1-4 宇宙的形成與演變

在宇宙形成的理論這個章節，最不容易讀懂的部分就是許多科學原理和觀測證據。究竟這些觀測證據的意義是什麼？怎麼解釋？以及這些科學假設在講什麼？為什麼會有這樣的假設等等。
老師建議同學在閱讀這個段落的內容時，可以依照我們學過探究與實作的步驟，來找出科學發展歷程中可以對應到這些步驟的過程，讓我們更清楚理解這些科學理論是如何建立起來的。
請同學把以下內容做成筆記，可以把筆記寫在課本（泰宇版課本第36到41頁）上：

1. 在課本空白處寫出探究與實作的步驟：
1. 觀察現象
2. 發現問題
3. 提出假設
4. 實驗規劃
5. 論證建模
2. 請同學閱讀課本中關於「紅移現象」的內容（第36到37頁），將課本內容填到對應的探究與實作步驟中：
1. 觀察現象：遙遠星系的譜線波長較長（紅移）。
2. 發現問題：為什麼遙遠星系的譜線波長較長？（為什麼會有紅移現象？）
3. 提出假設：
4. 實驗規劃：
5. 論證建模：
3. 請同學提出一個合理的假設，來回答「發現問題」中的問題。
1. 參考答案：遙遠星系的譜線波長較長可能是受到都普勒效應影響，代表遙遠星系正在遠離我們。
4. 課文中沒有提到如何規劃實驗來驗證假說是否成立，請同學嘗試規劃合理的實驗方式。
1. 直接在實驗室測量譜線波長變化與速度的關係；
2. 直接測量遙遠星系的運動速度，分析速度與紅移量的關係；
3. 利用地球繞日公轉的速度變化，觀察其他恆星譜線的波長變化與地球繞日公轉速度的關係。
5. 論證建模的敘述方式：
1. 實驗結果證明假設是對的。
1. 遠離天體的譜線波長變長，靠近天體的譜線波長變短，且天體相對運動速度和波長變化量都符合都普勒效應的計算結果，證明譜線波長變化（紅移現象）是由都普勒效應所造成。
2. 假設成立時的解釋。
1. 遙遠星系譜線的紅移現象，代表它們正在遠離地球。
6. 請同學閱讀課本中關於「宇宙膨脹（哈伯定律）」的內容（第38頁），將課本內容填到對應的探究與實作步驟中：
1. 觀察現象：遙遠星系在遠離地球，且越遙遠的星系遠離速度越快。
2. 發現問題：
3. 提出假設：
4. 實驗規劃：
5. 論證建模：
7. 提示：
1. 發現問題：可以參考前面「紅移現象」的探究。
2. 提出假設：假設是問題的答案，假設同時也會在論證的結果中出現。同學可以從課文中哈伯最後的結論反推他的假設。
3. 實驗規劃：參考假設或論證的內容，可以很容易找出規劃實驗（觀測）的方法。
8. 參考答案：
1. 觀察現象：遙遠星系在遠離地球，且越遙遠的星系遠離速度越快。
2. 發現問題：為什麼遙遠星系在遠離地球？且越遙遠的星系遠離速度越快？
3. 提出假設：宇宙在膨脹，因此星系的距離會和遠離速度成正比。
4. 實驗規劃：測量遙遠星系的距離與遠離速度（紅移量）。
5. 論證建模：遙遠星系的距離與遠離速度成正比，證明宇宙在膨脹。
9. 請同學閱讀課本中關於「大霹靂」的內容（第39到41頁），將課本內容填到對應的探究與實作步驟中：
1. 觀察現象：
2. 發現問題：
3. 提出假設：
4. 實驗規劃：
5. 論證建模：
10. 提示：
1. 觀察現象、發現問題：參考前面二個探究。
2. 提出假設：建議從課文中找出一句敘述，這據敘述可以回答前面的問題。
3. 實驗規劃：可以從課文敘述中「猜」出來實驗規劃的內容，但是這個實驗為何可以驗證前面的假設，必須要從假設進一步推論。
11. 參考答案：
1. 觀察現象：宇宙在膨脹。
2. 發現問題：為什麼宇宙會膨脹？
3. 提出假設：宇宙的形成是從一個小點暴脹開來，當時所有物質與能量集中在一起，溫度很高。當宇宙開始迅速膨脹，物質與能量分散開來，宇宙的溫度逐漸降低。現今的宇宙應該存在一個背景溫度，且溫度很低。
4. 實驗規劃：測量宇宙目前的溫度。
5. 論證建模：測量到來自宇宙各個方向的微波輻射相當於2.7K的低溫，這個微波輻射的性質符合宇宙背景溫度的假設，代表現今的宇宙背景溫度是2.7K的低溫。
12. 根據前一個小節所學過的宇宙結構，同學認為宇宙背景溫度應該是均勻的，還是某些地方比較高溫、某些地方比較低溫，是不均勻的。為什麼？（本題不一定要作答）

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