1、第一单元浩瀚的宇宙银河系与宇宙1.1恒星的一生1.2银河内外1.3宇宙的起源、膨胀与演化物质的循环与转化2.1碳循环2.2氧循环2.3氮循环2.4质量守恒能的转化与能量守恒3.1功和热3.2电和磁3.3能的转化和能量守恒定律物质与能量4.1放射性4.2核能的释放目录第二单元变化中的不变27328288136144860733439第三单元结构、功能、性质生命系统结构与功能的统一5.1生态系统结构与功能的统一5.2生物个体结构与功能的统一5.3细胞结构与功能的统一生命活动的调节与协同6.1植物的感应性6.2激素对人体生命活动的调节6.3神经调节6.4免疫结构与性质7.1金属与非金属7.2晶体与非
2、晶体7.3解开食物的锁链8.1酸8.2碱8.3盐8.4物质之间的相互转化汉英词汇对照95991042111114117121132134140“简单”的化学酸、碱、盐146151160166175你知道我们生活的地球有多大岁数吗？它是如何演变成今天这个样子的？宇宙又经历了怎样的演化过程？科学家脑子里的时间与空间和我们所认识的一样吗？浩瀚的宇宙吸引着人类思考关于时间、空间等物质世界的基本问题。下面，让我们一起来探索宇宙的奥秘吧！第一单元浩瀚的宇宙银 河 系 与 宇 宙天空中最多的星是什么星？你听说过黑洞吗？宇宙有起源吗？宇宙真的在膨胀吗？太阳会“熄灭”吗？地球有末日吗？1.1恒星的一生1.2银河
3、内外1.3宇宙的起源、膨胀与演化31银河系与宇宙1.1 恒星的一生在晴天的夜晚，我们仰望天空，可见繁星点点。这些星星绝大多数是恒星，它们有着从出生到死亡的演化过程。恒星大家族想一想在七年级上学期，我们观察过星空。除了太阳以外，你还知道星空中有哪些恒星？它们的体积、密度和质量有什么差异？读图读图 1.1，计算并回答以下问题：1. 回忆七年级所学的知识，太阳和地球的半径各是多少？2. 红巨星半径是太阳半径的多少倍？地球半径是中子星半径的多少倍？太阳半径是中子星半径的多少倍？红巨星地球中子星褐矮星白矮星红超巨星太阳太阳褐矮星褐矮星白矮星红巨星： 恒星的一种，其半径的典型值约为 1.6510 km，密
4、度只有水的百万分之一。7中子星： 恒星的一种， 体积很小，其半径在 10 km 20 km， 而密度大约等于原子核密度。白矮星： 恒星的一种， 其半径与地球相当， 平均密度接近水的 100 万倍。图 1.1比较天体的大小褐矮星： 类似于恒星，尺寸介于大行星与小恒星之间， 直径为太阳直径的 50% 70%。1银河系与宇宙4在宇宙空间，恒星（star）组成了一个庞大的家族。其中，红巨星（red giant）、白矮星（white dwarf）、中子星（neutron star）是处于不同演化阶段的恒星；而神秘莫测的黑洞（blackhole）的一部分，也是演化后期的恒星。红巨星比太阳体积大，密度小，因
5、表面温度较低而呈棕红色。白矮星、中子星（又称脉冲星）等体积很小，但密度非常大，1cm3的物质有十几吨甚至上亿吨的质量。白矮星表面温度极高，呈现出耀眼的白色。黑洞具有很大的质量，密度更是大得令人难以想象。巨大的引力把任何靠近黑洞的物质牢牢吸住，就连光也逃不出来，所以人类看不见它，只能凭借一些现象推测出它的存在。目前的观测结果显示，恒星之间质量的差异一般在 100 倍以内，而体积和密度的差异要大得多。阅读材料我国古代的天文观测我国是世界上最早制造天文仪器进行天文观测的国家之一。其中，尤以圭表最古老而又最简便，可以用来推断二十四节气和确定一年的天数等；最迟在西汉年间，浑仪就已经被制造出来，用于测定太
6、阳和月球的视运动，后经元代天文学家郭守敬改制成简仪。早在 3 000 多年前，我国殷代的甲骨文中就有了新星的记载；在汉代以后的记载中，将其称为“客星”或“暂星”；明朝永乐大典中的宋会要记录了1054年的超新星爆发，这次爆发留下了著名的“蟹状星云”。这是人类第一次用文字记载的超新星爆发现象。图 1.2简仪图 1.3蟹状星云51银河系与宇宙恒星的演化想一想正常情况下，人从出生到死亡一般要经历婴儿、童年、少年、青年、壮年、老年等时期，那么，恒星的一生是否也要经历这样一个过程呢？读图读图 1.4 图 1.7，思考并回答以下问题：1. 恒星起源于什么？恒星的演化经历了哪几个阶段？2. 恒星开始衰老时，体
7、积和颜色会发生什么变化？当恒星进一步衰老时，体积和密度又会发生什么变化？图 1.5恒星的 “黄金岁月”图 1.6开始衰老的恒星恒星的 “壮年时期” 恒星演化的中期， 即稳定时期。 目前， 太阳的年龄约为 50 亿年， 据推算， 它还有 50 亿年的稳定时期。刚刚诞生的恒星原始星云图 1.4恒星的诞生恒星的 “孕育阶段” 星云是宇宙空间的大团气体物质。星云物质收缩就有可能形成恒星。恒星的 “老年初期” 恒星外壳膨胀、 “发胖” ， 温度降低， 开始步入“老年阶段” 。 根据恒星质量的大小，分别形成巨星或超巨星。1银河系与宇宙6图 1.7走向死亡的恒星恒星的 “老年末期” 恒星演化的后期。经历巨星
8、或超巨星阶段， 恒星一般会抛失大量的物质， 甚至会产生新星和超新星爆发。质量较小的恒星形成白矮星，质量较大的恒星形成中子星或黑洞。研究认为：恒星起源于原始星云。当星云局部区域密度变大，在引力作用下逐渐收缩，就形成了能发出大量可见光且质量很大的天体。恒星在度过它的稳定时期以后，由于内部的核燃料大量消耗而开始衰老，先是演变为巨星或超巨星，然后出现爆发过程，这就是新星（nova）和超新星（supernova）现象。恒星的质量不同，其归宿也不同。质量较小的恒星最后会形成白矮星，质量较大的恒星最后形成高密度的中子星或黑洞。例如，太阳是小质量的恒星，其演化过程可简要概括为：原始星云太阳红巨星白矮星。由此可
9、见，白矮星、中子星和黑洞等都是恒星演变到最后阶段的形态。1.2 银河内外夏秋季晴天的夜空，可以见到难以计数的恒星。它们中的一些密密麻麻地形成一条白茫茫的光带，横跨天空，那就是传说中的银河。银河系之外，现已发现上千亿个与银河系类似的巨大恒星集团。71银河系与宇宙银 河 系想一想太阳是银河系中的一颗恒星，我们应该如何描述太阳在银河系中的位置？读图读图 1.8 图 1.11，思考并回答以下问题：1. 地月系的中心天体是什么？太阳系的中心天体又是什么？2. 银河系的直径大约是多少？3. 太阳离银河系的中心有多远？月球地球太阳地球带着月球一起围绕太阳旋转。 地球与太阳的平均距离为 1.510 km，这个
10、长度在天文学上被称为一个天文单位。8图 1.9地月运行示意图图 1.8地月系示意图月球地球月球是地球的卫星，和地球构成地月系级别最低的天体系统。太阳图 1.10银河系侧视示意图太阳银心我们称银河系的中心为银心。太阳和众多恒星等天体一起绕银心旋转， 组成银河系。-银心3.3 万光年10 万光年图 1.11银河系侧视结构图1银河系与宇宙8我们所见到的银河是银河系（the Galaxy）的一部分，银河系只是宇宙中的一个星系。星系是由大量恒星组成的，银河系内就有2000多亿颗像太阳一样的恒星。靠近银河系的中心部位，由于恒星非常密集，肉眼望去就成为白茫茫的一片。从侧面看，银河系就像是一个中心略鼓的大圆盘
11、，鼓起的地方是恒星的密集区。整个圆盘的直径大约是 10 万光年。太阳位于距银河系中心3.3 万光年的地方。如果能够从银河系的上方俯视这个大圆盘，我们会看到，银河系就像一个巨大的旋涡。太阳太阳银心图 1.12银河系俯视示意图图 1.13银河系俯视结构图银心阅读材料如何识别牛郎星和织女星夏秋季晴天的夜晚，找一处不受灯光影响的空旷地，抬头仰望天空，很容易发现一条轻纱似的乳白色光带，从南到北横亘天际，这就是银河。在天顶偏南一点的银河东侧，有三颗星一字排开，中间一颗最亮的星就是牛郎星。牛郎星也叫牵牛星，天文学上正规的中文名叫河鼓二，国际上通称天鹰座 。它的两侧各有一颗稍暗的星，传说中这是他和织女的一双儿
12、女。这三颗星一起被称为河鼓三星，俗称扁担星。从这三星的偏南一颗起，沿着三星连线的方向延长大约相当于三星两端视距离的 6 倍，就可以在银河西侧找到一颗非常漂亮醒目的青白色大星，这就是织女星，国际上通称天琴座 。紧91银河系与宇宙靠着织女星的东南侧，有四颗较暗的星构成了一个平行四边形，传说这就是她用来织布的梭子。牛郎星织女星图 1.14白茫茫的银河图 1.15银河两边的牛郎星和织女星织女星牛郎星天津四天鹅座天琴座天鹰座人马座天蝎座心宿二从 “地心说” 到 “日心说”想一想仰望天空，可见日升月落，斗转星移。想想坐在快速行驶的汽车或火车上观看窗外景物时的感觉，你得到了什么启示？读图读图 1.16 和图
13、 1.17，思考并回答以下问题：图 1.17 “日心说” 的宇宙结构体系月球太阳金星地球火星木星土星水星恒星天恒星天木星月球土星最高天火星金星水星地球太阳图 1.16 “地心说” 的宇宙结构体系1银河系与宇宙101. 在图 1.16 中，位于中心的天体是什么？从里到外依次有哪些天体？2. 在图 1.17 中，位于中心的天体是什么？从里到外依次有哪些天体？由于人类生活在地球上，每天看到太阳东升西落，很容易得出地球位于宇宙中心的结论。公元 2 世纪，天文学家托勒密（Claudius Ptolemaeus，约 90168）就是在此基础上创立了“地心说”。“地心说（geocentric）”的宇宙结构体
14、系认为：地球是宇宙的中心；从地球向外，依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，它们在各自的轨道上绕地球运转。“地心说”认为，在宇宙的最外层是上帝，他推动着宇宙运行，关注着人类的言行。后来，“地心说”被赋予了浓厚的宗教色彩，得到占统治地位的宗教组织的竭力支持，成为欧洲占绝对统治地位的自然哲学思想。随着科学的发展，许多科学家发现了“地心说”的错误。1543年，波兰天文学家哥白尼（NicolausCopernicus，14731543）依据大量精确的观测资料，发表著作天体运行论，完整地提出了“日心说”。“日心说（heliocentric）”的宇宙结构体系认为：太阳居于宇宙的中心且静止不动，包
15、括地球在内的行星都围绕着太阳运行。“日心说”的出现，标志着人类向真理迈进了一步。探索真理的道路是艰苦而漫长的。由于“日心说”否定地球在宇宙的中心地位，违背了基督教教义，冲击了神权统治，因此，主张这一学说的人均遭到教会势力的残酷迫害，意大利哲学家布鲁诺（Giordano Bruno，15481600）还为此献出了宝贵的生命。讨论科学的道路从来不是平坦的。在从“地心说”到“日心说”的发展历程中，科学家为了坚持真理付出了时间、智慧、金钱甚至生命。从科学家追求真理的精神中你能领悟到什么？111银河系与宇宙阅读材料为科学献身的布鲁诺图 1.18布鲁诺布鲁诺是意大利哲学家和思想家。在论无限宇宙和世界一书中
16、，他不但系统地阐述和赞扬了哥白尼的“日心说”，而且大胆地提出了宇宙无限的思想。他写道：“无数的世界在无穷无尽的宇宙的广阔胸怀中产生、发展、灭亡，又重新产生宇宙中有无数绕着自己的太阳运转的地球，就像那些绕着我们的太阳运转的行星一样。” 他的观点在当时被视为异端邪说。1592 年，布鲁诺在威尼斯被捕入狱，被囚禁 8 年。由于始终坚持自己的学说，1600 年 2 月 17 日，52 岁的布鲁诺被宗教裁判所判为“异端”，烧死在罗马鲜花广场。临刑前，他高呼：“火并不能把我征服，未来的世界会了解我，知道我的价值。”正如布鲁诺所言，科学精神是烧不死的。没过几年，人们不顾教廷势力的威胁和阻挠，在烧死布鲁诺的地
17、方竖起了一座布鲁诺纪念碑，使他的英名万世流芳。河外星系想一想银河系只是宇宙中很小的一部分。如果我们能够走出银河系，会见到什么景象？银河系之外还有什么？宇宙整体上又是什么样子？读图读图 1.19 和图 1.20，思考并回答以下问题：当我们明确“大麦哲伦云”的真实身份后，应该怎样称呼它比较合适？1银河系与宇宙12图 1.20星系团图 1.19大麦哲伦云若干星系结群分布，形成比星系更高一级的星系团或星系群。开始， 人们用肉眼看时， 它是白茫茫一片， 被误以为是星云。 后来， 在天文望远镜下观察， 才知道它是由一千多亿颗恒星组成的、 和银河系类似的天体系统。在宇宙空间，还有一些发光体是与银河系类似的巨
18、大恒星集团，我们称为河外星系（extragalactic system）。据估计，目前宇宙中的河外星系有1 000 多亿个，绝大多数是肉眼无法看到的。大麦哲伦星系和小麦哲伦星系都是与银河系相邻的河外星系。星系（galaxies）在宇宙空间具有结群成团分布的特征。它们聚集在一起，组成星系团或星系群，星系团或星系群进一步组成超星系团，形成比星系更大、级别更高的结构层次。目前发现的星系团有 10 000 多个，比较著名的有室女座星系团和后发座星系团等。图 1.21泡沫状的宇宙模式图一种普遍的观点认为，我们现在所知的宇宙从整体上看来是泡沫状的。星系团就像是贴在无数气泡表面的质点，气泡内部是几乎没有星系
19、的空洞。这种分布有点像蜂窝，既有物质（星系）密集的“墙壁”，也有物质稀疏的“房间”，如此相间排列，绵延不绝。由此可见，宇宙是没有中心的。131银河系与宇宙小资料在星系内部，恒星还可能成双、成团分布，组成各种各样的小集团。这种小集团的成员若只有两个，就被称为双星；两个以上的叫作聚星；达到十个以上，则称为星团。有的星团成员较少且分布疏散，有的星团则是成千上万颗恒星密集在一起，聚为球状。图 1.22双星图 1.23聚星示意图天狼星是天空中亮度仅次于太阳的恒星。后来，人们发现它旁边还有一颗亮度很小的伴星 （矮星） 。大熊星座中的开阳星 （ ） 是一颗有名的聚星。图 1.24星团位于金牛星座的昴星团 （
20、俗称 “七姐妹” ， 一般肉眼只能见到 6 颗） 为密集在月轮大小的天区内的大星团， 非常引人注目。其实， 它的成员多达 280 个， 天文学上称为疏散星团。课外活动在老师指导下，与同学合作，做一个“日心说”宇宙结构体系的模型。1银河系与宇宙141.3 宇宙的起源、膨胀与演化宇宙是物质的，并处在不断演化之中。宇宙中的地球也有它的昨天、今天和明天。它随着太阳系的形成而诞生，并走上了一条孕育生命的发展之路，成为我们人类的家园。宇宙的起源想一想宇宙有起源吗？宇宙也会消亡吗？读图读图 1.25 ，思考并回答以下问题：1. 除了盘古开天，你还知道哪些关于宇宙起源的神话传说？2. 你知道哪些关于宇宙起源的
21、理论学说？盘古开天传说大爆炸宇宙论图 1.25宇宙的起源宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是一切空间和时间的总和。千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是何时以及如何形成的。迄今为止，151银河系与宇宙关于宇宙起源的学说有神造说、大爆炸宇宙论、虫洞喷发说及稳态理论等。目前最广为人们接受的一种学说是大爆炸宇宙论，它萌芽于 20 世纪 20 年代，于40 年代由伽莫夫（George Gamow，19041968）等人进行了补充和发展。大爆炸宇宙论认为，大约在 150 亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外膨胀，形成了今天我们看到
22、的宇宙。大爆炸宇宙论是目前观测证据最多、最获公认的现代宇宙理论。阅读材料霍金霍金（StephenHawking，19422018），英国物理学家，被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。图 1.26霍金霍金 1942 年 1 月 8 日出生于英国牛津。1962 年春天，他从牛津大学毕业，到剑桥大学攻读博士。这时，他突然被检查出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症一种运动神经元症。这是无法治愈而且致命的病，医生认为他最多只能活两年。然而，霍金却在一般人难以忍受的病痛折磨中，潜心科学研究，在天文学、宇宙学和物理学等领域取得了举世瞩目的成就。1974 年，霍金成为英国皇家学会最年轻的会员；1979 年，任剑
23、桥大学卢卡斯数学教授。1988 年，他的著作时间简史问世。该书从研究黑洞出发，探索了宇宙的起源和归宿，解答了人类有史以来一直在探索的问题：时间有没有开端？空间有没有边界？该书被译成 40 余种文字，畅销世界各地。霍金的宇宙无边界设想认为：宇宙是无边的；宇宙不是可以被任意赋予初始条件或边界的一般系统。宇宙的演化有两种结局永远地膨胀下去，或者坍缩并在大挤压处终结。霍金的宇宙无边界设想预言，宇宙在空间上是无限的，在时间上是有限1银河系与宇宙16的。这样宇宙就有一个开端和一个终结，这个开端就是大爆炸。宇宙大爆炸后时间才有了意义，因此， 宇宙和时间都起始于大爆炸。宇宙的膨胀与演化想一想宇宙是不断变化的吗
24、？宇宙的演化经历了一个怎样的过程呢？活动听声音体会宇宙的膨胀去火车站听一听火车运行时的汽笛声，或者去公路边听听汽车行驶时的喇叭声。注意迎面开来的车辆和远离而去的车辆，分辨其汽笛声或喇叭声音调的变化。分析与思考轰鸣的火车驶近我们时，声波频率升高，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低。这种现象就叫作声音的多普勒效应。与此同理，发光星体接近观察者时，星光光谱线向频率高的蓝光方向移动；离开观察者时，星光光谱线向频率低的红光方向移动。科学家发现，我们所观测到的星系的星光光谱线大多向频率低的红光方向移动。这意味着什么呢？图 1.27宇宙大爆炸示意图根据绝大多数星系两两之间的距离在增加这一现象，可以推测
25、宇宙正处在膨胀之中。按照宇宙现在的膨胀速度，有科学家估算，如果让时间倒退150亿年，宇宙应该是一个温度极高、密度极大的“原始火球”。从“原始火球”发生大爆炸那一刻起，宇宙开始了漫长的演化历程。171银河系与宇宙从大爆炸至今，宇宙经历着温度降低、空间膨胀、密度变小的过程。在此期间，形成了各种天体和天体系统。大约在大爆炸后 10 亿年，宇宙开始进入以恒星为基本组成物质的时期。恒星时期已经延续了上百亿年，一些形成较早的恒星走完了它们的生命历程，但与此同时，又有一些新的恒星诞生。因此，恒星时期还将延续下去。当新的恒星不再诞生，且最后一批恒星走向死亡的时候，恒星时期也就结束了。未来的宇宙是无限膨胀，还是
26、到一定的时候又收缩呢？宇宙是否又开始一个新的演化轮回呢？这些都是人类很想知道，但目前却无法准确回答的问题。阅读材料科学需要预言在科学发展的历史长河中，经常有科学预言被证实。门捷列夫在编制元素周期表时，给未知的元素留下空位，并正确地预言了部分元素的性质；19世纪中叶，天文学家预言了海王星的存在，并计算出它的精确位置。20 世纪40 年代，大爆炸宇宙论预言：由于大爆炸，宇宙中会存在残余的辐射（天文学上称为“微波背景辐射”）。1964 年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊观测到这种辐射并因此获得诺贝尔奖。这一发现为大爆炸宇宙论提供了重要证据。“大爆炸宇宙论”的宇宙演化史根据大爆炸宇宙论，宇宙起源于大爆炸，
27、并不断地膨胀，经历了一个温度从高到低、密度从大到小的演化过程。宇宙诞生至今约有150亿年。设诞生的瞬间为0s，此时发生了大爆炸。大爆炸造成极高的温度。大爆炸发生后的 102s，宇宙温度降低到约 1011。此时，宇宙中已经有大量的光子、电子、正电子、中微子和少量的中子、质子等基本粒子。大爆炸发生后的 180 s，宇宙温度降低到 109。质子和中子开始结合成复合的原子核：首先形成由一个质子和一个中子结合而成的氘核，然后这些氘核很快组合成最稳固的轻原子核由两个质子和两个中子组成的氦核。大爆炸后的几十万年，宇宙的温度降低到 3 000 左右，电子和原子核1银河系与宇宙18可能结合在一起成为原子，出现了
28、氢、氦等元素。不过这些元素的相对原子质量都很小，都是轻原子。大爆炸后的 10 亿年，恒星和星系开始形成。大爆炸后的 100 亿年，太阳和地球出现在银河系中。大爆炸后的 110 亿年，地球上开始出现原始生命。今天，在大爆炸后的 150 亿年，宇宙的温度只有270 左右。地球上的人类社会正在由工业时代向信息时代过渡。哈勃哈勃（Edwin PowellHubble，18891953），美国天文学家，星系天文学的奠基人和现代观测宇宙学的主要创始人。1889 年 11 月 20 日出生于美国密苏里州，1910 年在芝加哥大学获得天文学和数学学士学位，1917 年在芝加哥大学获得博士学位，1919 年 1
29、0 月应聘至美国威尔逊山天文台，从事星系和观测宇宙学的研究。哈勃在天文学上的贡献很多。20 世纪天体物理中的一个重大发现哈勃定律，就是由哈勃于 1929 年提出的，这一发现引出了宇宙正在膨胀的设想。哈勃通过对星系光谱的研究，证明了由普通恒星构成的星系的存在，并且测量了星系的距离，证明距离更远的星系远离银河系的速度更快。哈勃是 20 世纪最伟大的天文学家之一。1953 年 9 月 28 日，哈勃因患脑血栓在加州去世，终年 64 岁。为了纪念哈勃，20 世纪 90 年代由美国宇航局发射的空间望远镜被命名为哈勃空间望远镜。太阳系的形成想一想还记得七年级上册教材中的太阳系结构示意图吗？为什么八大行星都
30、围绕太阳运行呢？为什么它们有相同的公转方向呢？读图读图 1.28，思考并回答以下问题：太阳系是如何形成的？191银河系与宇宙“现代星云说”认为， 太阳系起源于一团原始星云。原始星云收缩形成太阳。太阳周围的物质形成太阳系的行星。图 1.28太阳系的形成“现代星云说”认为：在距今约 50 亿年前，太空中有一团由气体和尘埃组成的星云，这团物质在引力作用下旋转、收缩，逐渐形成了太阳、太阳的行星、行星的卫星、小行星以及彗星等天体。在从星云到太阳系的形成期间，原始地球经历了体积由大到小、密度由小到大、温度由高到低的变化后，形成了可孕育生命的地球。至今，地球已有46 亿多年的历史。阅读材料有关太阳系起源的假
31、说第一个关于太阳系起源的假说认为，太阳形成以后，与一颗巨大的彗星相撞，从原始太阳上碰撞出的物质凝结形成了地球等行星。德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯分别于 1755 年和 1796 年提出“星云说”。他们认为太阳系起源于一团旋转着的原始星云。这一学说较好地解释了为什么太阳系的天体分布在接近同一平面上，且以大致相同的方向旋转着。此后，也有人为了解释金星、天王星的自转方向，为了说明八大行星的排列呈中间大、两1银河系与宇宙20头小等现象，分别提出了“俘获说”和“碰撞说”。但是更多的人还是相信太阳及其伙伴大致是同时形成的。不少学者对“康德拉普拉斯星云说”进行修正、补充和完善，使之不断发展，成为当前流
32、行的“现代星云说”。我国天文学家戴文赛就是这一学说的代表人物之一。地球的演化想一想地球上的水是从哪里来的？人类是什么时候出现的？读图读图 1.29，思考并回答以下问题：1. 地球起源于什么？2. 地球经历了怎样的演化过程？3. 地球在演化过程中，地表发生了哪些变化？ 原始星云。 46 亿年前， 原始地球形成。 地球冷却时释放出气体和水蒸气， 形成大气。 炽热的红色岩浆河流般纵横于地球表面。 40 亿年前， 地球表面形成了由坚固的岩石构成的地壳。 39 亿年前， 地球表面出现了水。 如今的地球面貌。图 1.29地球的演化211银河系与宇宙地球形成以后，经历了漫长的演化过程才成为今天这个样子。在地
33、球演化早期，原始大气全部或大部分散逸到宇宙空间。伴随着物质的重新组合和分化，原先在地球内部的各种气体上升到表层，成为第二代大气，后来又逐步形成以氮、氧为主的现代大气。同时，地球内部温度升高，使内部结晶水汽化。随着地表温度逐渐下降，气态水经过凝结和降雨，回到地面，形成原始海洋。火山爆发，地面反复升降，原始海洋上逐渐出现大片陆地。地壳及地壳表面的运动变化逐渐形成地球上的基本面貌。约在三四十亿年前，最早的简单生物诞生于原始海洋；经过漫长的进化，海洋生物登上陆地；再经过不断的进化和发展，形成今天多种多样的生物。生命经历了由简单到复杂、由低等到高等、由水生到陆生的进化过程。大约在 600 万 700 万
34、年前，出现了人类。人类出现以后，开始建设人工环境，从而改变了自然环境。特别是进入工业时代以来，人类对环境的改变越来越大。阅读材料地球的年龄和未来地球的年龄是怎样测算出来的呢？开始，人们根据沉积岩每年大约的沉积量估算出地球的年龄约为 2.5 亿年，这样估算的误差实在是太大了；后来，有人根据月球与地球的距离在慢慢增大这一事实，先假定一个初始距离，再按分开速度估算，得到地球的年龄约为 40 亿年；当人们发现宇宙在膨胀后，按膨胀速度推算，地球的年龄约为 50 亿年；现在，我们已有较准确的方法，那就是根据放射性元素的衰变来测算。用这种方法，测得地球的年龄为 46 亿多年。46亿岁的地球是不是开始衰老了？
35、有的科学家预测，大约2600万年后，成千上万颗彗星将袭击地球，有可能引发生物灭绝之类的重大事件。2.5 亿年后，由于板块运动，欧亚大陆、非洲和澳大利亚大陆会重新连接，形成一个超级大陆。由于月球离我们远去，地球的自转速度将减慢，相当于现在的40多天才转一周。1银河系与宇宙22课外活动广泛搜集有关宇宙起源的资料，和同学们交流你对宇宙起源与演化的认识。反馈与评价问题反馈1. 一般而言，发生超新星爆发的恒星是，超新星爆发以后形成的恒星可能是。2. 银河系的中心称为，太阳位于距银河系中心光年的地方。从侧面看，银河系像是一个中心略鼓的大圆盘；若能到达银河系圆盘的上方，我们见到的银河系像。3. 根据大爆炸宇
36、宙论，我们现在的宇宙起源于年前，大量恒星开始出现于年前。宇宙在演化过程中，温度，密度，而空间逐渐。5. 根据“现代星云说”的观点，太阳系起源于；地球形成之初的演化历程是：体积，密度，温度。科学思考1. 关于太阳系的起源有哪些假说？比较一下这些假说的基本观点。2. 如果把地球的年龄比作一天（24 小时），那么人类出现了多长时间？人的生命有多长时间？对于计算结果，你有什么想法？科学探究模拟宇宙的膨胀过程：用笔在一个瘪气球上标 10 个小点，把气球吹大，观察小点之间的距离变化。将小点看成星系，将逐渐变大的气球看成是正在膨胀的宇宙。想一想：宇宙膨胀的过程中，是原先相距较近的星系分离的速度快，还是原先相
37、距较远的星系分离的速度快？由此推测，宇宙的膨胀有中心吗？231银河系与宇宙本章要点我们目前认识的宇宙其他超星系团银河系所在的超星系团银河系所在的星系团其他星系团或星系群河外星系银河系太阳系其他恒星系统地月系其他行星地球月球- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
38、 - - - - - - - - - - - - - - - -概念图1. 红巨星、白矮星、中子星（脉冲星）和黑洞的一部分是处于不同演化阶段的恒星。恒星之间质量的差异一般在 100 倍以内，而体积和密度的差异要大得多。2. 恒星是由原始星云收缩形成的。恒星在度过它的稳定时期后，先是演变为巨星或超巨星，然后出现新星或超新星爆发。恒星的质量不同，其归宿也不同。质量较小的恒星最后会形成白矮星，质量较大的恒星最后形成高密度的中子星或黑洞。1银河系与宇宙243. 银河系是由大量恒星组成的星系，像太阳一样的恒星就有2000多亿颗。从侧面看，银河系就像一个中心略鼓的大圆盘，整个圆盘的直径大约是 10 万光年
39、。太阳位于距银河系中心 3.3 万光年的地方。4.“地心说”认为地球是宇宙的中心；“日心说”认为太阳居于宇宙的中心且静止不动，包括地球在内的行星都围绕太阳运行。5. 据估计目前的宇宙中有 1 000 多亿个与银河系类似的星系，它们统称为河外星系。星系聚集在一起，组成星系团或星系群，星系团或星系群进一步组成超星系团。6. 宇宙是有起源的、膨胀的和演化的。大爆炸宇宙论是目前观测证据最多、最获公认的现代宇宙理论。7. 人类是地球环境发展变化的产物，人类的出现使地球面貌发生了巨大变化。第二单元变化中的不变古希腊哲学家赫拉克利特曾说过：人不能两次踏入同一条河流。我们周围的世界时刻处于不停的运动变化之中，
40、那么，面对这瞬息万变的世界，人类如何建立自己的认识体系？科学的威力正在于揭开物质现象变化无穷的面纱，展示自然界中不变的规律。与 转 化物 质 的 循 环空气中的氧气会被人类用完吗？动植物呼出的二氧化碳到哪儿去了？空气中的氮气是怎样变成肥料的？自然界中树木、花草、阳光、空气、土壤等与我们人类是怎样和谐地组成统一体的？2.1碳循环2.2氧循环2.3氮循环2.4质量守恒272物质的循环与转化2.1 碳循环在自然界中，碳元素以单质或化合物的形式存在，是构成生物体的基本元素之一。含碳元素的物质无处不在，与人类的生活密切相关。二氧化碳是大气中主要的含碳元素的气态化合物，它在碳循环中起着重要的作用。自然界的
41、碳循环想一想在日常生活中，我们经常接触到的含碳元素的物质有哪些？这些物质在人们使用的过程中会怎样转化呢？活动寻找含碳元素的物质图 2.1生活中接触到的含碳元素的物质大米煤铅笔芯蔗糖铅笔芯塑料尺塑料剪刀食用油酒精橡胶手套橡皮擦3 5 个同学一组，寻找含有碳元素的物质，然后按用途分类，将它们的名称填入表 2.1。2物质的循环与转化28表 2.1生活中含碳元素的物质按用途分类燃料食物生活用品物质名称在自然界，很多物质中都含有碳元素。铅笔芯和煤中含有单质碳；维持生命活动所必需的物质，如糖、蛋白质和脂肪等，均是含碳化合物；前面我们学习过的有机物质，如塑料、橡胶、酒精、汽油、大米和面粉等，也都是含有碳元素
42、的物质。读图读图 2.2，思考并回答以下问题：新的岩石动 物溶解死亡火 山空气中的二氧化碳植 物动植物遗体燃烧火山爆发燃 料碳酸钙沉积呼吸作用水光合作用光合作用呼吸作用死亡摄食呼吸作用图 2.2自然界中的碳循环示意图微生物的分解292物质的循环与转化1. 哪些过程中产生了二氧化碳？哪些过程中吸收了二氧化碳？2. 自然界中的碳循环主要有哪些途径？分析、归纳并填写图 2.3。（） 作用（） 物（） 吸收体内氧化二氧化碳二氧化碳（） 作用（） 物（） 作用（） 物（） 吸收（） 尸体煤、 石油、 天然气燃烧（） 作用图 2.3二氧化碳的循环示意图在地球上，含有碳元素的化合物数量最多。碳元素广泛地分布
43、于大气、海洋、地壳、岩石和生物体中，并循环不止。碳循环（carbon cycle）主要分为三种途径：一是绿色植物经光合作用将二氧化碳和水化合成有机物，通过植物体自身的呼吸作用释放二氧化碳；二是植物中储存的有机物被人或动物摄取后，被吸收并在体内氧化生成二氧化碳；三是煤、石油、天然气及其制品燃烧时，生成二氧化碳。此外，在碳循环过程中，有少量的二氧化碳可溶于水中。海洋中的碳酸钙沉积在海底，形成新的岩石，使一部分碳元素较长时间地贮藏在地层中。同时，火山爆发又使地层中的一部分碳元素回到大气层。在碳循环中，绿色植物担任着重要的角色。它们通过光合作用吸收煤、石油、天然气等化石燃料及其制品燃烧和动植物呼吸作用
44、产生的二氧化碳，从而推动碳循环的顺利进行。人类活动与碳循环想一想日常生活中哪些活动与碳循环有关？人类的生产活动与碳循环有什么联系？读图读图 2.4 和 图 2.5，思考并回答以下问题：2物质的循环与转化301. 你的一天中，哪些活动与碳元素有关？2. 人类的哪些活动参与了碳循环？其中哪些活动释放了二氧化碳，哪些过程消耗了二氧化碳？图 2.4碳元素与我们的日常生活 衣服中含有碳元素。 洗涤用品中含有碳元素。 、 、 食物中含有碳元素。 绿色植物吸收二氧化碳。 睡眠时， 体内的含碳化合物仍在不停地转化。、 、 运动和学习时， 体内的碳水化合物被氧化成二氧化碳。汽车排放二氧化碳开采煤获取燃料农作物将
45、二氧化碳转化为人类需要的有机物二氧化碳可作为塑料大棚的气肥燃烧过程中向大气排放大量二氧化碳图 2.5人类活动与碳循环312物质的循环与转化在人类的活动中，一方面，通过呼吸不断地向大气中排放二氧化碳，燃烧化石燃料也产生大量二氧化碳；另一方面，种植农作物和花草树木，又能很好地吸收和利用大气中的二氧化碳。讨论自然界自发进行的碳循环，在很长的时间内始终处于一种平衡的状态。随着现代工业的迅速发展，人类对煤、石油和天然气等化石燃料进行大量开采，这会给碳循环带来怎样的影响？阅读材料海洋中碳资源的利用海洋中的碳资源十分丰富。海水中除含有氧和二氧化碳外，还含有生物生长必需的氮、磷、钾等盐类和各种微量元素，为海洋
46、生物的生长提供了必需的物质条件。浮游植物通过光合作用合成基本的有机物，是海洋生态环境中的最大生产者。人类对海洋中碳资源的利用，主要是获取蛋白质。海洋是天然的蛋白质仓库，拥有海洋生物 20 多万种。人们常吃的鱼、虾、海带和紫菜等均含有丰富的蛋白质。据估计，海洋能为人类提供的食物要比陆地全部耕地所提供的食物多上千倍。开采化石燃料，也是人类对海洋中碳资源利用的重要方面。化石燃料是不可再生的，为此，科学家们希望找到一种生产化石燃料的办法，就像植物生产蛋白质一样。美国科学家发现，一种海藻含有丰富的石油成分，可以利用这种海藻来生产石油。他们建了一个直径 20 m 的池塘来繁殖海藻，一年之中竟收获了 4 0
47、00 kg 海藻，从中提炼出了超过 300 L 的燃油！后来，日本科学家也发现，海洋中一种单细胞藻类植物能吸收大量的二氧化碳。他们立即开始了实验研究，以利用藻类的光合作用将二氧化碳转变成石油。我国从“十一五”开始布局以生物能源生产为目标的微藻能源研究。2011年，我国科研人员在实验条件下，利用培育的高含量海水微藻制取生物柴油，达到国际同类技术的先进水平。科学家预计，未来利用海藻生成的燃料将会越来越多。2物质的循环与转化322.2 氧循环氧气存在于水、空气和土壤中，是一种性质活泼的气体。在自然界里，它能跟许多物质发生反应，生成氧化物。氧气也是绝大部分生物赖以生存的重要物质之一。由于自然界中存在着
48、氧循环，大气中氧气的浓度才能在一定范围内长时间保持稳定。生物圈的氧循环想一想动植物都需要一个氧气充足的环境。空气中的氧气是从哪里来的？它会被吸收殆尽吗？读图读图 2.6，思考并回答以下问题：图中哪些活动消耗氧气？哪个过程产生氧气？光合作用吸收二氧化碳， 放出氧气。氧 气图 2.6生物圈氧循环示意图呼吸作用吸收氧气，放出二氧化碳。332物质的循环与转化在生物圈中，氧元素主要存在于水、二氧化碳和氧气等物质中。在自然条件下，水中的氧原子是很难分解出来形成氧气的，而绿色植物的光合作用则可以将水中的氧原子转化成氧气释放出来。在自然界，氧循环与碳循环紧密联系着。动植物的呼吸作用及人类活动中的燃料燃烧都需要
49、消耗氧气，产生二氧化碳，而绿色植物通过光合作用大量吸收二氧化碳，释放氧气，如此构成了生物圈的氧循环（oxygen cycle）。氧循环保证了大气中氧气含量的稳定，维持了整个自然界氧气的平衡，对自然界的生物非常重要。生命活动与氧循环想一想在水产品市场，我们经常可以看到商家不断地向鱼池中补充空气。他们为什么要这样做呢？活动观察植物释放氧气的现象甲乙图 2.7观察植物释放氧气的现象将一支点燃的蜡烛放在一个玻璃罩里。在玻璃罩口周围涂些凡士林，防止空气进入。将玻璃罩置于阳光照射处，见图 2.7 甲。与此同时，将一盆活的绿色植物放在另一个玻璃罩里，旁边同样放一支点燃的蜡烛。在玻璃罩口周围涂些凡士林，防止空
50、气进入。将玻璃罩置于阳光照射处，见图2.7乙。观察甲、乙两玻璃罩内蜡烛燃烧的情况，并记录蜡烛燃烧的时间。2物质的循环与转化34分析与思考1甲、乙两玻璃罩内的蜡烛哪支先熄灭？为什么？2根据观察结果，联系氧循环的有关内容，想一想，在日常生活中，用什么方法可以保持室内空气清新？生命活动引起的氧循环是自然界中氧循环的一个重要方面。生物体每时每刻都在进行呼吸作用，不断消耗氧气，产生二氧化碳。人体的气体交换，伴随着一系列化学反应：糖、蛋白质、脂肪等发生氧化反应，消耗氧气，同时释放能量和二氧化碳。因此，为了维持生命活动的正常进行，人类需要清洁、新鲜的空气。绿色植物通过光合作用，将二氧化碳和水等无机物转化为糖
