选修课开卷考试资料1.doc

l太阳系的组成：太阳系指由太阳、大行星及其卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质构成的天体系统。太阳是太阳系的中心天体，占总质量的99.86%，其他天体都在太阳的引力作用下绕其公转。太阳系中只有太阳是靠热核反应发光发热的恒星，其他天体要靠反射太阳光而发亮。太阳的角动量只占整个太阳系的不足2%，而质量占0.2%以下的其他天体的角动量却占98%以上。太阳系中行星由太阳起往外的顺序是：水星（mercury）、金星（venus）、地球（earth）、火星（mars）、木星（jupiter）、土星（saturn）、天王星（uranus）、海王星（neptune）和冥王星（pluto）。太阳系中的八大行星按性质不同可分为三类：1、类地行星(水星、金星、地球、火星): 体积和质量较小，平均密度最大，卫星少；2、巨行星(木星、土星): 体积和质量最大，平均密度最小，卫星多，有行星环，自身能发出红外辐射；3、远日行星(天王星、海王星): 体积、质量、平均密度和卫星数目都介于前两者之间，天王星和海王星也存在行星环。为了说明太阳系的成因，必须认识太阳系的以下特点： （1）行星运行轨道都接近圆形（近圆性），并几乎位于同一轨道平面上（共面性），只有水星和冥王星的轨道有较大倾斜。 （2）行星绕太阳运行的方向除金星外都是逆时针的。大多数卫星也按相同方向绕行星运行。（3）太阳的质量占太阳系总质量的99.8，但太阳的角动量很小，不超过太阳系总角动量的2，角动量的分配与各星体的质量很不协调（角动量分配异常）。（4）类地行星与类木行星在体积、质量、密度、旋转速度、卫星数量方面具有系统性差别。（5）其他星球上已知的元素，地球上都存在，即具有组成元素的一致性。（6）撞击坑形成作用在石质行星及卫星表面具有普遍意义。（7）大多数行星与太阳的相对距离符合提丢斯-波得定律。上述特点是相关联的。因此太阳系起源的假说都是从解释太阳系的这些特点得出的。l木星，太阳系九大行星之一，按离太阳由近及远的次序排列为第五颗。它也是太阳系最大的行星，自转最快的行星。中国古代用它来纪年，因而称为岁星。l土星，一个巨型气体行星，是太阳系中仅次于木星的第二大行星。l天王星，太阳系的九大行星之一，排列在土星外侧、海王星内侧而名列第七，颜色为灰蓝色，是一颗巨型气体行星(Gas Giant)。以直径计算，天王星是太阳系第三大行星；但若以质量计算，则比海王星轻而排行第四。天王星的命名，是取自希腊神话的天神乌拉诺斯。l海王星，太阳系九大行星中的第八个，是一个巨行星。海王星是第一个通过天体力学计算后被发现的行星。因为天王星的轨道与计算的不同，1845年约翰可夫亚当斯和埃班勤维叶推算了在天王星外的一个未知行星可能的位置。1846年9月23日柏林天文台台长约翰格弗里恩盖尔真的在这个位置发现了一颗新的行星：海王星。 目前海王星是太阳系内离太阳最远的行星。海王星的名字是罗马神话中的海神涅普顿（Neptune）。 l水星上的温差是整个太阳系中最大的，温度变化的范围为90开到700开。相比之下，金星的温度略高些，但更为稳定。ll世纪末的天文学家猜测，在海王星的轨道范围之外，还应该有一个未知天体，它的引力干扰着天王星的运动。 l当冥王星于年首次被人们观测到时，它很快就被认定为预测中的那颗未知行星，从而成为太阳系第九大行星。但多年来，冥王星的行星地位一再受到质疑。1930年，洛厄尔天文观测台宣布观测到冥王星，他们称该行星的体积比地球大数倍。很快，冥王星作为太阳系第九颗行星进入教科书。但冥王星的发现者美国人克莱德汤博当时错估了冥王星的质量。随着现代天文观测仪器的不断升级 ,人们对宇宙的认识也是日新月异。尤其是“柯伊伯带（KuiperBelt）”的出现直接动摇了冥王星的地位。新的观测显示，冥王星实际上是一块比月球小的岩石.l与其他颗行星相比，冥王星显得过于特别。它非常小，比许多其他行星的卫星还小，比如月球。更糟糕的是，过于小的体积和质量使冥王星根本无法对天王星轨道造成明显影响，因而无法满足天文学家最初的期望。l冥王星还有着与众不同的公转轨道。其他行星的轨道平面都与黄道平面（地球轨道平面）基本一致，冥王星的轨道平面却与黄道平面呈很大夹角。其他行星的轨道几乎是完美的圆形，而冥王星的轨道是一个有很大偏心率的椭圆形，其近日点和远日点与太阳的距离相差亿公里之多。2006年8月日在捷克首都布拉格,国际天文学联合会大会投票决定，不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”。大会通过的决议规定，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被自动降级为“矮行星”。 太阳系家谱：太阳、行星、矮行星、太阳系小天体。行星:成员包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。定义：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。矮行星:成员包括冥王星和谷神星等。定义：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。太阳系小天体定义：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。l太阳的大气层次由里到外依次是：光球层、色球层、日冕。 太阳的内部结构由里到外分为核反应区、辐射区、对流区。光球层-我们平时看到的光亮圆盘。色球层和日冕层亮度太小，只能在日全食时才能看到。日冕-太阳最外层大气,日全食时成银白色。极光的成因机理：极光是磁层将进入高空大气的太阳风粒子流，汇聚成电子束，打入极区高空大气层时，激发大气的分子原子发光的现象。色球层-平时淹没在蓝天中,日全食时可看到玫瑰色光环,即为此层。光球层-平日看到的太阳圆面即是此层,厚度大,不透明,有米粒组织,光斑,太阳黑子。太阳活动的标志-太阳黑子活动周期为11年。日核-藉氢的核聚变反应,产生大量热能,温度高,密度大,产生的能量辐射到表层,需几千万年时间射电望远镜与光学望远镜不同，它既没有高高竖起的望远镜镜简，也没有物镜、目镜，它由天线和接收系统两大部分组成。巨大的天线是射电望远镜最显著的标志，最常用的是抛物面天线。天线把微弱的宇宙无线电信号收集起来，然后通过一根特制的管子（波导）把收集到的信号传送到接收机中去放大。接收系统将信号放大，从噪音中分离出有用的信号，并传给后端的计算机记录下来。记录的结果为许多弯曲的曲线，天文学家分析这些曲线，得到天体送来的各种宇宙信息。l灵敏度和分辨率是衡量射电望远镜性能的两个重要指标。灵敏度是指射电望远镜最低可测的能量值，这个值越低灵敏度越高。为提高灵敏度常用的办法有降低接收机本身的固有噪声、增大天线接收面积、延长观测积分时间等。 分辨率是指区分两个彼此靠近射电源的能力，分辨率越高就能将越近的两个射电源分开。对单天线射电望远镜来说，天线的直径越大分辨率越高。但是天线的直径难于做得很大，对于波长较长的射电波段分辨率仍然很低，因此就提出了使用两架射电望远镜构成的射电干涉仪。对射电干涉仪来说，两个天线的最大间距越大分辨率越高。另外，在天线的直径或者两天线的间距一定时，接收的无线电波长越短分辨率越高。拥有高灵敏度、高分辨率的射电望远镜，才能让我们在射电波段看到更远、更清晰的宇宙天体。l宇宙有过一段由热到冷、由密到稀不断膨胀的演化史，其过程犹如一次规模极其巨大的超级大爆发。l大爆炸前：在距今大约150亿年前，今天所观测到的全部物质世界都集中在一个温度极高，密度极大的很小的范围。大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为10000亿度，其物质的主要成分为轻粒子（如光子、电子或中微子），质子和中子只占十亿分之一，所有这些粒子都处于热平衡状态。l大爆炸：由于整个体系在快速膨胀，温度很快下降。大爆炸后0.1秒，温度下降到300亿度，中子与质子之比从1下降到0.61。1秒钟后，温度下降到100亿度。随着密度减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸，电子-正电子对开始发生湮没反应，中子与质子之比进一步下降到0.3。但这时由于温度还太高，核力仍不足以把中子和质子束缚在一起。大爆炸后期：大爆炸后13.8秒，温度降到30亿度，这时，质子和中子已可形成像氘、氦那样稳定的原子核。35分钟后，温度降到3亿度，核过程停止。但由于温度还很高，质子仍不能和电子结合形成中性原子。原子是在大爆炸后约30万年才开始形成的，这时的温度已跌到3000度，化学结合作用已足以将绝大部分自由电子束缚在中性原子内。l大爆炸后现状：经过约150亿年的不断膨胀、冷却，目前可观测宇宙的范围已达150亿光年，其物质平均密度只有21031克/厘米3，即每立方米空间只能分摊到一个氢原子。今天的宇宙与诞生极早期的宇宙相比，其尺度差异为1061量级，密度差异为10124量级，温度差异为1032量级。支持大爆炸学说的证据：(1) 星系奔离(Vesto Slipher, Edwin Hubble) (2) 宇宙中氦元素的丰度 (Abundances) (3) 3K宇宙微波背景辐射(Penzias and Wilson) l1929年，在斯赖佛发现谱线红移现象的基础上，哈勃结合自己的观测资料，提出星系距离越远，红移越大，也就是说，越远的星系正以越快的速度飞驰而去，这被称为“哈勃定律”。表象 ：星系奔离。实际 ：星系间的时空增加l科学家们通常用一类元素在被测样品中的百分含量表示这类元素在样品中的多寡。这类元素的百分含量也就是它的丰度。科学家们发现，自然界中氦含量约占宇宙物质质量的23。目前在宇宙各个方位各个区域观测到的氦丰度都在23左右。这一观测结果很难用恒星演化理论的元素生成来解释。所以我们可以认为，氦元素的丰度在宇宙的每个地方都大致相同而且达到23那样大，必然和宇宙的行为有关，必然和宇宙的起源有关，氦丰度必定包含着与宇宙起源有关的信息。事实上，科学家们利用热大爆炸宇宙模型给出的宇宙演化理论，经过精确计算，得到宇宙的氦丰度值恰好等于23，还得出今天观测到的氦丰度在宇宙早期就形成的结论(宇宙大爆炸后的第189秒后形成)。所以我们说，氦丰度的观测事实与热大爆炸宇宙理论计算非常一致。 如果宇宙始于遥远过去的某种既热且密的状态，那么就应该留下某种从这个爆发式的开端洒落的辐射。l大爆炸证据：1964年，彭齐亚斯和威尔逊用射电天文望远镜在太空中发现了“大爆炸的遗物-残余辐射” 3K宇宙微波背景辐射，证实了“大爆炸”理论的正确性，因此获得了1978年诺贝尔奖学金。 l磁单极问题是极早期宇宙视界尺度过小造成的。大统一时期的视界尺度膨胀到今天也不过成为一个大小为100公里的区域。只要宇宙在较早的时期膨胀较快，那么也许就能使视界那样大小的区域膨胀为今天的可见宇宙的具有的尺度。这就是暴胀宇宙假说所提议的内容。宇宙在极早期经历一个短暂的加速膨胀 （“暴胀”）阶段，这个阶段时间极短从10-35秒加速到10-33秒。如果出现这种加速，磁单极将不复存在。暴胀宇宙结论之一：宇宙中大部分物质必须以某中不发光的形式存在暗物质，也许以极暗的星、或岩石、气体、尘埃、以及其他小碎片的形式存在恒星和星系之间，它们为介入形成发光恒星的过程。大爆炸的结局：大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争，爆炸产生的动力是一种斥力，它使宇宙中的天体不断远离；天体间又存在万有引力，它会阻止天体远离，甚至力图使其互相靠近。l大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀，还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小？宇宙归宿理论依据：引力和斥力之争决定宇宙的结局，引力的大小与天体的质量有关，这完全取决于宇宙中物质密度的大小。理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度，宇宙就会一直膨胀下去，称为开宇宙；要是物质的平均密度大于临界密度，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。宇宙中物质的密度，决定了引力的大小。物质密度大，引力就大；物质密度小，引力就小。物质密度的大小，如果超过了一个临界值，就会发生质的变化。依据大爆炸宇宙学，宇宙的未来只有两种命运：继续膨胀或坍缩。目前的观测表明宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”，但由于宇宙中存在着许多暗物质，也许还存在一些我们尚不十分明了的原因，在遥远的未来，它会不会坍缩，还是一个未解之谜。 恒星演化末期将出现三类天体：白矮星、中子星和黑洞。 白矮星：恒星在核能耗尽后，如它的质量小于1.2个太阳质量就将成为白矮星。恒星在核能耗尽后，如质量超过3.2太阳质量，则平衡状态不再存在，星体将无限制地收缩，星体的半径愈来愈小，密度愈来愈大，终于达到临界点，这时它的引力之大足以使一切核子，包括光子，都不能外逸，就象一个漆黑的无底洞，因而称为“黑洞”。黑洞 黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦进入该区域，便永远不能出来。黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，能使邻近处时空弯曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至光线也不能幸免。黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。黑洞的主要特征是：1.这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质。一些物质在它周围运行，轨迹会发生变化，形成圆形的气体尘埃环；2.它有很大的能量，可以发出极强的各类射电辐射；3.由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。黑洞与白洞白洞与黑洞是相通的，它们之间有一条通道，叫做“蛀洞”。正是这条通道，把黑洞吸集的物质，运到白洞喷发出去。美国天文学家认为，蛀洞这一通道可能使我们与其它的宇宙相连。 白洞是怎样形成的呢？著名的英国天体物理学家霍金认为，白洞有“自发蒸发”现象，它会使白洞质量减小。小白洞在很短的时间内就蒸发干净，大白洞则需要时间较长才可蒸发干净。蒸发过程中，质量不断减少，且随质量的减少加速蒸发。最后发生一种反收缩方式的猛烈爆发，这与黑洞很类似。总的来说，白洞和蛀洞还只是广义相对论的一个数学结果，还未得到证实，而且就理论自身来看，也还有许多问题要解决。 牛顿黑洞如果把光子看成是质量为m=hn/c2的质点，当R再小一点时，连光子也无法脱离这一天体。相反地，无论质点或光子，凡是射向这一天体的，都会落到天体上，这样，责一天体就成为一个黑体史瓦西黑洞因为它只吸收而不辐射（这正是黑的定义），好象天空出现了一个半径为R的洞，什么东西都可以掉进去，但什么东西也出不来，所以这类天体被称为黑洞。远处观察者观测到光谱线的引力红移在恒星坍缩过程中，随着R逐渐减小，恒星逐渐变红。当R=rg时，此时远处观察者发现恒星的光谱线已经向红移端移动到无限远处。故称球面R=rg为无限红移面，史瓦西黑洞的无限红移面和视界是同一个面，常称史瓦西面。物理上黑洞的描述只有三个物理量：质量 角动量电荷 可称“三毛”按此物理量分类： 1.克尔纽曼黑洞，三者都有 2.克尔黑洞，无电荷 3.莱斯纳黑洞，无角动量 4.西瓦兹黑洞，只有质量黑洞四定律黑洞是一个动力学系统，能够施力和受力，能够吸收和提供能量，即会随时间演化。视界面的面积：R2shM2，表面引力gGM/R2sh1/M，是前述三个物理量的函数。第零定律：平衡态黑洞视界上的所有点都有同样的表面引力，即g是个常数。（对应温度T ）。第一定律：黑洞的演化过程中，质能守恒。第二定律：黑洞的表面积是随时间增大（对应熵S）。第三定律：不能通过有限的物理过程使黑洞的表面引力g变成零。黑洞的性质(1) 黑洞的无毛定理 从黑洞那里得不到任何信息，包括光讯号。 黑洞长着三根毛 黑洞有质量M、 自转角动量J、 带有电荷Q (2) 黑洞具有负的热容量或比热 如果高温物体A、物体低温B的热容量皆为正，则A由于放热，温度下降；B由于吸热而温度上升。最后A、B之间建立起热平衡。如果设A、B的热容量皆为负，当热量从A 传到B 时，A 的温度反而更加高，B 吸热后温度会更低，二者温差愈来愈悬殊，永远不可能建立热平衡。 黑洞正是这种具有负热容量的怪物。如果一个黑洞和一个正热容量的环境进行热交换，则黑洞一面向周围提供热量，使环境温度升高，一面也使自己的温度同时升高，它温暖了别人，也温暖了自己！如果真有这样一种负热容量的材料，若用它来做一个“热水袋”温手，那么用不着盛热水，这个袋子倒会越用越暖和。(3) 时空互换：在黑洞里面，时间和空间变得面目全非，它们相互交换，时间摇身一变成了空间，空间也乔装改扮成了时间 。(4)黑洞的蒸发: 运用量子理论，英国物理学家史蒂芬霍金提出了黑洞的量子论，指出黑洞里的粒子不是绝对不能逃出来的，它可以通过一种量子隧道过程蒸发出来，这称为黑洞的蒸发。3、怎样探测黑洞(1) 引力效