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1、综合应用热点专题本专题内容特点：一是强调学科知识的渗透、交叉与综合；二是强调理论 与实际相结合，训练同学们的创造思维 ；三是强调人与自然、社会协调发展的 现代意识。要求同学们以所学各科内容 为知识载体的材料背景，分析问题，寻 找解决问题的角度、条件和方法。专题讲座专题讲座( (一一): ): 天体科学与航天技术天体科学与航天技术主讲老师：德清县高级中学 施剑儒一、专题背景：天体物理和空间技术作为现代高科技领域的前沿，是高考物理命题取之不尽的材料库。1.卫星登陆问题随着航天事业的蓬勃发展，人类已登上了月球并向火 星发射了探测器。不久的将来，人类完全能够登陆火星及 其他行星。卫星登陆技术的发展，已
2、成为备受世人关注的 现代高科技领域之一。从地球表面向火星发射大量探测器，简单且比较节省 能量的发射过程可分为两步进行：第一步是在地球表面用 火箭对探测器进行加速，使之获得足够的动能，在地球引 力作用下成为沿地球轨道运动的一个人造卫星；第二步是 在适当的时刻点燃与探测器连在一起的火箭发动机，在短 时间内对探测器沿原方向加速，使其速度增加到适当值， 使探测器沿一个与地球轨道及火星轨道分别为长轴两端相 切的半个椭圆轨道运行，正好射到火星上。1975年8月20日和9月9日，美国“海盗一号”和“海盗二号”从地球出发，长途跋涉六亿八千万千米，历时近一年，分别于1976年7月20日和9月3日成功登陆火星，1
3、997年7月4日，美国“火星探路者”飞船在火星登陆成功，在地面工作人员的遥控下在火星上行驶，实现对火星较大范围的移动考察，发回了大量有价值信息。.探寻黑洞问题1997年8月26日，在日本举行的国际天文学大会上， 德国Max Plank学会的一个研究小组宣布了他们的研究成果：银河系的中心可能存在一个大黑洞。他们的根据 是用口径3.5m的天文望远镜对猎户座中位于银河系中心 附近的星体进行近6年的观测所得到的数据，他们发现， 距银河系约60亿千米的星体正以2000km/s的速度绕银河系中心旋转。根据上面的数据和理论计算可以确认假设 银河系中心确有黑洞存在的话，那么它的半径约为 5.3108m。黑洞是
4、宇宙中一种神秘天体，它的密度极大，其表 面的引力是如此之强，以至于包括光在内的所有物质都 不能逃脱其引力作用。研究认为，在宇宙中存在的黑洞 可能是由超中子星临界质量的重级恒星发生塌缩而形成 的。这种奇异的天体的存在，早已为牛顿力学所预言， 后又用广义相对论从理论上对其作了进一步的论证。从 此，黑洞成为全世界的物理学家和天文学家所共同瞩目 的研究对象。特别是近10年来，黑洞物理学，作为相对 论天体物理学的新分支，又作为广义相对论的一个新分 支活跃于科学前沿。射电望远镜的发明和广泛使用为人 类探寻黑洞的存在带来了极大的可能性。研究发现，在 宇宙中存在旋涡状星云，这极可能就是黑洞。它表明， 在黑洞引
5、力作用范围内，黑洞附近的天体被其束缚并逐 渐靠近其中心，并慢慢地被黑洞吞噬，随着岁月的流逝 ，黑洞质量越来越大，其引力作用半径也越来越大，这 种引力很有可能成为一种人类无法抗拒的力量。3.暗物质和宇宙起源问题近年来发现，把宇宙中所有我们能观测到的质量加 起来，也仅能维持星际间引力的1/10，宇宙中90%的物 质我们目前还无法观察到，这些物质被称之为“暗物质”。经过用天文望远镜的长期观测，人们在宇宙中已经发现了许多双星系统，通过对它们的研究，使我们对宇 宙中物质的存在形式和分布情况有了较深刻的认识。双 星系统由两个星体构成，其中每个星体的线度都远小于 两星体之间的距离。一般双星系统距离其他星体很
6、远时 ，可当作孤立系统处理。 在处理这类双星问题时，有时引入暗物质的概念。假定在以这两个星体连线为直径的球内均匀分布着这种 暗物质，根据模型和观测结果，可以确定双星间暗物质 的密度。4.探索反物质问题在探测反物质粒子的过程中，加速器起着积极的作用，但是根据已有的知识推知，宇宙射线中粒子的原始 能量高达1018eV以上，比起这个能量，当前的加速器使粒子所获得的能量是微不足道的，宇宙中的粒子能量如 此之高以及这样高的能量如何在宇宙中保持住，目前还 很难理解，1949年，加莫夫提出宇宙巨崩（大爆炸）理 论。该理论指出，我们的宇宙是在150亿年前一次大爆炸后形成的。科学家们认为，爆炸后，有物质的存在，
7、必 有反物质的存在，这引起人们猜测反星体、反星系、反宇宙的存在。由于第一个反粒子正电子是从宇宙射线 中找到的，人们设想宇宙巨崩时反物质原子核仍然弥留 在宇宙中，但从宇宙深处飞来的反原子核，在前进的过 程中与其他物质作用而消失，正像正、负电子相遇时发 生“湮灭”一样，如果真的探测到反物质的存在，则在理论上必将产生巨大的意义。5.太阳同步轨道问题太阳同步轨道上运动的卫星叫太阳同步卫星，与地球同步卫星轨道完全不同，不仅轨道低得多，而且也不 是呆着不动，而是和太阳同步起落，因此得名。1999年5月10日，太原卫星发射中心用一枚“长征四 号乙”运载火箭成功地将“风云一号”气象卫星和“实践五 号”科学卫星
8、送入高度为870公里的太阳同步轨道。“风云一号”卫星是我国自行研制的第一代太阳同步轨道气象卫星。可向世界各地云图接收站适时发送气象 云图。 “风云一号”卫星轨道平面与同步通讯卫星不同，同 步卫星轨道平面与地球的赤道平面重合，而“风云一号”的轨道平面既与地球的赤道平面垂直，又与地球绕太阳 公转的轨道平面垂直。该卫星有如下特点：(1)由于它每天绕地球14圈，加上地球自转，故它一天之中将28次在世界不同地区上空掠过，其中白天14次，晚上14次。不论卫星运动到哪个地区上空，都正好是当地正午12时或子夜零时，即它出现于某处正上空时，太阳也位于该处正上空。尤其是 当它位于赤道正上空点，日心、地心和卫星3点
9、在同一直线上，其他时刻这3点都处在同步轨道所在的平面内。(2)该卫星由于南北方向绕行，地球东西方向自转，它的“足迹”将遍布整个地球上空。它从一次经过某处上空运行一圈到另一次经过地球另一处的正 上空，只需1.7小时，地球自转角度25.7，加上它较大的观察范围，可以每天观察全世界的天气实况，向世界各地云图接收站适时发送卫星气象云图。二、典例解析 例1 质量相等的小球P1和P2分别位于水平转台上 的光滑小槽内，并由轻线与转台中心O相连。小槽沿转 台的半径方向，转台以恒定的速度绕过中心O的竖直轴 转动。小球到中心O的距离r1r2，如图IV-1-1(a)所示。 另有质量相等的人造地球卫星Q1和Q2，分别
10、沿半径为R1 和R2的圆轨道绕地球匀速转动，R1R2.如图， IV-1-1(b) 所示。r1P1r2P2O(a)Q1地球Q2R2R1(b)图IV-1-1今以v1、v2表示小球P1、P2的线速度，f1、f2表示作用于P1、P2上的向心力；v1、v2表示Q1、Q2的线速度，F1、F2表示作用于Q1、Q2上的向心力，试分析v1、v2，f1、f2，V1、V2， F1、F2，的大小关系。解题思路 P1、P2两物体具有相同的角速度，根据 v= r比较v1和v2的大小；根据万有引力定律比较Q1、Q2 的速度V1、V2的大小。知识背景 匀速圆周运动的不同物理模型各物理量 间的相互关系。 规范解答 设水平转台的
11、角速度为 ，则小球P1、P2的线速度v1=r1， v2=r2。由于r1 r2，所以有v1 v2 。由牛顿第二定律得小球P1、P2 所受的向心力分别为由于题干中已说明m1= m2，且v1=r1， v2=r2,因而有f1=m1 2r1 f2=m2 2r2.设地球的质量为M ，由此得到卫星Q1、Q2在圆轨道上运动的速度分别为卫星Q1、Q2的质量为m（由题 干中已知Q1、Q2的质量相等）。卫星Q1、Q2所受的向心 力就是地球作用于它们的万有引力，即向心力分别为由于题中已说明R1R2 ，所以F1R2，故得出V1r地推断v7.9km/s故 选C. 而11.2km/s是第二宇宙速度 , (2) 红外线有热作
12、用以及高空摄影、遥感等作用 。(3) “风云1号”卫星是新科技实力的展示 ，由于红外位于红光之外 ，它的波长比可见光中波长最长的红光还长 ，所以它的衍射能力特别强 。正确答案选C 。它是太阳的 第一代同步卫星，故正确答案选B、D。解析说明本例是物理知识在高科技中应用综合题。 要求学生注意新的科技动态 ，注意：太阳同 步卫星不是太阳卫星，而是地球卫星，该卫星所在处 总是该时区的定时（如12点），故此得名。对学科知识融会贯通 ，才能顺利解答 ，属科技信息给予题。例4 已知每秒从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平 方米截面上的幅射能为1.4103J，其中可见光部分约占 45%。假设可见光的波长均为0.
13、55m，太阳光向各个方 向的辐射是均匀的，日地间距离R=1.51011m，普朗克常 数h=6.610-34Js-1，由此可估算出太阳每秒种辐射的可见 光的光子数约为 个。（只要求2位有效数字）知识背景光子说和球面模型。 解题思路 因太阳光向各个方向的辐射为均匀的。就可认为太阳每秒辐射的可见光的光子数就等于以太阳 为球心、日地之间距离为半径的球面上每秒钟获得的可 见光的光子数。则太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数可求。已知每秒钟从太阳射到地球上垂直于太 阳光的每平方米截面上的辐射能 = 1.4 103 J s-1 m-2 ，可见光所占的能量为 =45%，则太阳每秒钟辐射的可 见光的能量E=4R2
14、， 而每个可见光子的能量E0=hv，规范解答解析说明 对于某些物理估算题，仅依赖于原题所 述情景来估算不太容易，有时甚至无法估算，若能针对 题述情景再重新创设一个全新的情景，使原题隐含的物 理现象、物理过程清晰地展现出来；再根据创设的新情 景去寻找有关物理量的关系，这样往往使原题的难点立 即得到化解，使问题的解答变得更加明了、更加容易。例5 若近似认为月球绕地球公转与地球绕日公转的轨道 在同一平面内，且均为正圆， 又知这两种转动同向，如图IV -1-1所示。月相变化的周期为 29.5天(图IV-1-2是相继两次满月时，月、地、日相对位置的 示意图)。求：月球绕地球转一 周所用的时间T(因月球总
15、是一 面朝向地球，故T恰好是月球 自转周期)。(提示:可借鉴恒星 日、太阳日的解释方法)。 29.5天地球太阳月亮满月满月 M2M1E1E2S图IV-1-2知识背景 本题应用物理中圆周运动知识结合地理学中的恒星日、太阳日的理解来处理。解题思路 由地球公转的角速度结合月球绕地球动 转的角速度公式可求解。规范解答 解法1：如图IV-1-2，由地球公转的角速度公式可知：由月球绕地球运转的角速度公式可知： 解法2：先求出月球绕地球转过角所需的时间t，则 月球绕地球公转的周期为解法3：由地球公转可知：由月球公转可知：（2+）/29.5=2/T解析说明 本题有多种解法可供选择。物理基础好 的学生，可用物理方法求解；物理基础差些的学生，可 用数学中的比例法直接求解。有利于考查学生的发散思 维能力。
