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A专题八怎样挖掘隐含条件

专题八怎样挖掘隐含条件

概述

高考物理试题对考生而言,突破的难点不仅在于某些综合命题中物理过程的复杂多变,更在于各类档次试题中物理条件的隐散难寻,常使考生深感“条件不足”而陷于“一筹莫展”的境地。

隐含条件的挖掘能有效检验考生分析问题解决问题的能力,因此一直是高考命题的热点。

教学目标:

1.通过专题复习,掌握挖掘隐含条件的常用方法和思维过程,提高学生分析问题、解决问题的能力。

2.培养认真审题、善于分析推敲关键词语,从物理模型、物理现象、物理过程、物理变化和临界状态中去寻找挖掘隐含条件的良好习惯。

教学重点:

通过专题复习,掌握挖掘隐含条件的常用方法和思维过程,提高学生分析问题、解决问题的能力。

教学难点:

培养认真审题、善于分析推敲关键词语,从物理模型、物理现象、物理过程、物理变化和临界状态中去寻找挖掘隐含条件的良好习惯。

教学方法:

讲练结合,计算机辅助教学

教学过程:

一、知识概要

如何迅速识破高考命题中的隐含条件,选择物理过程遵循的物理规律,简洁高效地完成解题,集中体现了考生的综合分析能力.在平常解题中养成通过审题仔细分析推敲关键词语,从物理模型、物理现象、物理过程、物理变化和临界状态中去寻找挖掘隐含条件的良好习惯.就命题中条件的隐含形式通常表现为以下几种方式:

1.隐含在题给的物理现象中

题设的条件中必然反映若干物理现象,这些现象本身就包含了解题所需的已知条件.深刻领会物理现象的含义、产生原因和条件是获取已知条件的关键.例:

“宇航员在运行的宇宙飞船中”示意宇航员处于失重状态,“通迅卫星”示意卫星运行角速度或周期与地球的相同,即同步,“导体处于平衡状态”示意物体是等势体,内部场强为零……

2.隐含在物理模型的理想化条件中

在试题中常将理想化条件隐含在有关词语或题意中,需要运用理想模型去捕捉和挖掘.如质点和点电荷,都不计其形状和大小;轻质弹簧即不计其重;光滑表面即不计其摩擦;理想变压器即不计功率损耗等

3.隐含在临界状态中:

当物体由一种运动(或现象、性质)转变成另一种运动(或现象、性质)时,包含着量变到质变的过程,这个过程隐含着物体的临界状态及其临界条件,需通过分析、推理来挖掘

4.隐含在题设附图中:

许多物理试题的部分条件常隐含于题设图形中及图形的几何性质中,需考生通过观察、分析予以挖掘和发现

5.隐含于常识中:

许多物理试题某些条件由于是人们的常识而没有在题中给出,造成所求量与条件之间一种比较隐蔽的关系,需考生据题意多角度分析,展开联想,深刻挖掘,根据一些常识,提取或假设适当的条件和数据,以弥补题中已知条件中的不足进而达到解题目的

二、考题回顾

1.(01年上海)如图所示为高速公路上用超声测速仪测车速的示意图,测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收到信号间的时间差,测出被测物体速度,图中P1、P2是测速仪发出的超声波信号,n1、n2分别是P1、P2被汽车反射回来的信号,设测速仪匀速扫描,P1,P2之间的时间间隔Δt=1.0s,超声波在空气中传播的速度是340m/s,若汽车是匀速行驶的,则根据图B可知汽车在接收P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是___m,汽车的速度是_____m/s.

解析:

本题首先要看懂图中标尺所记录的时间每一小格相当于多少:

由于P1P2之间时间间隔为1.0s,标尺记录有30小格,故每小格为1/30s,其次应看出汽车两次接收(并反射)超声波的时间间隔:

P1发出后经12/30s接收到汽车反射的超声波,故在P1发出后经6/30s被车接收,发出P1后,经1s发射P2,可知汽车接到P1后,经t1=1-6/30=24/30s发出P2,而从发出P2到汽车接收到P2并反射所历时间为t2=4.5/30s,故汽车两次接收到超声波的时间间隔为t=t1+t2=28.5/30s,求出汽车两次接收超声波的位置之间间隔:

s=(6/30-4.5/30)v声=(1.5/30)×340=17m,故可算出v汽=s/t=17÷(28.5/30)=17.9m/s.

2.(99上海)天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度远离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀,不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr,式中H为一恒量,称为哈勃常数,已由天文观测测定。

为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个爆炸的大火球开始形成的,大爆炸后各星体即以各自不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心。

由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式为T=。

根据近期观测,哈勃常数H=3×10-2m/s﹒光年,由此估算宇宙的年龄约为年。

解析:

本题涉及关于宇宙形成的大爆炸理论,是天体物理学研究的前沿内容,背景材料非常新颖,题中还给出了不少信息。

题目描述的现象是:

所有星体都在离我们而去,而且越远的速度越大。

提供的一种理论是:

宇宙是一个大火球爆炸形成的,爆炸后产生的星体向各个方向匀速运动。

如何用该理论解释呈现的现象?

可以想一想:

各星体原来同在一处,现在为什么有的星体远,有的星体近?

显然是由于速度大的走得远,速度小的走的近。

所以距离远是由于速度大,v=Hr只是表示v与r的数量关系,并非表示速度大是由于距离远。

对任一星体,设速度为v,现在距我们为r,则该星体运动r这一过程的时间T即为所要求的宇宙年龄,T=r/v

将题给条件v=Hr代入上式得宇宙年龄T=1/H

将哈勃常数H=3×10-2m/s·光年代入上式,得T=1010年。

点评:

有不少考生遇到这类完全陌生的、很前沿的试题,对自己缺乏信心,认为这样的问题自己从来没见过,老师也从来没有讲过,不可能做出来,因而采取放弃的态度。

其实只要静下心来,进入题目的情景中去,所用的物理知识却是非常简单的。

这类题搞清其中的因果关系是解题的关键。

3.(2000年上海)两木块自左向右运动,现用高速摄影机在同一底片上多次曝光,记录下木块每次曝光时的位置,如图所示.连续两次曝光的时间间隔是相等的.由图可知()

A.在时刻t2以及时刻t5两木块速度相同

B.在时刻t3两木块速度相同

C.在时刻t3和时刻t4之间某瞬时两木块速度相同

D.在时刻t4和时刻t5之间某瞬时两木块速度相同

命题意图:

考查获取信息、处理加工信息的能力及挖掘隐含条件的能力。

错解分析:

考生思维缺乏深刻性,无法从图片信息中获取各时刻木块的位置关系,挖掘出隐含条件(上面木块做匀变速直线运动,而下面木块匀速运动),进而无法求解两木块对应各时刻速度从而完成对比判断。

解题方法与技巧:

设连续两次曝光的时间间隔为t,记录木块位置的直尺最小刻度间隔长为l,由图可以看出下面木块间隔均为4l,木块匀速直线运动,速度v=

.上面木块相邻的时间间隔时间内木块的间隔分别为2l、3l、4l、5l、6l、7l,相邻相等时间间隔t内的位移之差为Δl=l=恒量.所以上面木块做匀变速直线运动,它在某段时间的平均速度等于中间时刻的瞬时速度得t2、t3、t4、t5时刻的瞬时速度分别为:

v2=

=

;v3=

=

v4=

=

;v5=

=

可见速度v=

介于v3、v4之间,选项C正确。

三、典题例析

1.条件隐含于物理概念中

物理概念是解决问题的依据之一,有些题的部分条件隐含于相关概念的内涵中,于是,可从概念的内涵中挖掘隐含条件。

【例题1】如图所示的交流电的电流随时间而变化的图象。

此交流电的有效值是

A.5

AB.5AC.3.5AD.3.5

A

解析:

本题主要考查交流电有效值的概念。

有效值的意义是:

在一个周期内,交流电流i通过电阻R产生的热量Q与恒定电流I通过同一电阻R产生的热量相等。

因此,该题的隐含条件是:

i(变化)与I(恒定)的热效应相等。

因为一周期内,Q=I12Rt1+I22Rt2,=I2R(t1+t2),其中,t1=t2=0.01s,I1=4

A,I2=3

A,所以,由Q=Q′可解得I=5A,正确选项为B。

2.条件隐含于状态中

一定的物理状态总是与一定的物理条件相对应的,一些题的题设条件就隐含在物体所处的物理状态中,如力、力矩平衡状态、热平衡状态、静电平衡状态等。

所以,可从这些状态的特性中或状态存在满足的条件中挖掘隐含条件。

【例题2】(2003年江苏)当物体从高空下落时,空气阻力随速度的增大而增大,因此经过一段距离后将匀速下落,这个速度称为此物体下落的稳态速度。

已知球形物体速度不大时所受的空气阻力正比于速度v,且正比于球半径r,即阻力f=krv,k是比例系数。

对于常温下的空气,比例系数k=3.4×10-4Ns/m2。

已知水的密度

kg/m3,重力加速度为

m/s2。

求半径r=0.10mm的球形雨滴在无风情况下的稳态速度。

(结果保留两位有效数字)

解析:

雨滴下落时受两个力作用:

重力,方向向下;空气阻力,方向向上。

当雨滴达到稳态速度后,加速度为0,二力平衡,用m表示雨滴质量,有mg-krv=0,

,求得

,v=1.2m/s。

点评:

此题的关键就是雨滴达到“稳态速度”时,处于平衡状态。

找到此条件,题目就可以迎刃而解了。

3.条件隐含于物理过程中

物理状态的变化过程有简单、有复杂,有单一过程的延伸,又有不同物理过程的交叉。

解题时,要冷静分析、判断各阶段的特点,找出它们之间的联系,挖掘过程进行中隐含的条件。

【例题3】如图,在一匀强电场中的A点,有一点电荷,并用绝缘细线与O点相连,原来细线刚好被水平拉直,而没有伸长。

先让点电荷从A点由静止开始运动,试求点电荷经O点正下方时的速率v。

已知电荷的质量m=1×10-4kg,电量q=+1.0×10-7C,细线长度L=10cm,电场强度E=1.73×104V/m,g=10m/s2。

解析:

许多同学见到此题不加思索地认为小球从A点开始作圆周运动,由动能定理列出方程,mgL+EqL=mv2/2代入数据解得v=2.3m/s.

实际上本题中Eq=

mg,电场力与重力的合力的方向与水平方向的夹角为30°,所以电荷从A点开始沿直线经O点正下方B点处,到达C点后,细线方开始被拉直,如图所示,电荷从A到B,做匀变速直线运动,而不是从一开始就作圆周运动,由动能定理列出方程,mgLsin30°+EqL=mv2/2,解得v=2.1m/s.

4.条件隐含于物理模型中。

物理模型的基本形式有“对象模型”和“过程模型”。

“对象模型”是实际物体在某种条件下的近似与抽象,如质点、理想气体、理想电表等;“过程模型”是理想化了的物理现象或过程,如匀速直线运动、自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动等。

有些题目所设物理模型是不清晰的,不宜直接处理,但只要抓住问题的主要因素,忽略次要因素,恰当的将复杂的对象或过程向隐含的理想化模型转化,就能使问题得以解决。

【例题4】(1999年高考全国卷)一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起,举双臂直体离开台面,此时其重心位于从手到脚全长的中点,跃起后重心升高0.45m达到最高点,落水时身体竖直,手先入水(在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计)从离开跳台到手触水面,他可用于完成空中动作的时间是______s。

(计算时,可以把运动员看作全部质量集中在重心的一个质点,g取10m/s2,结果保留二位数)

解析:

运动员的跳水过程是一个很复杂的过程,主要是竖直方向的上下运动,但也有水平方向的运动,更有运动员做的各种动作。

构建运动模型,应抓主要因素。

现在要讨论的是运动员在空中的运动时间,这个时间从根本上讲与运动员所作的各种动作以及水平运动无关,应由竖直运动决定,因此忽略运动员的动作,把运动员当成一个质点,同时忽略他的水平运动。

当然,这两点题目都作了说明,所以一定程度上“建模”的要求已经有所降低,但我们应该理解这样处理的原因。

这样,我们把问题提炼成了质点作竖直上抛运动的物理模型。

在定性地把握住物理模型之后,应把这个模型细化,使之更清晰。

可画出如图所示的示意图。

由图6可知,运动员作竖直上抛运动,上升高度h,即题中的0.45m;从最高点下降到手触到水面,下降的高度为H,由图中H、h、10m三者的关系可知H=10.45m。

由于初速未知,所以应分段处理该运动。

运动员跃起上升的时间为:

s

从最高点下落至手触水面,所需的时间为:

s

所以运动员在空中用于完成动作的时间约为:

=1.7s

【例题5】 如图所示为推行节水灌溉工程中使用的转动式喷水龙头的示意图。

“龙头”离地面高hm,将水水平喷出,其喷灌半径为10hm,每分钟可喷水mkg,所用的水从地面以下Hm深的井里抽取。

设所用水泵(含电动机)的效率为η,不计空气阻力。

求:

⑴水从龙头中喷出时的速度v0⑵水泵每分钟对水做的功W⑶带动该水泵的电动机消耗的电功率P。

解析:

(1)将水的运动抽象成平抛运动模型,平抛所用时间为t=

水平初速度为v=

(2)1min内喷出水的动能为Ek=

mv2=25mgh③

水泵提水,1min内水所获得的重力势能为Ep=mg(H+h)④

1min内水泵对水所做功为W=Ek+Ep=mg(H+26h)⑤

(3)带动水泵的电动机的最小输出功率等于水泵输入功率P=

【例题6】如图所示,在真空中速度v=6.4×107m/s的电子束连续地射入两平行极板之间,极板长度L=8.0×10-2m,间距d=0.50×10-2m,两极板上加50Hz的交流电压U=U0sinωt,如果所加电压的最大值U0超过某一值Uc时,将开始出现以下现象:

电子束有时能通过两极板,有时间断不能通过,求Uc的大小.(me=9.0×10-31kg,e=1.6×10-19C)

命题意图:

考查挖掘理想化条件构建物理模型的能力。

错解分析:

没有通过分析解得电子束通过极板的时间,并与电压周期比较,挖掘t<

解题方法与技巧:

该题既有物体本身理想化,又有所处条件的理想化。

(1)首先,电子可被理想化为点电荷;

(2)从“两极板不带电时,电子束将沿两极板之间中线通过”可知:

电子束间相互作用可忽略,电子重力可忽略;(3)由于电子通过极板时间为:

t=

=

=1.2×10-9s,

而交流电周期:

T=

=

s=10-2s

可见t<

则有:

t=

由运动学公式:

=

at2②

由牛顿第二定律:

F=maa=

=

联立①②③可得:

Uc=

=91V

5.条件隐含在关键用语中

物理题是用一定的文字、示意图等形式给予描述的,根据表达题意的需要,常用一些关键用语,如:

“最多”、“至少”、“刚好”、“缓慢”、“瞬间”等。

审题时要以阅读题目为基础,边读边想,扣住关键用语,挖掘隐含条件。

【例题7】在光滑水平面上,有一质量m1=20kg的小车,通过一根几乎不能深长的轻绳与另一质量为m2=25kg的拖车相连接。

一质量为m3=15kg的物体放在拖车的平板上。

物体与平板间的动摩擦因数为μ=0.2。

开始时,拖车静止,绳未拉紧(如图所示),小车以v0=3m/s的速度向前运动,求:

(1)当m1、m2、m3以同一速度前进时,速度的大小。

(2)物体在拖车平板上移动的距离。

解析:

(1)在绳开始拉紧到m1、m2、m3以同一速度运动的过程中,总动量不变,

m1v0=(m1+m2+m3)v

解得v=1.0m/s

(2)细绳未拉紧时,无相互作用,由于“绳几乎不可伸长”,意为小车与拖车作用时间极短,绳中张力很大。

相比之下,m2与m3之间的摩擦力可忽略不计,而且在此过程中,m3几乎没有移动。

难点一旦突破,可列方程求解:

m1v0=(m1+m2)v1…………………………………………………①

接着m3和m2因滑动摩擦力作用发生相对位移,最后以共同速度v运动,分别对m3及m1和m2应用动能定理:

-μm3gs3=m3v2/2…………………………………………………②

-μm3gs2=(m1+m2)v2/2-(m1+m2)v12/2…………………………③

由①、、②、③式可解得:

Δs=s2-s3=0.33m

6.条件隐含于常识中

有些题目,题中明确给出的已知条件较少,某些条件由于是人们的常识而没在题中给出,造成所求量与条件之间一种比较隐蔽的关系。

这就要求考生根据题意多角度分析,展开联想,努力挖掘相关的知识,在“条件似少”的情况下,根据一些常识,假设适当的条件和数据,以弥补题中明确给出的已知条件的不足。

【例题8】已知地球半径约为6.4×106m,又知月球绕地球的运动可近似看作圆周运动,则可估算出月球到地心的距离约为m。

(结果只保留一位有效数字)

解析:

本题的已知量只有地球的半径,要顺利求解,必须进一步挖掘隐含条件。

此题的隐含条件就隐含在生活常识中,即月球绕地球运动的周期T和地球表面上的重力加速度g。

地球对月球的万有引力是月球绕地球运转的向心力,GMm月/r2=mr4π2/T2,T=27×24×3600s,又物体在地球表面的重力等于地球对物体的引力,GMm物/R2=mg,式中R是地球半径,由以上两式解得r=4×108m。

7.条件隐含在可能的结论中

有些题目,在已知线索的背后潜藏着多个可能的结论,若分析不周,便会使答案不完备,解题时要全面分析物理现象,采取“顺藤摸瓜”的方法,把题设“明线”和“暗线”有机结合起来,才能正确、完整求解。

【例题9】质量为m的小球A沿光滑水平面以速度v0与质量为2m静止的小球B发生正碰,碰撞后,A球的动能变为原来的1/9,那么小球B的速度是多少?

解析:

碰后A球的动能为mv2/2,则

mv2=

mv02,解得v=

v0

由于A球碰后速度方向可能有两种情况,速度的方向隐含在结论中,即

由动量守恒定律:

mv0=m

v0+2mv1

解得v1=

v0

或者mv0=-m

v0+2mv2解得v2=

v0

8.条件隐含于器材的规格中

有些题(特别是一些实验题)的部分条件就隐含在器材的规格中,解题者应把题设要求与器材规格有机结合起来分析,挖掘隐含条件。

【例题10】(2001年高考理综卷)实验室中现有器材如实物图(甲)所示,有:

电池E,电动势约10V,内阻约1Ω;电流表A1,量程约10A,内阻

1约为0.2Ω;电流表A2,量程300mA,内阻

2约5Ω;电流表A3,量程250mA,内阻

3约5Ω;电阻箱R1,最大阻值999.9Ω,最小阻值改变量为0.1Ω;滑线变阻器R2,最大值100Ω;开关S;导线若干。

要求用图(乙)所示的电路测量图中电流表A的内阻。

(1)在所给的三个电流表中,那几个可以用此电路精确测出其内阻?

答:

(2)在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路。

(3)你要读出的物理量是。

用这些物理量表示待测内阻的计算公式是。

解析:

该题要求根据电路图设想出实验原理。

属于有一定提示的设计型实验。

与我们学过的伏安法测电阻相比较,这里被测电阻是电流表的内阻,它能显示出通过自身的电流,因此只要知道其上的电压就行,但没有电压表,却有另一只电流表。

根据电路图可以看出,如果图中表A是被测表,则其上电压就是电阻箱上电压,利用两只电流表的读数差和电阻箱上显示的阻值可以求出该电压,这样就可以求出电流表的电阻。

(1)电流表A1不能精确测出其内阻,因这时图中的电流表A′应为A2、A3中的一只,这使得电流表A1中的电流不能超过300mA,其指针的偏转极其微小,误差很大。

而A2、A3可用此电路精确测出其内阻。

(2)若测

3,实物连线如图所示。

(3)根据前面的分析,要读出的物理量是A、A′两电流表的示数I、I′和电阻箱的阻值R1,待测内阻的计算公式是

9.条件隐含于数学关系中

所谓数学关系,指的是纯数学规律的反映,它是相对物理条件而言的。

数学关系包括代数关系和几何关系。

寻找并建立几何关系的关键是要正确分析物理过程,建立清楚的物理图景(常常要画出示意图),然后从物理过程和物理图景中寻找关系。

而代数关系的寻找往往是根据题目要求,直接从已有方程中寻找。

数学关系的寻找常要借助于数学定理或数学方法。

【例题11】(1999年高考全国卷)如图所示,图中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线,在平面右侧的半空间存在一磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直纸面向外。

O是MN上的一点,从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为v的粒子,粒子射入磁场时的速度可在纸面内各个方向。

已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇,P到O的距离为L,不计重力及粒子间的相互作用。

(1)求所考察的粒子在磁场中的轨道半径;

(2)求这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔。

解析:

(1)设粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径为R,由牛顿第二定律得

,则

(2)如图所示,以OP为弦可以画两个半径相同的圆,分别表示在P点相遇的两个粒子的轨迹。

圆心分别为O1、O2,过O点的直径分别为OO1Q1、OO2Q2,在O点处两个圆的切线分别表示两个粒子的射入方向,用θ表示它们之间的夹角。

由几何关系可知,

,从O点射入到相遇,粒子1的路程为半个圆周加弧长Q1P=Rθ,粒子2的路程为半个圆周减弧长PQ2=Rθ

粒子1的运动时间为

,其中T为圆周运动的周期。

粒子2运动的时间为

两粒子射入的时间间隔为

因为

所以

有上述算式可解得

点评:

解带电粒子在磁场中运动的题,除了运用常规的解题思路(画草图、找“圆心”、定“半径”)之外,更应侧重于运用数学知识进行分析。

本题在众多的物理量和数学量中,角度是最关键的量,它既是建立几何量与物理量之间关系式的一个纽带,又是沟通几何图形与物理模型的桥梁。

总之,物理题中隐含条件的形式多种多样,且往往同一题中存在多种形式的隐含条件。

要从多角度、多方面、多层次挖掘隐含条件,并持之以恒,这样分析问题、解决问题的能力就会明显提高。

四、能力训练

1.如图所示,竖直向上的匀强电场E和水平方向的匀强磁场B正交.带电粒子在电磁场中做半径为R的匀速圆周运动,则带电粒子速度的大小和旋转方向怎样?

2.如图所示,绝缘水平面上静止着两个质量均为m,电量均为+Q的物体A和B(A、B均可视为质点),它们间的距离为r,与平面间的摩擦因数均为μ.求:

(1)A受的摩擦力为多大?

(2)如果将A的电量增至+4Q,两物体开始运动,当它们的加速度第一次为零时,A、B各运动了多远距离?

3.估算地球大气层空气的总重量(地球半径R=6.4×106m,大气压强p0=1.0×105Pa)

4.如图所示,置于光滑水平面上的光滑斜面倾角为θ,质量为M,质量为m的滑块置于其上,试讨论当水平向左的力F作用于斜面上时,F的大小与两物体的运动状态的关系。

5.原来静止在光滑水平桌面上的木块,被水平方向射来的子弹击中,当子弹进入木块深度为2cm时,木块相对于桌面移动1cm,然后子弹与木块以共同的速度运动,则子弹和木块摩擦产生的内能与子弹损失的动能之比为多少?

6.在有限区域PQ的右方有垂直纸面指向读者的匀强磁场,今有两粒子M、N在界面处以相同的速率与界面分别成60°和30°垂直于磁感应强度方向进入磁场,如图所示。

若带电量qM=2qN,M带正电,N带负电,质量mM=2mN(但重力不计),求:

它们在磁场中运动时间之比.

7.1957年第一颗人造卫星上天,开辟了人类宇航的新时代.四十多年来,人类不仅发射了人造地球卫星,还向宇宙空间发射了多个空间探测器.空间探测器要飞向火星等其他行星,甚至飞出太阳系,首先要克服地球对它的引力的作用.理论研究表明,

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