题目内容
【题目】神奇的黑洞是近代引力理论所预言的一种特殊天体,探寻黑洞的方案之一是观测双星系统的运动规律.天文学家观测河外星系大麦哲伦云时,发现了LMCX﹣3双星系统,它由可见星A和不可见的暗星B构成.将两星视为质点,不考虑其他天体的影响,A、B围绕两者连线上的O点做匀速圆周运动,它们之间的距离保持不变,(如图)所示.引力常量为G,由观测能够得到可见星A的速率v和运行周期T.
(1)可见星A所受暗星B的引力FA可等效为位于O点处质量为m′的星体(视为质点)对它的引力,设A和B的质量分别为m1、m2,试求m′(用m1、m2表示);
(2)求暗星B的质量m2与可见星A的速率v、运行周期T和质量m1之间的关系式;
(3)恒星演化到末期,如果其质量大于太阳质量ms的2倍,它将有可能成为黑洞.若可见星A的速率v=2.7×105 m/s,运行周期T=4.7π×104s,质量m1=6ms,试通过估算来判断暗星B有可能是黑洞吗?(G=6.67×10﹣11Nm2/kg2,ms=2.0×103 kg)
【答案】(1)(3)有可能是黑洞
【解析】
试题(1)设A、B圆轨道的半径分别为,由题意知,A、B的角速度相等,为,
有:,,又
设A、B之间的距离为r,又
由以上各式得,①
由万有引力定律得
将①代入得
令,比较可得②
(2)由牛顿第二定律有:③
又可见星的轨道半径④
由②③④得
(3)将代入得⑤
代入数据得⑥
设,(n>0)将其代入⑥式得,⑦
可见,的值随n的增大而增大,令n=2时得⑧
要使⑦式成立,则n必须大于2,即暗星B的质量必须大于,由此得出结论,暗星B有可能是黑洞。
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