟内，经历了夸克时代、强子时代和轻子时代，基本粒子形成在宇宙诞生后约万年，宇38宙冷却到约，电子与质子结合形成中性氢原子，释放出的光子至今仍充满宇宙，形成宇宙微波背景辐射3000K哈勃发现星系退行速度与距离成正比，表明宇宙正在膨胀年发现宇宙膨胀正在加速，推测存在一种神秘的暗能量现代宇宙学模型认为，宇宙由普通物质

1998、暗物质和暗能量组成，后两者本质仍是物理学重大未解之谜

4.9%

26.8%

68.3%恒星的形成与演化1恒星的诞生恒星形成始于星际云（分子云）中的冷却密集区域在自身引力作用下，气体逐渐坍缩，形成原恒星当中心温度达到约万度时，氢核聚变反应开始，恒星正式点亮，进入1000主序星阶段不同质量的原恒星形成不同类型的恒星，从小质量红矮星到大质量蓝巨星2主序星阶段主序星是恒星生命中最长的稳定阶段，恒星通过核心氢聚变产生能量，重力与气体压力达到平衡太阳是一颗中等质量主序星，将在主序阶段停留约亿年，目前已过半小质100量恒星主序寿命可达数万亿年，而大质量恒星仅能维持数百万年3恒星晚期演化当核心氢耗尽后，恒星开始晚期演化类太阳质量恒星膨胀为红巨星，核心收缩并升温，开始氦聚变在剧烈的热脉动中，外层物质被抛离形成行星状星云，核心残留成为白矮星白矮星不再进行核聚变，仅靠电子简并压支撑，逐渐冷却变暗4大质量恒星的终结质量超过倍太阳质量的恒星，可进行从氢到铁的核聚变铁核形成后，因铁核聚变不再释8放能量，恒星核心坍缩，外层物质剧烈反弹，产生超新星爆发根据残余质量，可形成中子星（由中子简并压支撑）或黑洞（引力强大到光无法逃逸）航天技术发展史航天技术起步现代航天技术起源于世纪初火箭理论和技术的发展俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出火箭方程；美国20戈达德发射了首枚液体燃料火箭；德国冯布劳恩开发了火箭第二次世界大战后，美苏两国利用德·V-2国火箭技术展开太空竞赛，年苏联发射首颗人造卫星斯普特尼克号，标志航天时代开始19571载人航天里程碑年，苏联宇航员加加林搭乘东方号飞船完成人类首次太空飞行年，美国阿波罗号19611196911实现人类首次登月年代，太空站技术发展，苏联礼炮号和和平号、美国天空实验室使人类70-80能在太空长期驻留年后，国际空间站成为人类太空活动主要平台，各国商业航天公司也开始发展2000载人技术中国航天发展中国航天始于世纪年代年，东方红一号卫星成功发射，中国成为第五个独立发射人造卫20501970星的国家年，杨利伟搭乘神舟五号飞船进入太空，中国成为第三个独立掌握载人航天技术的国2003家此后，中国相继完成神舟系列飞行、天宫空间站建设、嫦娥登月工程和天问火星探测，跻身世界航天强国行列国际空间合作国际空间站是人类最大的合作航天项目，由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共同建设和运营太空探索正逐渐从国家竞争转向国际合作，如阿耳忒弥斯计划、月球门户空间站等大型国际项目商业航天兴起，如、蓝色起源等私营企业参与航天活动，推动太空技术创新和成本降低，开启航天产业化SpaceX新时代太空探测技术太空探测器类型太空探测器根据任务目标可分为多种类型轨道探测器环绕目标天体运行，进行长期遥感勘测；着陆器降落在天体表面进行原位探测；漫游车可在天体表面移动，扩大探测范围；采样返回飞行器收集样本并返回地球；飞越探测器快速经过目标天体，获取短期数据现代任务常结合多种探测器类型，如中国的天问一号火星探测任务同时包含环绕器和着陆巡视器轨道设计与深空飞行深空探测需要精确的轨道设计霍曼转移轨道是最省燃料的行星间转移方法；引力辅助利用行星引力改变探测器速度和方向，如旅行者号利用弹弓效应访问了木星至海王星；拉格朗日点是重力平衡位置，适合放置观测卫星；离子引擎和太阳帆等新型推进技术提高了深空探测效率深空导航需要精确测定探测器位置，常用技术包括甚长基线干涉测量和脉冲星导航动力系统太空探测器动力系统需考虑长期可靠性太阳能电池板在内行星系统效率高，但随距离增加效率降低；放射性同位素热电发生器利用放射性同位素衰变产生热量转化为电能，适合外行星探测，如好奇号和旅行者号使用此技术；小型RTG核反应堆可为未来深空和载人探测提供更大功率；燃料电池和蓄电池作为备用电源或短期任务主电源动力系统选择需综合考虑任务需求、寿命和质量限制着陆技术在天体表面软着陆是太空探测的重大挑战不同天体需要不同着陆技术月球和火星着陆常用逆推火箭减速；火星还需使用降落伞和气囊缓冲；小型彗星和小行星引力小，需使用锚固系统防止弹跳着陆点选择需综合考虑科学价值和安全性，通常通过卫星遥感数据预先评估控制着陆器从行星际航行速度减速至安全着陆速度需要精确的制动系统和自主导航系统，如天问一号火星着陆的恐怖七分钟全自主控制过程中国的天文与航天成就古代天文成就现代天文设施航天技术发展中国古代天文学成就辉煌，司南和浑天仪等仪器中国现代天文观测设施实力雄厚，米口径球中国空间站天宫是继国际空间站后人类第二个500展示了精湛技术甲骨文中已记录天象，《夏小面射电望远镜天眼是全球最大单口径射长期有人照料的空间站，由天和核心舱、问天实FAST正》和《诗经》包含大量天文记录东汉张衡发电望远镜，灵敏度世界第一兴隆米光学望验舱和梦天实验舱组成，支持长期科学实验和技

2.16明地动仪，能探测地震方向；北宋苏颂创制水运远镜、丽江米望远镜和乌鲁木齐米毫米波术验证神舟载人飞船和天舟货运飞船构成

2.413仪象台，是世界上最早的天文钟中国古代天文望远镜构成全波段观测网络中国南极昆仑站被可靠的运输系统长征系列运载火箭已发展到第历法系统完备，宋代授时历和元代回回历精度高，认为是地球上最佳的光学和红外观测地点之一五代，具备多种轨道发射能力北斗卫星导航系对农业生产和社会生活有重要影响正在建设的米口径大型光学望远镜和空间引力统提供全球服务，卫星通信、遥感和气象系统综12波探测器太极计划将进一步提升中国天文观测合能力强，中国已成为航天综合实力领先国家能力前沿系外行星探索天文学与人类未来太空资源开发小行星采矿可获取贵金属和稀土元素，月球极地冰可提供水资源这些资源有望解决地球上的资源匮乏问题，并为太空探索提供本地资源支持，降低从地球运输的成本太空移民展望月球和火星是近期太空移民的主要目标月球基地可作为太空活动的前哨站；火星具备一定的宜居潜力，适合长期殖民圆柱等空间栖息地概念，可人工创造适宜ONeill人类居住的环境星际旅行挑战星际旅行面临巨大挑战，包括极长旅行时间、辐射危害和心理健康问题潜在突破技术包括核脉冲推进、核聚变火箭、光帆技术和理论上的曲速引擎，但多数仍处于概念阶段宇宙视野扩展天文学拓展了人类视野，展示宇宙的广阔与多样寻找地外智能文明项目探索SETI宇宙中可能存在的其他文明铁托夫斯基类文明阶梯描述了文明发展的宏大图景，从行星文明到恒星文明再到星系文明课程实践活动建议校园天文观测天文模型制作光学实验设计组织定期的校园天文观测活动，包指导学生制作太阳系比例模型、星开展光学主题的实验设计竞赛，如括月相观测、行星观测和季节性星座盘、日晷或月相仪等这些动手光的折射率测量、透镜成像规律验座识别可选择重要天象时机（如项目能帮助学生理解天文概念和空证或光谱分析等鼓励学生创新实流星雨、月食等）进行专题观测间关系可组织模型展示和讲解比验方法，使用简易材料完成复杂概建议准备简易观测指南，指导学生赛，培养学生的表达能力高级项念的验证可设置不同难度级别的使用双筒望远镜和天文望远镜鼓目可包括自制望远镜、光谱仪或简挑战，如针孔相机优化、多透镜系励学生记录观测日志，培养科学观易行星仪，提高学生对光学和天文统设计或全息图制作，适应不同基察习惯仪器的理解础的学生需求航天知识活动组织航天知识竞赛和辩论活动，如人类是否应该移民火星或太空探索的优先次序等主题邀请学生设计未来的航天任务或太空栖息地，培养创造性思维结合时事讨论最新航天进展，如中国空间站、火星探测或商业航天公司的发展，增强时代感和参与感总结与展望学习方法培养知识体系构建科学学习不仅是知识的积累，更是方法的掌通过本课程的学习，我们系统梳理了光学与握通过观察、实验、推理和验证的科学方天文学的基础知识结构从光的传播规律、法，我们能够探索自然规律，解决实际问题反射折射现象，到透镜成像与光学仪器原理；批判性思维和创造性思维是科学探索的关键从宇宙结构、太阳系概览，到天体观测与航能力，也是未来社会对人才的核心需求天技术发展，形成了完整的知识网络未来展望科学探究精神人类探索宇宙的脚步永不停歇从光学望远科学精神的核心是求真务实、开放包容面镜到空间站，从地球到月球再到火星，我们对未知，我们保持好奇心和质疑精神；面对的视野不断扩展未来，随着技术进步和科错误，我们勇于承认并从中学习；面对不同学发展，更多宇宙奥秘将被揭示，人类活动观点，我们理性分析，寻求共识这种精神范围将进一步扩展至太阳系乃至恒星际空间不仅适用于科学研究，也适用于生活的方方面面正如中国航天精神所言特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献，探索未知需要坚韧不拔的毅力和团队协作的精神希望同学们带着对自然的好奇和探索的勇气，成为明天的科学家、工程师和思想者，为人类走向星辰大海贡献力量。