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2023-2024学年高三上学期第四次阶段考试
语文试题
(满分:150分时间:150分钟)
一、现代文阅读(35分)
(一)现代文阅读I(本题共5小题,19分)
阅读下面的文字,完成小题。
“女士们,先生们,太空电梯即将到达失重空间站,请做好下梯准备,从右侧梯门下梯。”如果有一天,人们听见这样的播报声,会不会以为是在梦里?
20世纪初,被誉为“俄罗斯航天之父”的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基还真有这样的构想。这个构想其实很朴素——在地面上建设一座高到超乎想象的铁塔,一直通到地球同步轨道,在铁塔内架设电梯,人们便可以乘坐电梯进入外太空。
从太空中“扔”下绳索
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的构想,与大家对电梯的认知较接近,但是要实现这一构想面临一个大问题——这样的铁塔建设难度大。地球同步轨道高度为35786千米,而目前世界上最高的建筑——位于迪拜的哈利法塔,其高度只有828米。二者高度悬殊。如此看来,建一座太空电梯简直就是痴人说梦!
有没有别的办法?想一想,要把一只风筝放到250米的高空,除了在地面奔跑,不断放线,使风筝升到高空中,还能怎么做。能不能坐直升机到达高空后,将风筝扔出,慢慢放线,使风筝下降到距离地面250米的高度?
这种思考虽然不够严谨,但它采用逆向思维,为建造太空电梯提供了一个新思路。要建造一座直达外太空的电梯,最重要的就是搭建绳索轨道,既然从地面向上建造绳索轨道不现实,那么能不能从太空中“扔”下绳索,就像扔风筝线一样呢?
可以先发射一颗地球同步卫星,再从卫星上向地球“垂”下绳索,然后将绳索固定在地面上,这样,太空电梯的运行轨道便形成了。
也就是说,只需几根绳索就能建造太空电梯的运行轨道。其实,如今的太空电梯计划都是基于这个模型制订的。
寻找最强缆绳材料
在众多太空电梯计划中,最受人瞩目的是日本在2012年宣布的太空电梯计划。
当时,尤其擅长建造高塔的日本著名建筑公司大林组,宣布要投资100亿美元建造太空电梯。然而,距离计划启动已经过去了10年之久,其前景似乎不容乐观,就连大林组建筑公司内部一直参与太空电梯研发的高级工程师石川洋二都坦言:这个项目越尝试,就越困难。
比如电梯厢体上下运动所需的缆绳,实际上并不是处于静止状态,而是一直随着同步卫星高速转动,其所需的巨大向心力可能超过材料的抗拉极限,导致缆绳把自己甩断。
这便出现了一个异常棘手的问题——如何找到密度小,但抗拉强度高的材料?
目前,最有可能满足上述要求的材料是碳纳米管。碳纳米管是由碳原子组成的管状结构纳米材料,是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。
碳纳米管的密度大约是1700kg/m,如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳,碳纳米管的抗拉强度至少要达到90GPa。
目前,在实验中能够合成的碳纳米管,其抗拉强度可以达到200GPa,而具有理想结构的单壁碳纳米管,其抗拉强度可以达到800GPa。
这样看来,只要生产出几万千米长的碳纳米管,把它从同步卫星上“垂”下来,并把它固定到赤道附近的海上基站,就能解决太空电梯轨道的问题。
然而,探索太空电梯的道路,注定崎岖不平。
1991年,日本科学家饭岛澄男发现了碳纳米管,给陷入瓶颈的太空电梯研究带来希望,许多研究团队重新拾起了太空电梯计划。可是,大家很快就发现,受制备工艺的限制,实际能够制备出的碳纳米管,其长度只有几毫米,且存在大量结构缺陷。
研究似乎又走进了死胡同。
但科学家可不会轻易放弃。
2013年,清华大学的魏飞教授及其研究团队,将生长每毫米碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%,成功制备出单根长度超过0.5米,且具有完美结构的碳纳米管。
目前,他们正在研制千米级以上的碳纳米管。
太空电梯似乎迎来了一线曙光。
难题要逐一攻克
一旦要考虑项目实施的可行性,就必须面对和解决更多的实际问题。
例如,用碳纳米管做的缆绳,时间久了会不会磨损?能用很长时间吗?毕竟,如果缆绳很容易磨损,那么这电梯即便建好了,也不经用,性价比低。
为了检验碳纳米管的耐久性,日本大林组建筑公司于2015年,将碳纳米管样品送到了位于地表上空400千米附近的日本实验舱内,将其放置在太空中。两年后,这一样品被带回地球。研究人员发现,碳纳米管的表面已经被原子状态的氧破坏了。
要知道,400千米的高度是位于大气层中的热层,这里的空气极其稀薄,即便如此,两年的时间就已经令碳纳米管受损。
据此可以想象,在地表附近氧气丰富的对流层,碳纳米管缆绳会面临更加严峻的考验除了被原子状态的氧破坏,还要经受风吹日晒雨淋,甚至遭受极端气候的摧残。
建造太空电梯,真的是越尝试,就越困难。
既然如此困难,为什么科学家还执着于这一设想呢?
最大的动力,就是要降低人类奔赴太空的成本。
在目前的国际商业卫星发射中,每千克荷载的运输成本是2000~20000美元。普通人去太空旅行一趟,至
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