太阳系漫谈

课程编码：180201070400MX001H 英文名称：Overview of the Solar System 课时：40 学分：1.00 课程属性：公共选修课 主讲教师：周煦之

人类现代科学的启蒙很大程度上是从对太阳系的观测开始 的。在牛顿运动方程及万有引力定律的提出过程中，开普勒的行 星运动定律无疑起了重要的启发作用。随着现代科学和技术的出 现，尤其是太空时代的到来，人类对太阳系的探索取得了丰硕的 成果，解开了一个又一个的谜题。另一方面，这些探索活动本身 也为各相关学科的发展做出了巨大贡献。 本课程作为一门通识课程，将有针对性的选择一部分太阳系 研究中引人入胜的观测现象。在介绍这些现象的同时，本课程将 引领同学们从逻辑出发，通过一系列追问，探寻其背后的科学原 理。由于本课程的通识属性，在授课过程中将尽力避免过于复杂 的数学推导——但即使只使用较为简单的数学工具、物理图像和 逻辑推理，太阳系中相当部分观测现象背后的科学本质都可获得 理解。因此，本课程的教学目标绝不仅限于简单的科普，或仅仅 向同学们展示多姿多彩的太阳系，更多的则是借助太阳系这个平 台，展现现代科学研究的逻辑和批判性思维的力量，并培养同学 们独立思考和创新的能力。当遇到未解之谜的时候，我们应该如 何去解决它？ 为了达到这一目标，本课程避免传统的教学方法（例如对太 阳系各大星球逐一进行“观光式”的详细科普介绍），而更多的针对其中包含的科学内容进行分类和组织。在课程的进行过程中， 互动性的提问、思考与回答也将成为课堂的主要部分。 课程要求：出席听课、完成课堂讨论和期末考试。

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第一章 引言 3学时 周煦之
第1节 从星空谈起（互动：星图app与Stellarium模拟星空软件）
第2节 地心说的提出（互动：观察星空的演化规律，提出模型）
第3节 从地心说到日心说（思考：观察行星与恒星运动的异同，行星的逆行等）
第4节 从开普勒定律到牛顿力学（思考：如何测量太阳及行星的质量）
第5节 各大行星的参数（思考：从参数中寻找规律，思索背后的原因）
第二章 天体轨道漫谈 2学时 周煦之
第1节 谷神星的发现与升降级（互动：从轨道数据中发现提丢斯-博得定则）
第2节 天王星与海王星的发现
第3节 冥王星的发现与降级（课堂讨论：矮行星定义的科学价值何在）
第4节 三体问题（互动：构建三体星系，观察天体的运动轨道）
第5节 限制性三体问题：拉格朗日点与特洛伊小行星
第三章 潮汐的力量 2学时 周煦之
第1节 从涨潮与退潮谈起：潮汐力的本质
第2节 洛希极限与土星环（课堂讨论：洛希极限的推导与适用条件）
第3节 天体的潮汐锁定（互动：从月球上观察地球的运动）
第4节 潮汐加速与减速（思考：月球的宿命、海卫一的历史与未来）
第5节 潮汐加热与轨道共振：木卫系统中的冰与火
第四章 太阳之美 2学时 周煦之
第1节 太阳的前世今生
第2节 如何观测太阳？（互动：观察日全食期间拍摄的太阳图）
第3节 太阳的内部结构（思考：如何得知）
第4节 太阳的外部大气（思考：阳光里的奥秘——如何得到大气元素成分）
第5节 太阳的未解之谜
第五章 太阳活动 2学时 周煦之
第1节 太阳活动和磁场 （思考：如何测量太阳磁场）
第2节 活动区
第3节 太阳黑子 （互动：校园观察太阳黑子）
第4节 太阳风暴
第5节 地球空间环境响应（思考：如何预报地球空间天气）
第六章 太阳的命运 3学时 周煦之
第1节 从《流浪地球》谈起（思考：年轻文明何以得知百亿年的太阳演变）
第2节 星空的奥秘（互动：如何得知恒星的温度、距离、质量与光度）
第3节 赫罗图与主序星
第4节 恒星的寿命（思考：寿命与哪些参数相关，如何证明）
第5节 太阳的归宿：红巨星与白矮星
第6节 题外话：中子星与黑洞
第七章 逐梦火星 3学时 周煦之
第1节 火星早期观测（互动：观察火星特征，判断自转周期，寻找极冠冰层）
第2节 火星表面温度（互动：远程测量温度，建立黑体辐射与热平衡概念）
第3节 火星大气层中的水（思考：如何在地球上测量火星大气成分）
第4节 水的三相图（思考：在火星表面上，水以何种形式存在）
第5节 火星的地下冰层
第6节 远古的火星（互动：寻找火星峡谷与地球峡谷的异同）
第八章 温室效应与冰室效应 2学时 周煦之
第1节 从远古火星谈起（思考：为何在远古时期，液态水可在火星表面出现）
第2节 温室气体对火星热平衡的影响
第3节 金星大气层与表面温度
第4节 类地行星的气候变迁（思考：行星大气中的CO2浓度何以发生巨变）
第5节 类地行星大气的逃逸（互动：大气逃逸率与哪些因素相关）
第6节 课堂讨论：火星地球化如何进行
第九章 行星磁层与辐射带 3学时 周煦之
第1节 电离辐射与宇宙射线（思考：如何判断地球表面电离辐射的起源）
第2节 太空时代的第一个发现：范艾伦辐射带
第3节 课堂讨论：带电粒子在地球磁场中的运动
第4节 磁层——地球的保护盾（思考：火星大气逃逸的另一种机制）
第5节 巨行星的磁层
第6节 行星磁场的产生：发电机理论（思考：为什么金星/火星无全球性磁场）
第十章 向深空进发 3学时 周煦之
第1节 人造卫星的轨道设计（互动：设计前往火星的卫星轨道，发射窗口）
第2节 齐奥尔科夫斯基火箭方程（互动：前往火星/土星分别需携带多少燃料）
第3节 引力助推：原理与实例
第4节 辉的历程——旅行者号飞船
第5节 巨行星及其卫星巡礼
第6节 日球层顶与终止激波（思考：太阳系的定义）
第十一章 行星的内部结构 3学时 周煦之
第1节 从各大行星的密度谈起（互动：猜测各大行星的组成成分）
第2节 类地行星的内部结构（思考：如何得知）
第3节 流体静力学平衡
第4节 状态方程（思考：如何推导地球大气层的密度分布）
第5节 重构巨行星的内部结构（思考：如何验证）
第6节 行星内部结构的暗示
第十二章 太阳系的形成 3学时 周煦之
第1节 重力坍缩：原始太阳与原行星盘的形成
第2节 尘埃颗粒的吸积与成长（互动：如何计算颗粒增长的速度）
第3节 万有引力的作用
第4节 冻结线与巨行星的形成
第5节 核心吸积理论小结（思考：如何检验这一理论，引出下一章节）
第十三章 系外行星 3学时 周煦之
第1节 系外星系的形成：以太阳系为模板？
第2节 系外行星的探测方法（思考：如何从太阳系外找到地球）
第3节 课堂讨论：如何判断系外行星的质量与密度
第4节 热木星的发现：意外与必然（思考：行星的迁徙）
第5节 寻找宜居带中的系外行星
第6节 系外行星的温度与大气成分（思考：如何探测）
第十四章 太阳系中的小天体 3学时 周煦之
第1节 太阳系小天体巡礼
第2节 小天体的形成（思考：为什么没有大行星在小行星带中形成）
第3节 小行星的分布与轨道演化（思考：小行星族是如何产生的）
第4节 近地小行星与陨石
第5节 彗星与奥尔特云（互动：双曲型轨道的彗星的来源）
第6节 寻找第九行星
第十五章 外星生命之谜 3学时 周煦之
第1节 太阳系中的宜居星球（互动：生命的要素，尤里-米勒实验）
第2节 系内与系外宜居带
第3节 德雷克公式：科学与科幻
第4节 搜寻外星文明（思考：如何从太阳系外找到地球文明）
第5节 费米悖论（互动：大过滤器假说）

周煦之，北京大学研究员、博士生导师。2001年本科毕业于北京大学，2008年获北京大学理学博士学位，同年赴美国加州大学洛杉矶分校，历任助理研究员、副研究员。2014年入选国家高层次人才计划青年项目，回北大任教。主要研究领域为空间物理学。曾获全国百篇优秀博士学位论文奖、亚太物理联合会青年科学家奖、北京大学青年教师教学基本功比赛二等奖、优秀教案奖等荣誉。