黑洞与宇宙
由全球多个国家和地区的科研人员组成,包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构参与了此次国际合作,他们利用分布在世界各地的射电望远镜,组成一台巨大的虚拟望远镜,其口径相当于地球直径,该望远镜“拍照”重点黑洞对象之一,就是位于银河系中心的“人马座A”。北京时间2019年4月10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布了首张黑洞真容,如图所示。
黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程:某一个恒星在准备灭亡,核心在自身重力的作用下迅速地收缩,塌陷,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星体,同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,连中子间的排斥力也无法阻挡。中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的引力,使得任何靠近它的物体都会被它吸进去。
黑洞是宇宙众多天体的一种。“宇宙大爆炸”理论认为,宇宙是由一个致密炽热的点,于一次大爆炸后膨胀形成的。不同星体的远离速度和离我们的距离s成正比,即“v=Hs”,式中H为一常数,称为哈勃常数(已由天文观察测定)。假设大爆炸后各星体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。
(1)在银河系中心的天体是
A.中子星 B.太阳 C.黑洞 D.恒星
(2)假设一艘宇宙飞船靠近黑洞,它的质量将
(3)从上述材料可知,黑洞是由
(4)在黑洞的形成过程中,密度
(5)关于宇宙的起源,下列说法中与大多数宇宙科学家的观点不一致的是
A.谱线红移现象说明所有星系都在远离我们
B.大爆炸是整体的,涉及宇宙的全部物质及时间、空间
C.大爆炸导致宇宙空间处处膨胀,温度则相应下降
D.宇宙温度下降至一定程度,逐步形成超星系团、星系团、星系及恒星、行星等
(6)由“v=Hs”及我们所学的速度公式,假设某星体在宇宙大爆炸后远离我们的时间为t,其计算式为t=
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世界上最轻的固体一“碳海绵”
2013年3月19日,浙江大学高分子系高超教授的课题组向人们展示了神奇的“碳海绵”。一个由这种材料组成的8立方厘米大小的物体可以放在一朵花上,而花瓣完全不会变形,如图所示,“碳海绵”是世界上最轻的固体,它是一种用石墨烯制造出的气凝胶,每立方厘米的质量只有0.16mg,比氦气还要轻,约是体积同样大小的氢气质量的两倍。“碳海绵”可任意调整形状,弹性也很好,体积被压缩80%后仍可恢复原状,它对有机溶剂有超快、超高的吸附力,是已被报道的吸油力最强的材料,现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,但“碳海绵”能吸收250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。
“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件一把“碳海绵”撒在海面上,就能把漏油迅速吸进来,因为有弹性,便于把吸进的油挤出来回收,“碳海绵”也可以重新使用。另外,“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料,有广阔的应用前景。
(2)氢气的密度是
(3)“碳海绵”可用来处理海上原油泄漏事件,是因为它具有
汽车与物理
汽车抬头显示(如图1)又叫汽车平视显示系统(Head-upDisplay),简称HUD,是为了提高安全性而研发。它利用平面镜成像原理(如图2),使显示器上的重要行车数据通过前挡风玻璃成像在正前方,驾驶员不必低头,就可以看到车辆行驶的车速、油耗等信息。凸面镜和凹面镜对光的作用在汽车上也有应用,它们也对汽车的安全行驶起着至关重要的作用。(1)行车数据在挡风玻璃上所成的像是由光的(2)这款HUD显示器水平放置在汽车中控台上,通过挡风玻璃成垂直于水平面的像,则挡风玻璃与水平面夹角为
(3)汽车前灯的反光装置相当于
(4)用密度
全碳气凝胶
“全碳气凝胶”是浙江大学的科学家发明的一种新型材料,它是将石墨烯和碳纳米管两种材料加入水中,在低温下冻干后再除去水分,保留“骨架”,研制出的一种超轻材料.
“全碳气凝胶”构造类似于海绵,具有良好的导电性,是世界上最轻的材料之一,密度仅为0.16mg/cm3.一个杯子大小的气凝胶静止在叶尖上,叶子只发生了微小弯曲,如图所示.它还可吸收相当于自身质量900倍的油,有望在海上漏油、净水、净化空气等污染领域发挥重要作用.
(1)密度仅为0.16mg/cm3,“0.16mg/cm3”表示的物理含义是
(2)让100cm3大小的“气凝胶”“踩”在狗尾巴草上,纤细的草须一点都没有被压弯,如图所示.若将其压缩至很小体积之后也能迅速复原,则可判断,“全碳气凝胶”材料至少具有
和
(3)下列“全碳气凝胶”实际应用中,不可能实现的是
A.清洗厨房的油烟机
B.吸除冰箱内的异味
C.做打桩机的重锤
D.做电影场景中倒塌的“墙壁”
(4)1dm3的“全碳气凝胶”最多能吸收的有机溶剂重力为
(5)航天飞机的总质量为2×106kg,航天飞机的材料密度约为4.0×103kg/m3,若采用气凝胶制造一架同样大小的飞机,则需“气凝胶”质量
扫地机器人
扫地机器人是一款能自动清扫的智能家用电器,如图甲。甲
机器人通过电动机旋转产生高速气流,将灰尘、杂物吸入集尘盒;其防滑轮皮采用凸凹材质制成;底部安装有塑料刷,用于清扫吸附在地板上的灰尘及轻小物体;前端装有感应器,通过发射、接收超声波或红外线来侦测障碍物。当剩余电量减为电池容量的20%时,机器人会主动寻找充电器充电。下表为某扫地机器人的部分参数。电池容量指放电电流与放电总时间的乘积。(1)机器人工作时,主机内部的气压(2)下列说法中错误的是
A.地面有静电时,轻小物体会吸附在地板上而不易清扫
B.采用凸凹材质的轮皮,可增大机器人与地面间的摩擦
C.机器人工作时发出的声音不会对人的听力造成损伤
D.当遇到玻璃门等透明障碍物时,使用红外线感应器效果较好
(3)该机器人正常工作时的电流为
天宫空间站
中国天宫空间站预计2022年建成,空间站将由3个20吨左右的结构组成,一个核心舱,两个实验舱,形成“T”字型结构。天和核心舱,为航天员们提供了居住环境。它很大的,分为睡眠区、就餐区、卫生区等等,是“天宫”的核心部位。货运飞船“天舟”是空间站的地面后勤保障系统。简单说就是“快递”,只不过它是往返地球和太空。载人飞船“神舟”相当是公交车、地铁一类的交通工具。两个实验舱“问天、梦天”,主要是用来做实验的。中国天宫空间站离地面高度约400千米,地球半径是6400千米,中国天宫空间站环绕地球飞行一圈的时间是90分钟。
2021年4月29日,长征五号B遥二运载火箭在文昌航天发射场点火升空,将载人航天工程空间站天和核心舱精准送入预定轨道。
2021年10月16日6时56分,神舟十三号载人飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接,航天员翟志刚、王亚平、叶光富进驻天和核心舱。飞船与空间站天和核心舱成功对接后,与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱船组合体,携手遨游太空。(1)关于火箭发射,下列说法错误的是
A.火箭中用作燃料和助燃剂的氢和氧,都是以液体状态装在火箭里
B.火箭的下方有一个巨大的水池,发射时可以利用水的汽化吸热,保护发射装置
C.火箭的涂层中含有易熔化或升华的物质,高温条件下可以从火箭上吸热
D.点火后,水池上方会出现大量的“白气”,这是水汽化形成的
(2)2021年12月26日18时44分,宇航员叶光富率先出舱,翟志刚、叶光富在舱外作业,王亚平在舱内配合支持,共同完成各项既定任务。他们之间的交流必须用电子通信设备,其原因是
(3)关于四舱船组合体,携手遨游太空,下列说法正确的是:
A.“神舟十三号飞船”相对于“天和核心舱”是运动的
B.“神舟十三号飞船”和“天和核心舱”相对于地球是静止的
C.“神舟十三号飞船”相对于“天舟三号”是静止的
D.“神舟十三号飞船”相对于地球是运动的,“天舟二号”相对于地球是静止的
(4)中国天宫空间站环绕地球飞行的平均速度是
(5)假设在地球上用激光测距仪向空间站发出一束激光,这束激光到达空间站后立刻反射回地球(忽略此过程中空间站位置的变化),则从发出激光束到接收到反射回来的激光大约需要
激光,是一种人造的光,它与太阳、电灯等发的光在真空中的速度相同,但又有很多独特的地方。
一、激光具有良好的方向性。
普通光源是向四面八方发光,要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,比如手电筒、汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使原本发散的光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,是受激辐射产生的,发出的光天生就是朝一个方向射出,所以光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离约38万公里,但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照灯光柱射向月球,假定其形成的光斑能到达月球,其面积将会覆盖整个月球。
二、激光的强度很大。
由于激光发射器发光的方向集中,因此它能量高度集中,可以产生很高的温度,能发出特别亮的光。激光的强度可达1017W/cm2,而氧炔焰的强度不过103W/cm2,用于热核反应实验的激光器,脉冲平均功率可达1014W/cm2,可产生108K的高温。激光器发出的激光最亮时,它比太阳还要亮100亿倍以上。我们如果用眼睛对着电灯看,就会感到刺眼;如果看太阳的话,就会有暂时的目眩感觉;我们如果对着激光看,眼睛就会严重受损以至永久地失明。也正是因为激光具有这样的特点,激光在工业、军事和医疗等领域有着广泛的应用。比如说可以利用激光可产生高温,且热影响小,对工件进行焊接、切割等;军事领域目前正在研制的有激光枪、激光炮等。
三、激光的单色性好。
光的颜色是由其频率决定的。如图1,在光的色散实验中,一束白光经过两次折射分解为不同的色光。可见光的光谱(如图2所示)谱线宽度在380nm~780nm之间,约为400nm,所以说白光是一种非常“不纯”的光。而谱线宽度越窄,意味着光源发出的光单色性越好,色光也就越纯。普通光源中单色性最好的氪灯的谱线宽度是4.7×10﹣4nm,而单模稳频氨氖激光器发出的光,谱线宽度最窄可达10﹣8nm。相比液晶等显示方式,激光显示有着无可比拟的优势。激光是100%单色光,红、蓝、绿三色光分别调制,混合而成的彩色效果非常逼真,普通显示器仅能够覆盖人眼所能识别色彩空间的33%,而激光显示器可达90%。除以上所述的特点之外,激光还具有相干性好和可调谐等特点。激光所具有的广泛应用价值,还有待你们去探索!请根据上述材料,回答下列问题:
(1)一束激光从地表射出,经月球表面反射后返回发射处,这个过程大约需要
(2)与单模稳频氨氖激光器发出的光相比,氪灯的单色性要
(3)钻石的熔点是4000℃,按照莫氏硬度标准“钻石(金刚石)”的硬度是最高级10级,是世界上最坚硬的东西。用激光给钻石上打个小孔却非常容易,这主要是利用了激光具有
(4)请举一个激光应用的事例(不要例举文中出现的应用事例)。举例:
宇宙灯塔——脉冲星
截至2024年5月,有“中国天眼”之称的500m口径球面射电望远镜(FAST)发现的新脉冲星数量突破900颗,这些发现,极大拓展了人类观察宇宙视野的极限。
“中国天眼”紧盯的脉冲星是什么?脉冲星是一类高速自转的天体,具有极强的磁场,它高速自转时就在两磁极处形成了方向性很强的锥形电磁波束(如图甲所示)。由于两个电磁波束会随着脉冲星的高速自转而一起转动,它们就会像灯塔发出的两束光一样扫过宇宙空间。电磁波束每扫过地球上的射电望远镜一次,射电望远镜就会收到一个脉冲信号(如图乙所示),脉冲星便以此而得名。
脉冲星具有极其稳定的自转周期(自转一圈所用的时间),部分脉冲星的自转周期约3亿年仅变化0.1ms,因此可将脉冲星作为计时基准。
脉冲星还是宇宙中的“探针”,可应用于探测引力波。宇宙中的超大质量天体加速运动时,会产生引力波。引力波信号极其微弱,特别是纳赫兹(Hz)引力波,难以直接观测。但是,引力波会使我们收到的脉冲星的脉冲信号发生变化。我国科学家通过综合分析多个脉冲星脉冲信号的变化,于2023年6月找到了纳赫兹引力波存在的关键证据。
越来越多被发现的脉冲星,犹如宇宙中不断被点亮的灯塔,引领我们揭开更多暗藏在宇宙中的秘密。
请根据上述材料,回答下列问题:(1)电磁波束每扫过射电望远镜一次,射电望远镜就会收到一个
(2)脉冲星能够作为计时基准是因为它具有
(3)科学家找到纳赫兹引力波存在的关键证据的研究方法在初中物理的学习过程中也用到过,请类比研究条形磁体周围磁场分布的方法,补全表格中①②的内容
研究对象 | 条形磁体的磁场 | 纳赫兹引力波 |
观测“设备” | 人眼 | 中国天眼 |
探测工具 | 铁屑 | ① |
可观测证据 | 铁屑有规则地排列 | ② |
推理得到的结论 | 条形磁体周圆的磁场有规律分布 | 纳赫兹引力波存在 |
据测算,天王星和海王星的中间层温度可能在几千度以上,那里的压力可能达到地球大气压的20万倍,而那里含有大量的碳,在这样的条件下,碳就可能转变成为金刚石.由此看来在地球上很贵重的东西,在其他星球上俯拾皆是,而在地球上见多不怪的东西,可能是别的星球上的稀罕之物.
(1)天王星和海王星及其他一切天体都是由
(2)组成天王星和海王星的物质是
(3)通过阅读短文.你获得了哪些信息?写出两条来.
(2)为了形象地描述微观世界的各种物理规律,物理学家采用主要的科学方法是
A.控制变量 B.等效替代 C.微量放大 D.建立模型
(3)通过学习,我们还认识了支配宇宙万物
(4)在研究原子与星系的过程中,我们发现原子的组成与太阳系的组成存在着许多相似之处,请写出其中一项相似之处