高中物理 第6章 相对论与天体物理 6.4 探索宇宙教案2 鲁科版选修3-4.doc

探索宇宙一、一般恒星演化的现代理论 一般恒星的演化都经历了形成、发展、晚年几个阶段。结局不外乎三种天体：白矮星、中子星和黑洞。质量为8m日的恒星，最终形成白矮星，其质量为1.44m日，密度可达到106kg/m3. 质量大于10m日的恒星最终形成中子星，其质量在1.44m日以上，密度可达到1011kg/m3. 新星或超新星是正在死亡的恒星，超新星爆发后留下来的核心其质量小于2m的是中子星，质量大于2m的将进一步坍缩变为黑洞。科学家已经找到了许多白矮星和中子星，正在努力寻找黑洞。1、 白矮星的质量典型的白矮星为天狼星的一颗著名的伴星，即天狼是已不再发光的白矮星，他们的环绕周期为50.1年例1、在天文学上把两个相距较近，由于彼此的引力作用沿轨道相互环绕的恒星系统称为双星。星和星组成的双星系统绕其“晃动”（实际上是环绕转动）的周期为t，星的晃动范围为d，星的晃动范围为d。试求星和星的质量。解析：晃动范围就是它们的圆周运动直径，二者互相环绕转动。其角速度必然相等，如图所示，两星的距离l =对星： g对星： g所以得： m =； m= 即质量与旋转半径成反比。所以 m=； m= 2、中子星的密度金牛星座的蟹状星云的脉冲星就是一个中子星。中子星是由密集的中子组成的星体，具有极大的密度。例2、通过天文观测已知某中子星的自转角速度为=60rad/s ，该中子星并没有因为自转而解体，根据这些事实人们可以推知中子星的密度，试写出中子星的密度最小值的表达式为=_; ,计算出该中子星的密度至少为_kg/m3,(假设中子星通过万有引力结合成球状星体，保留2位有效数字)。 （1.31014kg/m3）解析：中子星自转的向心力是由万有引力提供的，不解体的条件应是万有引力大于向心力 不解体的条件应是万有引力大于向心力,设中子星赤道上一个质点m绕中子星做匀速圆周运动的角速度恰好等于中子星自转的角速度，中子星的质量为m，则有gmr2, 式中的m = 由此可以得到中子星的密度为 ； 取 = = 1.31014 kg /m3。3、黑洞大小黑洞是一种密度极大的天体，其表面的引力是如此强大，以至于包括光在内的所有物质都逃脱不了其中引力的作用。例3、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为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，距离银河系中心约60亿km的星体，正以2103km/s的速度围绕银河系中心旋转，根据上面的数据，试计算：如果银河系中心确定存在黑洞的话，其最大半径是多少？(r0 1）。为了解释观测周期t和双星运动周期t的不同，目前有一种流行的理论认为，在宇宙中可能存在一种望远镜观测不到的物质暗物质。作为一种简化的模型，我们假定在以这两个星体连线为直径的球体内均匀分布这种暗物质，如不考虑其他暗物质的影响，试根据这一模型和上述观点观测结果确定该星系间这种暗物质密度。（=3（n1）m./2l3.）解析：由观测结果，星体的运动周期t=t这一种差异是由双星内均匀分布的暗物质引起的，均匀分布在球体内的暗物质对双星系统的作用，与一质量等于球内暗物质的总质量m。位于中点o处的质点的作用相同，考虑暗物质作用双星后的速度即为观察到的速度v。则有理论上看（不计暗物质对双星的作用），对每一人星体有g， v =m，所以 v=双星运动的半径r = l/2是一定的，则有vt =vt= 2l/2 = l v = v.将两个速度的表达式代入得 m=设所求暗物质的密度为，则有 = 8、宇宙中的反物质根据宇宙大爆炸理论，爆炸产生出对称的正物质和反物质，我们的宇宙是一个由正物质组成的，反物质组成的宇宙也应同样存在。反物质是狄拉克于1931年提出的，每种粒子都有反粒子，现在已经找到了很多种粒子的反粒子，如：1932年安德逊发现正电子，1955年，恰伯林和塞格勒发现反质子，1956年考克尔发现反中子，1959年王淦昌等人发现反超子反物质组成的宇宙中哪里？例9、1998年6月3日美国发射的航天飞机发现者号搭载了一台磁谱仪，mas（oi）。其中一个关键部件是由中国科学院电工研究所设计制造的直径为120mm，高为800mm ，中心磁感强度为0.134t的永久磁体，它的要使命是要探测宇宙中可能存在的反物质，特别是宇宙中反氦原子的原子核，所谓反物质，即质量与正粒子相等，带电量与正粒子相等，电性相反。若图是磁谱仪中的4条径迹，分别为质子、反质子、粒子，反核经粒子速度选择器后，再进入匀强磁场后形成的径迹，其中反核的径迹为：(b)a、1 ； b. 2; c. 3 ; d. 4