道路千萬條，學(xué)習(xí)第一條。
開學(xué)不準(zhǔn)備，考試兩行淚。
想帶著地球逃離太陽系？
掌握知識，是拯救地球的第一步。
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2019/3/8
婦女節(jié)
●高一涂基礎(chǔ)
●高二破重難
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《流浪地球》被譽(yù)為開啟了中國科幻電影元年。為還沒有接觸物理的初一同學(xué)，打開物理的大門，先來幾道影片中涉及到的知識點(diǎn)考考大家。
《流浪地球》知識點(diǎn)測試題
? 地球自轉(zhuǎn)方向自西向東，為了使地球剎車，地球發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的“火焰”應(yīng)偏向 （選填“東”或“西”）方，這是利用了物體間力的作用是 。
? 在太陽內(nèi)部，發(fā)生 （選填“核裂變”或“核聚變”）產(chǎn)生光和熱；太陽在膨脹過程中，它的密度會 （選填“變大”“變小”或“不變”）。
? 在飛機(jī)上看到太空中反物質(zhì)炸彈擊中小行星發(fā)出的閃光，卻沒有聽到爆炸聲，負(fù)責(zé)清理它們的太空艦隊(duì)隊(duì)員能聽到爆炸聲嗎？為什么？_______________________。
? “有一天，新聞報(bào)道海在融化，于是我們?nèi)矣值胶＿吶??！边@里所說的“融化”，是物態(tài)變化中的 ，是一個(gè) 熱的過程。
下面給大家介紹一下電影中的物理知識。
這部影片根據(jù)劉慈欣同名科幻小說改編而來，講述了太陽即將死亡，即將進(jìn)入紅巨星的膨脹階段，地球即將被膨脹的太陽大氣所淹沒。在人類命運(yùn)即將面臨存亡的關(guān)頭，人類聯(lián)合政府做出了一項(xiàng)決定，將地球作為一個(gè)龐大的飛船駛離現(xiàn)有軌道，駛向距離我們最近、4.2光年的比鄰星。
從地球原有軌道到遙遠(yuǎn)的比鄰星，按照小說而言，這是一場長達(dá)2500年、需要100代人才能完成的恢弘計(jì)劃，它分為了五個(gè)階段：
人們把這五步分別稱為剎車時(shí)代、逃逸時(shí)代、流浪時(shí)代Ⅰ(加速)、流浪時(shí)代Ⅱ(減速)、新太陽時(shí)代。整個(gè)移民過程將延續(xù)兩千五百年時(shí)間，一百代人。
01
人類是否能夠讓地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)？
我們先了解一下地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量的多少。我們很容易的從網(wǎng)絡(luò)上搜索到，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能是2.24E29焦耳，這個(gè)能量非常巨大。
讓我們做一個(gè)簡單的對比，一個(gè)原子彈釋放出來的能量差不多相當(dāng)于1百萬個(gè)TNT當(dāng)量，或者就相當(dāng)于是4.2E15焦耳，而歷史上曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)過的釋放能量最強(qiáng)的大伊萬氫彈，釋放的能量差不多是5000萬TNT當(dāng)量，或者就是2.1E17焦耳，然而相比較地球的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，還是小巫見大巫了，大約相當(dāng)于1萬億（1E12）個(gè)大伊萬的氫彈同時(shí)爆炸。
按照電影所說，每個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)通過重核聚變能夠產(chǎn)生150萬億噸的推力（而現(xiàn)在的航天飛機(jī)的推力大約在2000萬牛頓，也就是未來的推力大約是現(xiàn)在推力的100億倍）。
應(yīng)用到地球質(zhì)量上，產(chǎn)生的加速度是0.00000025 （或者2.5E-7）米/秒2。在赤道附近的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大約就是每秒460米。對于一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如果能夠持續(xù)不斷的產(chǎn)生反推力，那么也需要21857天（大約60年）的時(shí)間才能夠讓地球停止。
《流浪地球》中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)
02
一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，將會發(fā)生什么？
如果地球一旦停止轉(zhuǎn)動(dòng)，那么地球上將會發(fā)生什么樣的變化呢？
最直接的一個(gè)效應(yīng)就是沒有了轉(zhuǎn)動(dòng)，目前地球上幾乎所有的大陸都會被海洋所淹沒，這一點(diǎn)的確在電影當(dāng)中有所提及，原因很簡單。在地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)殡x心力的緣故，作為液態(tài)的海洋會朝向赤道附近聚集，所以一旦地球停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這些水會向兩極流動(dòng)，從而造成大陸被淹沒。
電影中，幸存的35億人，被迫遷入地下城
值得指出的是，即使對于赤道附近的唯一大陸，也是充滿了很多危險(xiǎn)。
在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，同樣是因?yàn)殡x心力的作用，地球的赤道地殼會顯得更為突出一點(diǎn)，然而在沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，那么赤道附近缺少離心力，所以很可能會導(dǎo)致板塊坍縮，從而引發(fā)一系列的全球地震或者海嘯。
因?yàn)闆]有了轉(zhuǎn)動(dòng)，地球?qū)泄潭ǖ囊幻娉蛱?，另外一面而將一直處于黑夜?dāng)中，就仿佛我們在南極或者北極所經(jīng)歷的極晝或者極夜那樣。盡管有地球大氣的存在，但是遠(yuǎn)離太陽的一面，還是會因?yàn)殚L期得不到太陽的照射，從而溫度變得很低，不太適合生命的存在。
電影劇照
盡管我們對于磁場的產(chǎn)生機(jī)制并不是非常的清楚和確定，一種流行的說法就是因?yàn)榈厍蛲鈿雍蛢?nèi)核之間的轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致的。如果地球自轉(zhuǎn)停止，而且兩個(gè)區(qū)域都停止，那么地球磁場有可能會突然消失。
而沒有了磁場，太陽風(fēng)能夠不受任何阻礙，長驅(qū)直入進(jìn)入地球大氣，從而在全球各個(gè)地方形成我們所說的極光，不過更為重要的是，地球大氣有可能逐漸損失掉。
如果地球沒有了磁場，那么我們的地球也將經(jīng)歷這樣的遭遇。目前，正是地球的磁場保護(hù)了我們?nèi)祟?，使得我們免受太陽風(fēng)的沖擊。
03
脫離木星引力的方法合理嗎？
整部電影所展現(xiàn)的一個(gè)主題就是如何擺脫木星的“剛性洛希極限“點(diǎn)。這其實(shí)就是“流浪地球計(jì)劃”的第三個(gè)“先流浪階段“。
其實(shí)在電影當(dāng)中，聯(lián)合政府本來想通過一種叫做引力彈弓(gravitational slingshot)的效應(yīng)，使用木星對地球進(jìn)行加速，沒想到部分行星發(fā)動(dòng)機(jī)失效，導(dǎo)致地球被木星吸引而逐漸進(jìn)入木星的剛體洛希極限，出現(xiàn)了電影當(dāng)中所呈現(xiàn)的災(zāi)難。
電影中，地球逐漸被木星吸引
其實(shí)引力彈弓效應(yīng)在探測器飛行中被廣泛使用，通常被當(dāng)做一種節(jié)省能源的加速方式，旅行者一號就是利用木星和土星兩次引力加速，才得以逃出太陽系。
這個(gè)效應(yīng)的原理其實(shí)非常簡單，因?yàn)樾行潜旧硪苍趪@太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，所以當(dāng)行星吸引探測器或者其它天體的同時(shí)，就實(shí)際上賦予了探測器或者其它天體一部分速度，當(dāng)探測器或者其它天體逃離出去的時(shí)候，就相當(dāng)于被加速了。
我們可以舉一個(gè)簡單的類似例子來理解。如果我們站在靜止的地面上向運(yùn)動(dòng)的火車頂上扔一個(gè)網(wǎng)球，在網(wǎng)球被彈起來的時(shí)候，地面上靜止的人看到網(wǎng)球的速度，其實(shí)就是火車速度和網(wǎng)球原來速度的疊加。所以當(dāng)天體從某個(gè)行星周圍逃離的時(shí)候，其實(shí)就是本來的速度和天體速度的疊加。
接下來我們再來簡單解釋一下電影中出現(xiàn)的另外一個(gè)燒腦名詞：剛體洛希極限。
簡單說來，就是一個(gè)類似地球的巖質(zhì)天體被木星的潮汐力撕碎的極限半徑。因?yàn)榫嚯x木星很近，在靠近木星和遠(yuǎn)離木星的地球表面上會感受到不一樣的木星引力，我們把這種力的差別稱之為潮汐力。
我們可以想象一下，距離木星越來越近的情況下，這種潮汐力會變得越大。在靠近木星一定距離時(shí)，大到一定程度時(shí)，整個(gè)地球就會被撕裂，這個(gè)特殊的臨界距離被科學(xué)家們稱之為剛體洛希極限。
所以我們可以想象，一旦地球跨過了這個(gè)點(diǎn)之后，地球會被粉碎，地球上的人類肯定無一生存，流浪地球的計(jì)劃也將隨之破滅。而按照電影當(dāng)中所言，這也是為什么聯(lián)合政府看到地球即將跨過洛希極限點(diǎn)的時(shí)候，就已經(jīng)打算放棄地球，而保留了太空站，讓太空站成為人類文明生存的諾亞方舟。
接下來再讓我們看一下電影當(dāng)中讓地球擺脫木星引力的場景：在地球即將進(jìn)入木星的洛希極限點(diǎn)之前，地面上的救援隊(duì)試圖用所有行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量集中到其中一個(gè)，然后去噴射點(diǎn)燃木星的大紅斑，不過因?yàn)椴糠职l(fā)動(dòng)機(jī)沒有完全工作，所以總共7萬公里的距離還差5000公里才能得以點(diǎn)燃。
在這涉及地球存亡的緊急關(guān)頭，吳京所扮演的宇航員劉培強(qiáng)駕駛著空間站在粒子流當(dāng)中爆炸，空間站攜帶的巨大能源彌補(bǔ)了行星發(fā)動(dòng)機(jī)的能量不足，最終木星大紅斑被成功點(diǎn)燃，產(chǎn)生劇烈的沖擊波，這股來自于木星的氣體巨浪將地球從木星周圍推走，避免了被木星引力撕碎的危險(xiǎn)。
吳京飾演的宇航員劉培強(qiáng)即將做出抉擇
木星大紅斑中的氫可能被點(diǎn)燃嗎？木星的氣體沖擊波真可能將地球推走嗎？
簡單的答案就是這兩個(gè)情形都不太可能發(fā)生。如果要想讓大紅斑中的氫燃燒，需要地球有充分的氧氣混合。不是被木星吸積的地球大氣中包含有大量氧氣么？
但是需要知道，即使包含有氧氣的地球大氣在吸積到木星表面的時(shí)候，因?yàn)闀r(shí)間很很短，也不會和氫氣均勻混合，所以產(chǎn)生大規(guī)模燃燒的可能性非常小。假若可以燃燒發(fā)生爆炸，產(chǎn)生非常強(qiáng)的沖擊波，也不太可能對地球本身產(chǎn)生極大的影響。
無論如何，地球的流浪之路會是非常艱辛。不過我們需要知道，在整個(gè)人類面臨危機(jī)的時(shí)候，將地球整個(gè)當(dāng)做一個(gè)飛船移走，是一個(gè)非常大膽且富有想象的想法，盡管從科學(xué)的角度來看，在可以預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，人類的能力無法實(shí)現(xiàn)。不過電影作為一門藝術(shù)，它不完全是生活或者科學(xué)的完全再現(xiàn)，所以盡管這部電影當(dāng)中包含了許多不科學(xué)的想象，但是依舊需要我們?yōu)橹恼?。科學(xué)是人類進(jìn)步的動(dòng)力，而想象則為人類進(jìn)步指明了方向。
