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20.字宙中有很多独立的双星系统.如图为某一双星系统,两星A、B均可视为质点.A、B围绕它们连线的中点O做匀速圆周运动,它们之间的距离保持不变,引力常量为G.
(1)双星之间的引力F可等效为位于0点处质量为M的星体(可视为质点)对它们的引力,试求双星的总质量与M的比值.
(2)若只考虑双星之间的引力,得到A星运行速率v与运行周期T,求A星的质量.
(3)实际观察A星运行速率v′比v大很多,设v′=kv,科学家猜想造成这一现象的原因是在以0点为球心的很小半径的空间存在一个质量巨大、密度巨大的看不见的物体即黑洞,正是这个黑洞对双星的强大引力造成的,当黑洞的质量比A星的质量大108倍或以上时,就可认为这一猜想成立,试说明观测到k值为多少时,这一猜想成立.

分析 (1)根据万有引力定律和引力相等的条件列式,即可求解.
(2)A星的向心力由B对它的万有引力提供,由此列式求解.
(3)若认为这一猜想成立,双星由相互的万有引力和黑洞的万有引力的合力提供向心力,根据牛顿第二定律和向心力公式求解.

解答 解:(1)设A、B的质量均为m.A、B间的距离为L.
据题有:G$\frac{{m}^{2}}{{L}^{2}}$=G$\frac{Mm}{(0.5L)^{2}}$
得 m=4M
故双星的总质量与M的比值为 2m:M=8
(2)若只考虑双星之间的引力,则:
对A星有:G$\frac{{m}^{2}}{{L}^{2}}$=m$\frac{{v}^{2}}{\frac{1}{2}L}$
又v=$\frac{2π•\frac{1}{2}L}{T}$
联立解得:m=$\frac{2{v}^{3}T}{πG}$
(3)若认为这一猜想成立,则对A星有:
  G$\frac{{m}^{2}}{{L}^{2}}$+G$\frac{1{0}^{8}m•m}{(\frac{1}{2}L)^{2}}$=m$\frac{(kv)^{2}}{\frac{1}{2}L}$
解得:k≈2×104
答:(1)双星的总质量与M的比值是8.
(2)A星的质量为$\frac{2{v}^{3}T}{πG}$.
(3)观测到k值为2×104时,这一猜想成立.

点评 解决本题的关键抓住恒星的角速度相等,分析向心力的来源,结合万有引力和向心力公式进行求解.

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