《高一物理必修2》6.5 宇宙航行 专题3：黑洞问题 同步专项练习

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专题 3：黑洞问题
打卡：让优秀成为习惯 整理：陈庆威
【知识方法——重点突出】
黑洞是宇宙中最为神秘的天体，在它们活动的区域内贪婪地吞噬一切物体，甚至
连光线也无法逃逸。我们无法直接观察到黑洞，只能通过黑洞吸入物质时发射出的辐
射间接地进行观察。那黑洞到底是什么天体，它跟我们的高中学习又有什么联系？
让我们一起来追寻历史吧。
1783 年，英国人约翰·米歇尔（Job Michel)第一个提出存在质量足够大并足够
紧密的恒星──它的引力是如此强大，以致连光线都不能逃逸。几年后，法国科学家
皮埃尔──西蒙·德·拉普拉斯（Piers－Simode Laplace）也在他的《世界系统》一
书中提出了和米歇尔类似的观点，但非常有趣的是，此书的第三版和以后的版本中再
也不提此事了，或许他觉得这个想法过于荒诞了。在一个多世纪以后，德国的天文学
家卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）于 1916 年求解出了爱因斯坦广义相对论方程
的第一个严格解。这个解预示可能存在一类巨大天体，这就是 60 年代后人们所称
的“黑洞”。
第一次“看到”黑洞是在 1971 年，那时通过 1970 年 12 月 12 日美国发射的小型天
文卫星“自由号”（Uhuru），发现了一个来自天鹅座区域的很强的 X 射线脉冲源，它
被命名为天鹅座 X－l，这是第一个被具体确认的黑洞。
简单地说，黑洞是质量巨大的恒星在超新星爆发后坍缩（即自身极强烈的收缩）
而成的。
我们可以把黑洞想像成一个巨大的“磨碎机”，它把吸进的物质磨碎。它的中心
被称为“磨碎点”，也就是所谓的“奇点”。在此“奇点”，科学定律和我们预测未
来的能力都失效了。黑洞的边界被称为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨
过这一界面就落入了黑洞的内部。不过假设有人不幸掉进去的话，他首先看到的是被
黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。
第一个落网的黑洞是天鹅座 X-1，它的质量是太阳的 6 倍，距地不 8000 光年。这
个黑洞的伴星是一个质量超过太阳 20 倍的蓝超巨星，它发射的气体尘埃形成一个称
为“积盘”的气体圆盘，正是这个吸积盘表明了黑洞的存在。
　　在我们的银河系内，如距地球8000 光年的 AO620-00 和尚未测出距离的GX339－
4，与麦哲伦云毗邻的两个天体 LMCX－l 和 LMCX－3 等都是黑洞。其他河外星系中同样
发现了可能的黑洞，它们以每秒千万公里的速度吸进星际气体并喷出强大的射流。
目前已知的保持最高纪录的黑洞是质量超过太阳 50亿倍、位于室女座的 M87 星系。在
这个黑洞面前，我们的星球简直是轻如鸿毛。
【例题精选——最新最全】
1．（2020·肥东县综合高中高三月考）北京时间 2019 年4月10 日，人类历史上首张黑
洞“照片”（如图）被正式披露，引起世界轰动；2020 年4月7日“事件视界望远镜
（EHT）”项目组公布了第二张黑洞“照片”，呈现了更多有关黑洞的信息。黑洞是质
量极大的天体，引力极强。一个事件刚好能被观察到的那个时空界面称为视界。例
如，发生在黑洞里的事件不会被黑洞外的人所观察到，因此我们可以把黑洞的视界作
为黑洞的“边界”。在黑洞视界范围内，连光也不能逃逸。由于黑洞质量极大，其周
围时空严重变形。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，有一部分光会落入黑洞
中，但还有另一部分离黑洞较远的光线会绕过黑洞，通过弯曲的路径到达地球。根据
上述材料，结合所学知识判断下列说法正确的是（　　）
A．黑洞“照片”明亮部分是地球上的观测者捕捉到的黑洞自身所发出的光
B．地球观测者看到的黑洞“正后方”的几个恒星之间的距离比实际的远
C．视界是真实的物质面，只是外部观测者对它一无所知
D．黑洞的第二宇宙速度小于光速c
2．（2019·安徽高二期末）北京时间 2019 年4月10 日21 点整，全世界的太空迷们翘
首以盼，人类首张黑洞照片即将揭开神秘面纱。黑洞究竟长什么样？物理和天文学者
眼里的黑洞和普通人看到的有什么不一样呢？如图甲所示是 M87 星系中心的超大质量
黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。人类首次发现的引力波就来源于距
地球之外 13 亿光年的两个黑洞互相绕转最后合并的过程。设两个黑洞 A、B绕其连线
上的O点做匀速圆周运动，黑洞 A的质量大于黑洞 B的质量，引力常量为 G，则
A．黑洞 A的轨道半径大于黑洞 B的轨道半径
B．黑洞 A的线速度一定大于黑洞 B的线速度
C．若两个黑洞间的距离为L，其运动周期为T，则两个黑洞的总质量为
M＝4π2L3
G T2
D．随着两个黑洞间的距离 L在减小，其运动的角速度在减小
3．（2019·广东高三）（多选）2019 年4月10 日，“事件视界望远镜”项目正式公布
了人类历史上第一张黑洞照片．黑洞是一种密度极大，引力极大的天体，以至于光都
无法逃逸（光速为c），所以称为黑洞．已知某星球的质量为 m，半径为R，引力常量
为G，则该星球的逃逸速度公式 v=，如果天文学家观测到距离某黑洞 r的天体
以速度 v绕该黑洞做匀速圆运动，则关于该黑洞下列说法正确的是（）
A．该黑洞质量为
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