新世纪宇宙学思考题和习题精解.(1-5章)

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1、4新世纪宇宙学思考题和习题精解（1-5章）第1章1.1你喜欢宇宙学吗？为什么？1.2你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？1.3A.爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！1.4宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做宇宙学原理。1.5宇宙究竟是什么？古人的定义：“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。”宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。1.6在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说和宣夜说，此外还有昕天

2、论、穹天论、安天论等。1.7西方古宇宙说种种古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说。在西方有古西方的宇宙鸟龟塔说。1.81924年，美国天文学家哈勃（EdwinPowellHubble，1889-1953）发现T仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出“仙女座大星云远在银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统”的结论。这一重大发现最终结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论，将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星

3、系组成的广阔世界，开启了研究浩瀚宇宙的新航程。第2章2.1.1仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？2.2图2.1-4中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？2.3描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球壳上，这些球壳以复杂的方式旋转，但总是以地球为中心，行星就是这样绕地球运行的（地心说）。2.4我们怎么知道地球是圆的？答：第一个理由是，船出海时逐渐地没入地平线，如图1.4-2所示。第二个理由是，希腊旅行者报告：在北方，中午时刻的太阳在天空的位置较低。第三个理由是，在月食时观察到地球投影到月

4、亮上的影子，正好符合地球与月亮两者都是球状时所预期的形状。2.5开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？答：2.6哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的地心说中，对环绕地球运动的太阳河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把太阳作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。第3章3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？答：图3.1-3画出单个行星如火星的这种逆行效应。火星相对恒星通常是由西向东运动。在图3.1-3中，火星在7月至8月间运动比6

5、月至7月间慢，并且越来越慢。在10月份停下来，然后在10月至12月期间逆向运行，这种现象叫做逆行4。12月至2月间又恢复正常的方向。火星的这种效应敲响了地心说的丧钟，回答“我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转”历史的任落到哥白尼的肩上。哥白尼时代仍然没有望远镜，是靠瞄准星星的装置采集数据。依靠为各个行星轨道选用适当的半径、旋转速率和偏心点，哥白尼得到了与观察数据在定量上的一致。他的理论解释了许多现象，逆行如图3.1-5所示。图3.1-5说明，当地球超过某一行星（如火星）时，由于地球上的观察着视线的转动，这个行星在恒星背景上看起来

6、就像是向后运动，如同你行驶在高速公路上追过一辆高速行驶的汽车时会出现的类似的效果。以远方的树和房屋为背景，由于你的视线的转动，较慢的汽车在几秒钟内，看起来似乎是向后运动。在伽利略观察到的各种现象中，其中一件是金星经历着与月亮相似的（新月、弦月和满月等）盈亏变化，这说明金星并非自身发光而是反射太阳光。按照托勒密理论，金星本轮的中心应固定在地日连线上，如图3.1-4所示，意味着我们决不能在地球上看到金星的“满盈”相。另一方面，日心说则预言只要地球与金星两者处于太阳相反的两侧，我们就能看到满盈的金星。如图3.2-1所示，金星在其环绕太

7、阳的轨道上，位于太阳的另一侧，伽利略观测到金星的满盈相，从而推翻了托勒密的理论。3.2从哥白尼日心说的诞生过程看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？3.3开普勒在第谷的观测数据的基础上，经过各种尝试，认识到了行星运动轨道不是圆而是椭圆，由此他提出了两个定律，分别是：①椭圆定律，即每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点上；②等面积定律，即在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时在相同时间内扫过相等的面积。3.4伽利略用来驳斥亚里士多德的教义——宇宙中只有地球一个中心，一切都围绕它转的重要发现是木星有4颗卫星，它们都围绕木星

8、转。3.5从哥白尼日心说的诞生过程看，宗教对科学的作用是推动还是阻碍？3.6对开普勒三定律的发现，你有哪些体会？第4章4.1亚里士多德的运动把运动分为自然运动和强迫运动。伽利略否定了这种运动划分，而是从运动的基本特征量：速度和加速度出发，把运动分为匀速运动和变速