高中物理天体运动多星问题

双星模型、三星模型、四星模型

天体物理中的双星， 三星，四星，多星系统是自然的天文现象，天体之间的相互作用 遵循万

有引力的规律，他们的运动规律也同样遵循开普勒行星运动的三条基本规律。双星、 三星系统的等效质量的计算， 运行周期的计算等都是以万有引力提供向心力为出发点的。 双

星系统的引力作用遵循牛顿第三定律： F F ，作用力的方向在双星间的连线上，角速度

相等,

【例题1】天文学家将相距较近、仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星。双星系 统在银河系中很普遍。利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量。 已知某 双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动，周期均为 T ,两颗

恒星之间的距离为r ，试推算这个双星系统的总质量。（引力常量为 G ） 【解析】：设两颗恒星的质量分别为

m 、m ,做圆周运动的半径分别为

r i 、「2，角速度分别

为3 1、3 2。根据题意有

r i r 2 r

根据万有引力定律和牛顿定律，有

6^2

mXr i

r

m i m 2 G 2

r

联立以上各式解得

根据解速度与周期的关系知

1

联立③⑤⑥式解得

【例题2】天体运动中，将两颗彼此相距较近的行星称为双星，它们在万有引力作用下间距

始终保持不变，并沿半径不同的同心轨道作匀速园周运动， 设双星间距为L ,质量分别为M 、

M ,试计算（1）双星的轨道半径（2）双星运动的周期。

解析：双星绕两者连线上某点做匀速圆周运动，即:

m 1

w |r 1

r i

m 2

r

mi m 2

m 1

m 2

2

3

2

r T 2G

【例题3】我们的银河系的恒星约四分之一是双星 •某双星由质量不等的星体 S 和S 2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

此可求出S 2的质量为 （D ）

答案： D

解析： 双星的运动周期是一样的，选S 1为研究对象，根据牛顿第二定律和万有引力定 律得

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0三点始终共线，A 和B

分别在0的两侧。引力常数为 G o

⑴求两星球做圆周运动的周期。

⑵ 在地月系统中，若忽略其它星球的影响，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为的周期记为 T 1 °但在近似处理问题时，常常认为月球是绕地心做 圆周运动的，这样算得的运行周期

T 2。已知地球和月球的质量分别为

5.98 1024kg 和7.35

X 1022kg 。求T 2与T 1两者平方之比。（结果保留

3位小数）

【解析】 ⑴A 和B 绕O 做匀速圆周运动，它们之间的万有引力提供向心力，则

M 1

M 2

M 1

2L 1

M 2

2L 2 -----------

•I L 2 L

M 2

M 1

M 2

L , L 2

M 2

M 1

M 2

又由

M 1

M 2

L 2

M 1

T 2

L i • --------------

得: T

M 2)

察测得其运动周期为

T, S i 到C 点的距离为 r i ,S i 和S 2的距离为r,已知引力常量为

A.

4 冗2r 2(r

r i )

GT 2

4 n 2 r 1

3

GT 2

4 n 2r 3 GT 2

D.

4 n 2r 2r GT

Gm 1

m 2

4 n m 1r 1

=,则

2 r r 1

【例题4】如右图，质量分别为 2

4 n m

=

2

GT 2

.故正确选项D 正确. m 和M 的两个星球A 和B 在引力作用下都绕 0点做匀速周

【答案】⑴T

L 3 G(M m)

⑵ 1.01

由以上两式可

向心力相等。且 A 和B 和0始终共线，说明 A 和B 有相同的角速度和周期。因此有

化简得

J [ 3

T 2

{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

24

22

5.98 10 7.35 10 5.98 1024

【例题5】【2012?联考】如右图，三个质点 a 、b 、c 质量分别为m 、m 、M( M >m ，M>rn )。

在c 的万有引力作用下，a 、b 在同一平面绕c 沿逆时针方向做匀速圆周运

动，它们的周期之比T a : T 中，则(

)

A. a 、b 距离最近的次数为

B. a 、b 距离最近的次数为

C. a 、b 、c 共线的次数为

D. a 、b 、c 共线的次数为 【答案】D

【解析】在b 转动一周过程中,

=1 : k ；从图示位置开始，在 k 次 k+1次 2k 2k-2 a 、b 距离最远的次数为 k

-1

次，故a 、b 、c 共线的次数为2k-2，选项D 正确。

【例题6】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

m 2r M 2R ， r R L ,连立解得

对A 根据牛顿第二定律和万有引力定律得

GMm L 2

m(T )

2

M

⑵将地月看成双星，由⑴得 T 1

G(M m)

GMm L 2

m(”L

化简得

G L M

1.01