综合应用热点专题.ppt

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(一): 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，1997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，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。,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F1F2。,由牛顿第二定律得：,由于R1R2，故得出V1V2.,解题误区,两种情况下，4个物体做圆周运动动力学和运动学关系的不同是两种情况的主要区别。,解析说明,由此题的两种情况引发了天体运动的两类问题：,一是同一行星的两颗不同卫星的比例运动问题；,二是不同行星的两颗不同卫星的比例运动问题。,例2 天文观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度( 称为退行速度) 越大；也就是说，宇宙在膨胀，不同星体的运动速度V和它们离我们的距离r成正比，即V=Hr，式中H为一常量，称为哈勃常数， 由天文观察测定。为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的，假设大爆炸后各星球以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度越大的星体现在离我们越远。这一结果与上述天文观测一致。 (1)述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄。(写表示式) (2)根据近期观测，哈勃常数H=310-2 米秒光年，其中光年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙年龄约为 年。,知识背景,这是一种宇宙产生学说的简化，并认为在大爆炸后，宇宙中各组成均匀速度膨胀，则膨胀持续的时间 宇宙的年龄。,解题思路,(1)由宇宙膨胀知，所有恒星都背离我们运动，并且v=Hr，,宇宙模型理论告诉我们宇宙是大火球爆炸形成的，并各星以不同速度做匀速直线运动，,上述二者是统一的，可以把各星体看作质点，并做匀速直线运动，,那么 又v=Hr，所以,解析说明,本例是一道物理知识在实际科技中应用的题目，属信息给予题。,解决此题关键是对题目进行正确分析，忽略次要因素，将其抽象为简单的物理模型，,将新科技问题化为物理问题，然后所学物理知识求解，,可以培养学生思维的创造性、严密性、批判性，是检验学生抽象思维能力的好题。,规范解答,(1)本世纪末，我国成功地发射了“一箭双星”，标志我国高科技进入新的时代，由卫星离地面高度870km及圆周运动规律得,由于第一宇宙速度为7.9km/s,3.1km/s不可能成为卫星.,而rr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0.55m，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 ，,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)。,知识背景,本