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初中三年级 (14-15岁)

初中科学 星系与宇宙膨胀

晴朗的乡村夜空中横贯天际的那条朦胧光带，就是我们所在的银河系从内部斜着看过去的样子。星系是由数千亿颗恒星以及气体、尘埃靠引力聚集成的巨大集团，按形状可分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系。 遥远的星系几乎都在远离我们。这并不是星系在空间里飞行，而是星系之间的空间本身在伸展。 在第二张图中增加时间，无论从哪个星系看，其他星系都在远离，而且越远的星系箭头越长，退行得越快。 第三张图把这种关系画成距离与退行速度的直线，这就是哈勃定律，它的证据是光的波长被拉长的红移。

什么是星系

🌌 恒星聚成的巨大“城市”
①星系是由数千亿颗恒星以及气体、尘埃靠引力聚集成的巨大集团
②银河系是太阳系所在的星系，是一个中心有棒状结构的旋涡星系，约有2000亿颗恒星
③星系按形状分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系
④可观测宇宙中有数千亿个以上的星系
旋涡星系
📝 星系的形状
①旋涡星系：明亮的中心被旋臂环绕，如银河系、仙女座星系
②椭圆星系：呈球形或橄榄球形，多为年老的恒星，几乎没有新恒星诞生
③不规则星系：没有固定形状，如大麦哲伦云、小麦哲伦云

宇宙在膨胀

🎈 膨胀的气球上的点
①在气球上画点再吹气，所有点之间的距离都会变大
②从任何一个点看，其他点都在远离，宇宙没有固定的中心
③宇宙中也一样，星系之间的空间本身在伸展
④原来距离越远的星系，在相同时间里远离得越多，所以看起来退行得越快
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哈勃定律与红移

🔴 红移告诉我们什么
①远离我们的物体发出的光，波长被拉长，向红端偏移（红移）
②哈勃发现，越远的星系红移越大
③也就是说，越远的星系退行得越快
④这是宇宙正在膨胀的证据

总结

哈勃定律
v = H₀ × d
退行速度 = 哈勃常数 × 距离（H₀ ≈ 70 km/s/Mpc）
宇宙膨胀的证据
红移 → 星系正在远离
光的波长拉得越长，星系退行得越快
大爆炸宇宙论
约138亿年前，宇宙从极热、极小的状态开始膨胀
把膨胀倒推回去，宇宙过去要小得多、热得多
🎯 考试常考点
①星系是恒星的巨大集团，分为旋涡、椭圆、不规则星系
②银河系是旋涡星系，太阳系位于距中心约2.6万光年的旋臂上
③红移是星系正在远离的证据
④哈勃定律：v = H₀d，越远的星系退行越快
⑤大爆炸：宇宙约在138亿年前开始膨胀

例题与单元测评

例题 1
观测遥远星系的光，发现其波长比原来更长（红移）。这说明这个星系在怎样运动？
1
远离我们的物体发出的光，波长被拉长，向红端偏移。
2
所以出现红移的星系正在远离我们。
▸ 这个星系正在远离我们
朝我们靠近的天体则相反，会出现波长变短的蓝移，较近的仙女座星系就是一例。
例题 2
哈勃发现星系的距离与退行速度之间有什么关系？越远的星系退行速度怎样？
1
根据哈勃定律，退行速度v与距离d成正比（v = H₀d）。
2
所以越远的星系退行得越快。
▸ 退行速度与距离成正比，越远的星系退行越快
距离100 Mpc的星系，退行速度约为 70 × 100 = 7000 km/s。
单元测验
关于星系与宇宙膨胀的说法，正确的是？
①红移是星系正在靠近我们的证据
②按哈勃定律，越远的星系远离得越慢
③距离越远的星系远离得越快
④我们的星系是椭圆星系
⑤宇宙大小不变，保持恒定
▸ ③ 距离越远的星系远离得越快
1
红移是星系远离的证据（①错），按哈勃定律越远的星系远离得越快（②错）。
2
我们的星系是旋涡星系（④错），宇宙在膨胀（⑤错）。按哈勃定律 v ＝ H₀d，越远的星系远离得越快（③对）。
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