专题天体运动的三大难点破解3-剖析宇宙中的双星、三星模型(讲义)

1、1 12 21 2 1 21 21 2高中物理剖析宇宙中的双星、三星模型一、考点突破： 考点课程目标备注1.2.掌握双星、三星模型的向心力来 源；双星问题是万有引力定律在天文学双星、3. 上的应用的一个重要内容，主要考 4.会根据万有引力定律求解双星、 查转动星体向心力来源及参数之间三星模型三星模型的周期，线速度等物理 量；5.6.掌握两种模型的特点。的关系，高考重点，属于高频考点中等难度，命题形式选择题居多。二、重难点提示：重点：1.根据万有引力定律求解双星、三星模型的周期，线速度等物理量；2.双星、三星两种模型的特点。难点：双星、三星模型的向心力来源。一、双星模型绕公共圆心转动的两个星体组

2、成的系统，我们称之为双星系统，如图所示，双星系统模 型有以下特点：（1）各自需要的向心力由彼此间的万有引力相互提供即Gm m Gm m 1 2 m r ， 1 2 L2 L2m r ；（2）两颗星的周期及角速度都相同即 T T ， ；（3）两颗星的半径与它们之间的距离关系为r r L；（4）两颗星到圆心的距离 r 、r 与星体质量成反比1 / 51 2即m r1 2m r2 1；（5）双星的运动周期L3T2 ； G ( m m )1 2（6）双星的总质量公式m m 4 2 L3 T 2 G。二、三星模型第一种情况：三颗星连在同一直线上，两颗星围绕中央的星（静止不动）在同一半径为 R 的圆轨道上

3、运行。特点：1.周期相同；2.三星质量相同；3.三星间距相等；4.两颗星做圆周运动的向心力相等。原理：A、C 对 B 的引力充当向心力，即：可得：，T 4R 35Gm5Gm R，同理可得线速度： 。2 R第二种情况：三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿等边三角形的外接圆轨道运行。特点：1.运行周期相同；2.半径相同；3.质量相同；2 / 5合 4.所需向心力相等。原理：B、C 对 A 的引力的合力充当向心力，即：Gm 2 4 2 F 2 cos 30 m rR 2 T 2，其中3r R3，可得：运行周期T 2RR3Gm。例题 1 如图，质量分别为 m 和 M 的两颗星球 A 和 B 在引力作

4、用下都绕 O 点做匀速圆周运 动，星球 A 和 B 两者中心之间距离为 L。已知 A、B 的中心和 O 三点始终共线，A 和 B 分别在 O 的两侧。引力常数为 G。（1）求两星球做圆周运动的周期。（2）在地月系统中，若忽略其他星球的影响，可以将月球和地球看成上述星球A 和 B， 月球绕其轨道中心运行的周期记为 T 。但在近似处理问题时，常常认为月球是绕地心做圆周1运动的，这样算得的运行周期为 T 。已知地球和月球的质量分别为 5.981024kg 和27.351022kg。求 T 与 T 两者平方之比。（结果保留 3 位有效数字）2 1思路分析：（1）A 和 B 绕 O 做匀速圆周运动，它们

5、之间的万有引力提供向心力，则 A 和 B 的向心力相等。且 A 和 B 和 O 始终共线，说明 A 和 B 有相同的角速度和周期。因此有m 2r M2 R，r R L，连立解得R m M L ， r Lm M m M。对 A 根据牛顿第二定律和万有引力定律得GMm 2 M m ( ) 2 LL2 T M m，化简得：T 2L3 G ( M m)。（2）将地月看成双星，由得T 21L3 G( M m)。将 月 球 看 作 绕 地 心 做 圆 周 运 动 ， 根 据 牛 顿 第 二 定 律 和 万 有 引 力 定 律 得GMm 2 m ( ) 2 LL2 T。3 / 51 2 1 2合 化简得：T

6、 22L3GM。所以两种周期的平方比值为T m M 5.98 10 24 7.35 10 ( 2 ) 2 T M 5.98 10 24 1221.01答案：（1）T 2L3 G ( M m)（2）1.01例题 2 宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常 可忽略其他星体对它们的引力作用。已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式 :一 种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为 R 的圆轨道上运行;另一种形 式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行。设每个 星体的质量均为 m。（1）试求第一种形式下，星体运动的线速度和

7、周期。（2）假设两种形式下星体的运动周期相同，第二种形式下星体之间的距离应为多少?思路分析：（1）对于第一种运动情况，以某个运动星体为研究对象，根据牛顿第二定律 和万有引力定律有：Gm 2 Gm 2 F = ， F R 2 (2 R) 2，F +F =mv2/R运动星体的线速度:v=5Gm R2R；周期为 T，则有 T=2 Rv，T=4R 35Gm。（2）设第二种形式星体之间的距离为 r，则三个星体做圆周运动的半径为 R=r / 2cos 30。由于星体做圆周运动所需要的向心力靠其他两个星体的万有引力的合力提供，由力的合成和牛顿运动定律有：F =2Gmr 22cos30，4 / 5合 2 1

8、1 1 22 2 3 1 1 1 1 2F =m4 2T 2R，12()所以 r=5答案：（1）13R。5Gm R R 342R 5Gm（2）12(51) 3 R【知识脉络】一、满分训练：我们的银河系的恒星中大约四分之一是双星。某双星由质量不等的星体 S1和 S 构成，两星在相互之间的万有引力作用下绕两者连线上某一定点 C 做匀速圆周运动。 由天文观察测得其运动周期为 T，S 到 C 点的距离为 r ，S 和 S 的距离为 r，已知引力常量为 G。由此可求出 S 的质量为（） 42r 2 ( r r ) 4 rA. B.GT 2 GT 2C.4 2 rGT 23D.4 2 rGT22r1思路分析：双星的运动周期是一样的