2020年新版高中物理竞赛辅导课件第16章 物理学课外知识 .ppt
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- 2020年新版高中物理竞赛辅导课件第16章 物理学课外知识 2020 新版 高中物理 竞赛 辅导 课件 16 物理学 课外 知识
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1、 离子推进器安装在同步卫星上,可以使卫星保持适当的方位离子推进器安装在同步卫星上,可以使卫星保持适当的方位并处在指定的轨道上。离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高并处在指定的轨道上。离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速粒子流,金属高压输电网对离子流施加静电引力,离子流获得加速速粒子流,金属高压输电网对离子流施加静电引力,离子流获得加速度,加速后的离子使推进器获得时速高达度,加速后的离子使推进器获得时速高达143201km143201km的速度,推动航天的速度,推动航天器前进。器前进。离子推进器离子推进器 1880年居里兄弟发现石英晶体被外力压缩或拉伸时,年居里兄弟发现石英晶体被外力压
2、缩或拉伸时,在石英的某些相对表面上会产生等量异号电荷,例如,当在石英的某些相对表面上会产生等量异号电荷,例如,当石英晶体受到石英晶体受到0.1MPa的压强时,其两表面因极化能产生约的压强时,其两表面因极化能产生约0.5V的电势差。这一现象被称为压电效应,产生压电效应的电势差。这一现象被称为压电效应,产生压电效应的物体称为压电体。的物体称为压电体。压电体压电体 产生压电效应的电介质除了石英、电气石外,还有酒产生压电效应的电介质除了石英、电气石外,还有酒石酸钾钠(石酸钾钠(NaKC4H4O6.4H2O)等单晶以及钛酸钡等单晶以及钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅、锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3
3、,代号,代号PZT等另一类等另一类压电晶体,称为压电陶瓷。压电晶体,称为压电陶瓷。利用压电效应制成的晶体点火器普遍用在了打火机、煤气灶及火利用压电效应制成的晶体点火器普遍用在了打火机、煤气灶及火花塞中,可以说,压电效应在我们日常生活中是随处可见的。花塞中,可以说,压电效应在我们日常生活中是随处可见的。压电陶瓷片压电陶瓷点火器等离子体简介等离子体简介 随着物质系统温度的不断升高,处在固态的物质就会转变为液态,继随着物质系统温度的不断升高,处在固态的物质就会转变为液态,继而变为气态,物质分子排列的有序程度就逐渐降低。如果继续给气态加热,使而变为气态,物质分子排列的有序程度就逐渐降低。如果继续给气态
4、加热,使得原子的动能超过原子的电离能,就会使气体发生电离,形成正离子、电子和得原子的动能超过原子的电离能,就会使气体发生电离,形成正离子、电子和中性原子的混合物。大多数气体达到中性原子的混合物。大多数气体达到10000K10000K以上时已经高度电离,这时系统与以上时已经高度电离,这时系统与普通的气态有着明显的区别,普通的气态有着明显的区别,19291929年,美国的朗默尔年,美国的朗默尔(Langmuir)(Langmuir)将它取名为将它取名为“Plasma”Plasma”,译名为,译名为“等离子体等离子体”。等离子体等离子体 等离子体还有许多有趣的电磁学性质,由于等离子体是良导体,所以等
5、离子体还有许多有趣的电磁学性质,由于等离子体是良导体,所以其内部不能有电场存在,但可以有磁场。但是因为变化的磁场会产生电场,所其内部不能有电场存在,但可以有磁场。但是因为变化的磁场会产生电场,所以等离子体内的磁场不能发生改变。这种现象称为磁场在等离子体内的冻结。以等离子体内的磁场不能发生改变。这种现象称为磁场在等离子体内的冻结。由于磁场冻结在等离子体中,所以当等离子体在磁场中运动时,它能带动和推由于磁场冻结在等离子体中,所以当等离子体在磁场中运动时,它能带动和推挤磁场,产生磁声波。挤磁场,产生磁声波。宇宙中宇宙中99.9%99.9%以上的物质是处在以上的物质是处在等离子态等离子态。例如太阳、恒
6、星就是等离子体,只有行星和某些星际物质和例如太阳、恒星就是等离子体,只有行星和某些星际物质和微尘云是处在气液固三态,而这只是宇宙中极小的一部分。在地微尘云是处在气液固三态,而这只是宇宙中极小的一部分。在地i i球球上,闪电、极光、大气电离层也是等离子体,霓虹灯发出的辉光、上,闪电、极光、大气电离层也是等离子体,霓虹灯发出的辉光、电焊时闪烁的电弧、火箭喷出的火焰、核爆炸产生的火球云等则是电焊时闪烁的电弧、火箭喷出的火焰、核爆炸产生的火球云等则是人工产生的等离子体人工产生的等离子体。太阳太阳极光极光核爆炸核爆炸 磁悬浮技术简介磁悬浮技术简介磁悬浮磁悬浮的主要原理是利用高频电磁场在金属中产生涡流,进
7、而产生的主要原理是利用高频电磁场在金属中产生涡流,进而产生洛伦兹力来实现悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈洛伦兹力来实现悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈内时,由于电磁感应现象,会在金属表面产生高频感应电流,并形内时,由于电磁感应现象,会在金属表面产生高频感应电流,并形成闭合回路,称为涡流。这一涡流使金属样品在磁场中受到一个洛成闭合回路,称为涡流。这一涡流使金属样品在磁场中受到一个洛伦兹力的作用。通过合理设计悬浮线圈的结构,可以使样品上洛伦伦兹力的作用。通过合理设计悬浮线圈的结构,可以使样品上洛伦兹力的合力方向与重力方向相反,在通过调节高频电源的功率使悬兹力的合力方向与重力
8、方向相反,在通过调节高频电源的功率使悬浮力与重力相等,即可实现金属样品的悬浮。浮力与重力相等,即可实现金属样品的悬浮。磁悬浮技术磁悬浮技术磁悬浮飞机磁悬浮飞机磁悬浮床磁悬浮床磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮电梯磁悬浮电梯 全息摄影简介全息摄影简介 全息照相是以干涉、衍射等波动光学理论为基础的无透镜拍摄,底片上所全息照相是以干涉、衍射等波动光学理论为基础的无透镜拍摄,底片上所记录的是物体所发光波的全部信息(包括振幅和相位),因而可以再现物记录的是物体所发光波的全部信息(包括振幅和相位),因而可以再现物体逼真的立体形象。同时全息图中的每一个局部都包括了物体整体的光信体逼真的立体形象。同时全息图中的每一个
9、局部都包括了物体整体的光信息,因此,如果底片有缺损,也不会影响完整物像再现。息,因此,如果底片有缺损,也不会影响完整物像再现。全息摄影全息摄影 全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。例如:全息电全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。例如:全息电影和全息电视,全息储存及全息显示等。除光学全息外,还发展了红外、微波、影和全息电视,全息储存及全息显示等。除光学全息外,还发展了红外、微波、超声全息术,这些全息技术在军事侦察或监视上具有重要意义。如对可见光不超声全息术,这些全息技术在军事侦察或监视上具有重要意义。如对可见光不透明的物体,往往对超声波透明的物体,往往对超声波“透明透
10、明”,因而超声全息可用于水下侦察和监视,因而超声全息可用于水下侦察和监视,也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。全息照片全息照片全息照片全息照片日本研发全息电视:用激光日本研发全息电视:用激光投射飘浮图像投射飘浮图像日本研发的全息立体投影设日本研发的全息立体投影设备备 爱因斯坦基于广义相对论和宇宙学原理之上的大爆炸宇宙模爱因斯坦基于广义相对论和宇宙学原理之上的大爆炸宇宙模型做了一个假设,说在这个世界上存在的物质中,我们已经知道的只型做了一个假设,说在这个世界上存在的物质中,我们已经知道的只占占5%5%,还有,还有25%25%的物质叫黑物质(的物质叫黑物质(da
11、rk matterdark matter也称为暗物质),人类也称为暗物质),人类根本看不到,然后还有根本看不到,然后还有70%70%的物质是黑能量(的物质是黑能量(dark energydark energy或称为暗能或称为暗能量)。量)。黑物质和黑能量黑物质和黑能量 黑物质是不发光的,但是它有显著的引力效应。比如,对于黑物质是不发光的,但是它有显著的引力效应。比如,对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度,如果物质存在的区域一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度,如果物质存在的区域和光存在的区域一样,由牛顿引力理论可知,距离中心越远,速度应和光存在的区域一样,由牛顿引力理论可知,距离中
12、心越远,速度应该越小,可是天文观测事实不是这样,这就说明其中有看不见的黑物该越小,可是天文观测事实不是这样,这就说明其中有看不见的黑物质。质。2011 2011年年,诺贝尔物理学奖授予美国科学家诺贝尔物理学奖授予美国科学家索尔索尔珀尔马特、澳大利亚科学家布赖恩珀尔马特、澳大利亚科学家布赖恩施密施密特和美国科学家亚当特和美国科学家亚当里斯,以表彰他们里斯,以表彰他们“通过通过观测遥远的超新星而发现宇宙正在加速扩张观测遥远的超新星而发现宇宙正在加速扩张”这这一成就。一成就。早在早在19981998年,珀尔马特领导的超新星宇宙年,珀尔马特领导的超新星宇宙学研究小组,以及施密特和里斯领导的超新星研学研
13、究小组,以及施密特和里斯领导的超新星研究小组就分别发表论文,宣布宇宙在加速膨胀这究小组就分别发表论文,宣布宇宙在加速膨胀这一惊人结论。通常认为,宇宙是在以一个恒定的一惊人结论。通常认为,宇宙是在以一个恒定的速度膨胀。但他们通过对爆炸的超新星的研究,速度膨胀。但他们通过对爆炸的超新星的研究,发现这些超新星的发光度要小于按照原先给定的发现这些超新星的发光度要小于按照原先给定的宇宙膨胀速率计算出的数值,这说明超新星离地宇宙膨胀速率计算出的数值,这说明超新星离地球的距离要比想象得远,也说明宇宙在球的距离要比想象得远,也说明宇宙在“暗能量暗能量”的影响下在加速扩张。他们的发现第一次提出了的影响下在加速扩
14、张。他们的发现第一次提出了“暗能量暗能量”存在的令人信服的证据。存在的令人信服的证据。索尔索尔珀尔马特珀尔马特 扫描隧道显微镜简称扫描隧道显微镜简称STM(scanning tunneling microscope)是目前是目前放大率最高的显微镜之一,其分辨率为一个原子的限度,用它可以放大率最高的显微镜之一,其分辨率为一个原子的限度,用它可以“看见看见”物质表面原子的分布细节,再现表面原子重新排列的时间过物质表面原子的分布细节,再现表面原子重新排列的时间过程等。这些是光学显微镜及电子显微镜望尘莫及的。程等。这些是光学显微镜及电子显微镜望尘莫及的。STM的特点是不用光源也不用透镜,其显微部件是一
15、枚细而尖的金的特点是不用光源也不用透镜,其显微部件是一枚细而尖的金属(如钨)探针。它的工作原理是量子隧道效应。属(如钨)探针。它的工作原理是量子隧道效应。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 由于由于STMSTM的独特优点,必然获得广泛的应用。自它发明以来的近的独特优点,必然获得广泛的应用。自它发明以来的近即使年中,不仅在物理学领域,而且在表面科学、材料科学、生命科即使年中,不仅在物理学领域,而且在表面科学、材料科学、生命科学及微电子技术等领域的研究都取得了许多令人瞩目的成就。学及微电子技术等领域的研究都取得了许多令人瞩目的成就。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜所看扫描隧道显微镜所看到的石墨
16、样品到的石墨样品由于牛顿力学在统一天上与地上万物运动方面的巨大成功,也由于当时科由于牛顿力学在统一天上与地上万物运动方面的巨大成功,也由于当时科学技术的局限,人们对自然现象受决定论规律支配这一点深信不疑,这一学技术的局限,人们对自然现象受决定论规律支配这一点深信不疑,这一思想后经法国数学家拉普拉斯概括,得出一段警示名言:思想后经法国数学家拉普拉斯概括,得出一段警示名言:“即只要有一个宇宙方程,就可以知道宇宙的一切”。混沌混沌人们过去认为,一个能用决定论描述人们过去认为,一个能用决定论描述的系统,只要初值确定,即使初值有的系统,只要初值确定,即使初值有十分微小的变动,也只会使运动状态十分微小的变
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