7.4.4 双星系统、黑洞&7.5 相对论时空观 课件 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

7.4.4 双星系统、黑洞 7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 【回顾】卫星变轨阶段一：发射变轨（从低轨道到高轨道） 步骤1：以第一宇宙速度发射卫星，让卫星沿近地轨道1(低轨道)运动(无动力飞行)； 步骤2：卫星运动到Q点时，点火加速(瞬间完成)，随后关闭发动机(无动力飞行)，使卫星沿椭圆轨道2运动； 步骤3：卫星运动到P点时，再次点火加速(瞬间完成)，随后关闭发动机(无动力飞行)，使卫星进入圆轨道3(高轨道)。 第一次 点火加速 第二次 点火加速 思考：卫星每次向高轨道变轨都需要加速，但根据“高轨低速大周期”：轨道越高，卫星的速度越小，点火“加的速度”哪去了？ 关键在于：在椭圆轨道上由近地点向远地点运动，一定会大幅减速！（因为需要克服引力） 从低轨奔向高轨的代价：“付出”大量的速度 v1 — 近地轨道速度 v2 — 椭圆轨道近地点速度 v3 — 椭圆轨道远地点速度 v4 — 既定轨道速度 v2 > v1 > v4 > v3 v1 v2 v3 v4 比较各点的加速度：牛顿第二定律 aQ = aQ’ > aP = aP’ 比较各轨道的周期：开普勒第三定律 T1 < T2 < T3 步骤1：卫星在圆轨道3(高轨道)上运动到P点时，反向推进减速(瞬间完成)，随后关闭发动机(无动力飞行)，使卫星沿椭圆轨道2运动； 步骤2：卫星运动到Q点时，反向推进减速(瞬间完成)，随后关闭发动机(无动力飞行)，使卫星进入圆轨道1(低轨道) 。 第二次反向推进减速 第一次反向 推进减速 卫星变轨阶段二：着陆变轨（从高轨道到低轨道） 双星系统：“天体的奇妙共舞” 宇宙中存在一些这样的天体系统：其由两颗靠得很近的天体构成，两颗天体绕它们连线上的一点各自做匀速圆周运动。 想一想：（填写在《导学案》P157上） (1)这两颗天体做圆周运动的向心力分别由谁提供？ (2)这两颗天体匀速转动时，具有什么相同的物理量？ (3)这两颗天体的运动半径和它们间的距离有何关系？ 运动半径？ 线速度？ 角速度？ 周期？ 例： 宇宙中两个相距较近的天体可构成“双星系统”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但两者不会因万有引力的作用而吸引到一起.如图所示，设A、B的质量为m1、m2，两者相距为L.求: (1)A、B的轨道半径之比; 先分别对A、B列动力学方程：万有引力提供向心力 例： 宇宙中两个相距较近的天体可构成“双星系统”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但两者不会因万有引力的作用而吸引到一起.如图所示，设A、B的质量为m1、m2，两者相距为L.求: (2)A、B的线速度之比; 例： 宇宙中两个相距较近的天体可构成“双星系统”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但两者不会因万有引力的作用而吸引到一起.如图所示，设A、B的质量为m1、m2，两者相距为L.求: (3)A、B的角速度. 例： 宇宙中两个相距较近的天体可构成“双星系统”，它们以两者连线上的某一点为圆心做匀速圆周运动，但两者不会因万有引力的作用而吸引到一起.如图所示，设A、B的质量为m1、m2，两者相距为L.求: (4)A、B的向心加速度大小之比？ (5)A、B各自的运动半径？ 第一宇宙速度的推导：贴着星体表面飞行，万有引力提供向心力 理论分析表明：第二宇宙速度（逃逸速度）是第一宇宙速度的 天体的质量M越大，半径R越小，天体上的物体越难“逃逸” 有没有一种可能：宇宙中一些天体的质量如此之大，半径如此之小，以至于以3×108m/s的速度传播的光都无法“逃逸” ？ 黑洞：光都无法从其中逃出的天体 即使黑洞在发光，我们也根本看不到它——因为光也无法逃脱其中 对于质量为 M 的天体，当其半径 时，就是一个黑洞 【估算】如果地球要变为一个黑洞，其半径至少要收缩至： 以课本P64的一段话结束本章： v = 0.2c 这束激光的速度是多大？ 凭借我们的直觉：0.2c + c = 1.2c 但事实并非如此！这束激光的传播速度仍然是 c！ 爱因斯坦大胆假设：在任何参考系下观察，光的传播速度都是 c，保持不变！（光速不变原理） 基于上述假设导出的理论：相对论 相对论中的两个重要结论： 动钟变慢 动尺变短 牛顿力学的适用范围：低速、宏观世界 涉及到高速世界的规律描述：相对论 涉及到微观世界的规律描述：量子力学 物体的速度远小于光速时（c=3×108m/s） 当普朗克常量可忽略不计时（h=6.63×10-34J·s） 相对论、量子力学均没有否定过去的科学，而是对过去的科学进行了更大范围的拓展！ $$