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1-1 우주의 기원

융합과학 - 1. 우주의 기원과 진화 1-1.우주의 기원
by

광수 장

on 6 May 2015

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Transcript of 1-1 우주의 기원

과학 교과 소개
융합과학이 뭐야?
2011학년도 고등학교 신입생부터 적용
스토리 형식으로 짜여진 큰 틀에 물,화,생,지의 경계를 허물고 자연스럽게 관련 개념이 녹아있음
딱딱한 과학 과목을 스토리 형식으로 재미있게 배우는 것이 목표
또 뭐가 바뀐다고?

고2때부터 배우는 물,화,생,지 각 과목의 개정
생물 = 생명 과학으로 이름 개정
각 과목 모두 수준이 올라감. 오래된 내용이 최신의 이론들로 개정
실용적이고 납득할만한 살아 있는 교육을 목표로 개정됨
storytelling
융합과학 = 스토리 중심!
우리들의
과학 이야기
는?
1단원 = 우주의 기원과 진화
1-1.우주의 기원(1차 지필)
1. 허블은 우주의 팽창을 어떻게 밝혀냈을까
?

2. 허블 법칙으로 무엇을 알 수 있을까?
3. 우주는 어떻게 시작되었을까?
4. 우주는 어떻게 변화되어 왔을까?

5. 빅뱅의 증거에는 무엇이 있을까?
6. 2.7 우주 배경 복사란 무엇인가?

1-2. 우주의 진화(2차 지필)
1. 별은 어떻게 만들어진 것일까?
2. 별은 어떤 물질을 남기며 사라지는 것일까?
3. 우주에서 은하는 어떻게 분포하고 있을까?
4. 우리 은하는 어떻게 구성되어 있을까?

5. 성간 원소에서 다양한 물질들은 어떻게 형성되었을까?
대입 수능과의 직접적인 관련 없음

그렇지만

대학별 고사 논술전형의 키(key)가 될 것!!!

나의 진로 탐색
미래 과학의 흐름 예측
대입 수능과 관련 없나?
2-1.태양계의 형성과 운동
1. 태양계의 형성
2. 행성의 운동
3. 지구와 달의 운동



2-2. 지구 구성 원소와 지구계
1. 행성의 대기와 에너지 보존
2. 지구의 진화
3. 지구를 이루는 원소
4. 지구의 자기장
2단원 = 태양계와 지구
3-1.생명의 탄생
1. 생명을 이루는 기본요소
2. 원시지구와 화학적 진화
3. 원시 생명체의 탄생

3-2. 생명의 진화
1. 생명의 진화
2. 화석과 지질시대
3. 생명의 다양성

3-3. 생명의 연속성
1. 유전자와 염색체
2. 유전자에서 단백질까지
3. 유전자의 전달
4. 유전적 다양성
5. 유전적 다양성과 현대의 진화
3단원 = 생명의 진화
4-1.
정보의 발생과 활용
1. 정보의 발생
2. 정보 인식과 전달
3. 정보의 저장
4. 영상 정보의 활용

4-2.
반도체와 신소재
1. 반도체
2. 신소재
3. 지구의 광물 자원과 활용
4단원 = 정보 통신과 신소재
5-1.식량 자원
1. 작물 생산
2. 품종 개발을 통한 식량 증산
3. 식품의 안전성

5-2. 과학 기술과 건강
1. 영양과 에너지
2. 질병과 면역
3. 물과 소독


5-3. 첨단 과학과 질병 치료
1. 과학적 진단
2. 과학적 치료
3. 생명을 위협하는 암
5단원 = 인류의
건강

과학
기술
6-1.에너지와 문명
1. 에너지의 전환과 보존
2. 태양에너지의 이용과 문명
3. 에너지 효율


6-2. 탄소 순환과 기후 변화
1. 지구의 에너지 순환
2. 탄소 순환과 광합성
3. 지구 온난화와 기후 변화

6-3. 탄소 순환과 기후 변화
1. 화석 연료와 방사성 에너지 자원
2. 신재생 에너지
3. 태양전지와 연료 전지 그리고 하이브리드
6단원 = 에너지와 환경
태양계는 어떻게 생성되었을까?
태양의 에너지는 어떤 과정으로 만들어질까?
태양계 행성 중 지구에서만 생명체가 존재하는 이유는?
1-1.우주의 기원
1. 허블의 법칙과 우주의 팽창
2. 우주의 탄생과 원자의 형성



1-2. 우주의 진화
1. 별의 진화와 원소의 생성
2. 우주의 구조
3. 성간 화합물의 형성
우주는 언제 어떻게 만들어졌을까?

지구와 우리의 몸을 이루는 원소들은 어떻게 만들어 졌을까?
1단원 = 우주의 기원과 진화
2-1.태양계의 형성과 운동
1. 태양계의 형성
2. 행성의 운동
3. 지구와 달의 운동



2-2. 지구 구성 원소와 지구계
1. 행성의 대기와 에너지 보존
2. 지구의 진화
3. 지구를 이루는 원소
4. 지구의 자기장
2단원 = 태양계와 지구
태양계는 어떻게 생성되었을까?
태양의 에너지는 어떤 과정으로 만들어질까?
태양계 행성 중 지구에서만 생명체가 존재하는 이유는?
4-1.
정보의 발생과 활용
1. 정보의 발생
2. 정보 인식과 전달
3. 정보의 저장
4. 영상 정보의 활용

4-2.
반도체와 신소재
1. 반도체
2. 신소재
3. 지구의 광물 자원과 활용
4단원 = 정보 통신과 신소재
선생님하고 공부할
단원....

주로 물리 관련
탈출속도
행성의 대기
행성 대기의 차이
분자 구조와 성질
아인슈타인
프리드만
vs
(정상우주설)
(팽창우주설)
우주의 과거, 현재 그리고 미래...
정상우주론
팽창우주론
중력
변함x
변화o
중력,
우주상수
정체를 알 수없는
우주상수
팽창의 기원과 원인을
모른다
올버스의 역설 우주가 무한이라면 아무리 별의 밀도가 희박하더라도
시선은 항상 어느 별 위에 있게 되므로 밤하늘은 무한히 빛나야 한다.
성간에 가장 많이 존재하는 원소, 즉 농도가 가장 진한 원소는 수소이므로 이들 수소 원자들끼리의 유효 충돌이 상대적으로 많아짐으로써 많은 양의 수소 분자가 생성되고 성간에 가장 풍부하게 존재하게 된다.
영덕고에 입학함을
환영합니다.

영덕고에서
힘 찬
날개짓을 위한
도약을 준비하세요...
우주의 기원
1. 우주의 기원
? 허블의 법칙과 우주 팽창
? 우주의 나이
01. 스펙트럼
우주는 어떻게 탄생했을까?
초기 우주에서는 어떤 일이 일어났나?
우주의 나이를 구할 수 있을까?
02. 적색편이와 도플러 효과
03. 허블 법칙과 우주의 나이
04. 우주의 나이와 대폭발 우주론
반고
색띠
스펙트럼
스펙트럼의 종류
126억광년 거리의 퀘이사
적색편이
적색편이--> 별 사이가 멀어지고 있다.
--> 우주가 팽창하고 있다.
fact
1. 외부 은하의 스펙트럼에서 적색편이가 나타남
2. 멀리 있는 은하일수록 스펙트럼에 나타나는 적색편이 큼.
자료해석 :
V=Hd
결론 :
1. 그래프의 기울기는 허블상수 H(73km/s/Mpc)
2. 우주는 팽창한다.
3. 모든 은하 사이의 거리는 멀어진다.
4. 허블 상수 통해 우주의 팽창정도를 알 수 있다.
5. 은하가 멀어지는 속도를 후퇴속도라 한다.
6. 허블의 법칙은 관측자의 위치에 관계없이 성립한다.
Hubble,E.P.
우리은하가 우주의 중심?
관측자료
가설1
가설2
결론 : 먼 별일수록 후퇴속도가 크다.
어떤 은하에서 관측하더라도 모든 은하가 멀어진다.
따라서, 특정한
우주의 중심은 없다.

그리고,
우주는 팽창한다.
가설1
가설2
가정
: 우주 탄생 후 지금과 같은 속도로 팽창
질문 : 우주의 나이는 어떻게 알 수 있지?
허블의 법칙 : v=Hr
시간=거리/속도
=r/v = 1/H(허블의 시간)
=약 137억 년
시간을 거꾸로 돌리면?
팽창하는 우주가 수축
작아지는 우주
점.
우주의 시작은 점.
점의 폭발로 시작했으며
시간의 시작, 공간의 탄생
지금까지도 팽창
대폭발(Big Bang) 우주론
창의 인성 활동
대폭발 우주론의 확립과정
아인슈타인(1905)
프리드만(1922)
르메트르(1927)
허블(1929)
가모(1948)
호일(1948)
펜지어스와 윌슨(1964)
정적우주론
팽창 우주론
정상우주론
빅뱅우주론
빅뱅-인플레인션 우주론
일반상대론에 우주상수 도입
빈 공간이 우주를 밀어내는 압력이 중력을 상쇄
정적인 우주상태 유지
허블의 우주팽창 증거 후 우주상수 삭제
아인슈타인의 우주상수 반대
우주의 밀도에 따라 팽창, 수축, 팽창속도 감소하지만 진화하고 변화의 세 가지 모델 제시
최초로 우주의 팽창론 주장
일반상대론을 발전시킴
"원시 원자"설
-->빅뱅이론의 시작
원시원자의 폭발로 우주의 시작 진화
가톨릭 신부님
은하들의 스펙트럼 관측-->적색편이-->우주팽창의 증거 확보
프리드만과 르메트르의 우주 모델 뒷받침
아인슈타인의 정적인 우주 폐기
대폭발 우주론에 대항하기 위해 등장
우주가 팽창함에 따라 은하 사이에 새로운 물질 창조
팽창에 의한 밀도의 감소 보상
전체적인 우주의 밀도 일정-->정상우주론
새로 생긴 우주 물질(수소,헬륨)은 어디서 오는가? 어디에 있는가? 에 대한 답을 제시하지 못함
질량보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙에 위배
무거운 원소는 별의 핵융합과정에서 발생
방송에서 가모의 대폭발을 '빅뱅(big bang)'이라는 말로 조롱
우주는 대폭발로부터 시작
초기 몇 분 만에 온도가 내려가면서 수소와 헬륨이 만들어짐
실제 우주에 존재하는
수소와 헬륨의 존재비 (우주의 팽창과 대폭발의 증거1)
설명
수소와 헬륨의 생성 단계 설명(빅뱅 당시의 온도)
원자 생성 당시 전자기파(마이크로파) 발생을 예

과학자들의 지지를 받지 못함
우주의 모든 방향으로부터 오는 잡음 발견(우주배경복사)- 빅뱅우주론의 증거2
벨 연구소 연구원
라디오망원경에서 잡음 발견
호일의 정상우주로 폐기
2. 우주의 탄생과 원자의 형성
01. 기본입자와 원자핵의 형성
02. 스펙트럼을 이용한 원소 분석
03. 우주 배경 복사
04. 원자의 생성
대폭발 우주론으로부터 물질을 이루는 기본 입자와 원자의 형성 과정을 이해한다.
수소와 헬륨의 질량비로부터 대폭발 우주론의 타당성을 설명할 수 있다.
우주 배경 복사가 대폭발의 증거가 됨을 설명할 수 있다
.
기본입자
엠페도클레스의 4원소설
돌턴의 원자설
현대의 기본입자
쿼크 6개+경입자(렙톤)6개=12개
자연계의 기본힘 :4가지(중력, 전자기력, 강력, 약력)
빅뱅우주론과 원자핵의 형성
플랑크시간(0초~10E-43초)
시공간의 불확정성
초고온의 상태
혼돈의 시대
대통일 시대(10E-43초)
우주의 힘 하나
급팽창(인플레이션)
(10E-35)
초고온, 초고밀도의
에너지
강입자의 시대
기본입자의 형성(10E-32)
전자를 시작으로
6종쿼크와 6종렙톤 형성
강입자의 시대(10E-6초)
4가지 힘의 분리
양성자(uud), 중성자(udd) 형성
전자, 양전자, 중성미자로 가득
빛 분리 안됨
양성자와 중성자는 서로 변환, 숫자 비슷
10E-1초 10E10도
온도 낮아 양성자와 중성자의 형성 끝!
양성자 수> 중성자수
5초(3*10E9도)
전자와 양전자의 결합 빛으로 소멸
전자와 양전자의 수 급감
중성자 수 : 양성자 수 =1:5 정도
3분(10E9도)
전자와 양전자 대부분 사라짐
중성자와 양성자의 비율
1:8
38만년(3000K)
온도 하강으로 수소, 헬륨의 원자 형성
투명한 우주 (빛이 직진할 수 있는 공간 형성)
빛의 분리(
우주 배경 복사에너지 방출
)
더 이상의 원소는 생성되지 않음
현재(2.7K)
빅뱅우주론의 증거1.
수소와 헬륨이 3:1로 존재?
스펙트럼을 이용한 원소 분석
여러 종류의 스펙트럼
프라운호퍼선(태양의 흡수스펙트럼)
연속스펙트럼과 원소의 선스펙트럼
별의 스펙트럼="원소의 지문"
-->별의 온도, 나이, 속도, 구성 성분 분석
-->수소와 헬륨의 질량비 3:1
--> 빅뱅우주론의 예측값과 일치
선스펙트럼의 생성 원리
특정 궤도의 에너지 상태
-->
에너지 준위(energy level)
에너지 전이(궤도 변경)
에너지 방출 또는 흡수--> 스펙트럼
수소원자의 선스펙트럼
빅뱅우주론의 증거2.
우주 배경 복사(cosmic microwave background radiation, CMB, CMBR)?
우주배경 복사의 예측--빅뱅우주론의 가모
우주 온도가 약 3,000K일 때
원자가 형성되면서 빛과 물질의 분리
-->
현대 우주에서 2.7K의 복사선
으로 관측 예상
우주배경 복사선의 관측
--펜지어스와 윌슨
우주의 모든 방향에서 계절에 관계없이
대체로 균일하게 관측되는 복사선(잡음) 발견
파장 7.3cm으로,
약 2.7K에서 방출되는 복사의 파장과 일치
우주배경 복사선의 관측
-- COBE위성(1989), WMAP위성(2001)
COBE위성의 관측결과
붉은색- 높은 온도 지역
파란색- 낮은 온도 지역
--> 약간의 비균질성 관측
-->밀집부분에서 은하형성
WMAP 위성
COBE위성보다 더 정밀
우주배경 복사 측정
05. 형성평가
05. 형성평가
빅뱅
기본입자
형성
양성자
중성자
원자핵
형성
H, He 원자탄생
우주배경복사
성간물질
별의 탄생
별의 진화
무거운원소
은하
공유결합
반응속도
성간
화합물
태양계의 형성
지구의 진화
행성의 대기
생명의 탄생
광합성
대기의 산소
(화학적 진화)
만약 우주의 팽창을 지구의 관점에서 본다면 모든 것이 우리를 떠나는 것처럼 보인다. 하지만 우주의 어느 곳에 있던지, 그 곳은 역시 팽창의 중심처럼 보인다. 즉 우주는 모든 곳에서 팽창한다!
http://ua-ieu.ewha.ac.kr/index.html
(140억년전)
우주의 팽창
(40억년전)
물질의 순환
지질시대
화석연구
생명의 진화
빅뱅우주론의 총정리
1.6 fm
변광성의 주기와 광도 관계 탐구
-리비트
맥동변광성의 밝기 변화
맥동 변광성의 주기와 광도 관계
파장크다
진동수 작다.
[은하의 거리와 후퇴속도]
[허블상수에 따른 우주의 미래]
fact
초기 우주
양성자와 중성자의 생성
양성자의 증가
수소와 헬륨의 원자핵 형성 과정
우주배경 복사
전자 궤도의 양자화(불연속)
-->특정 원운동 궤도가 있다.
바닥상태
들뜬상태
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