题目内容

10.牛顿在1684年提出这样一些理论:当被水平抛出物体的速度达到一定数值v1时,它会沿着一个圆形轨道围绕地球飞行而不落地,这个速度称为环绕速度;当抛射的速度增大到另一个临界值v2时,物体的运动轨道将成为抛物线,它将飞离地球的引力范围.这里的v2我们称其为逃离速度,对地球来讲逃离速度为11.2km/s.法国数学家兼天文学家拉普拉斯于1796年曾预言:“一个密度如地球而直径约为太阳250倍的发光恒星,由于其引力作用,将不允许任何物体(包括光)离开它.由于这个原因,宇宙中有些天体将不会被我们看见.”这种奇怪的天体也就是爱因斯坦在广义相对论中预言的“黑洞(black hole)”.已知对任何密度均匀的球形天体,v2恒为v1的$\sqrt{2}$倍,万有引力恒量为G,地球的半径约为6400km,太阳半径为地球半径的109倍,光速c=3.0×108m/s.请根据牛顿理论求:
(1)求质量为M、半径为R的星体逃离速度v2的大小;
(2)如果有一黑洞,其质量为地球的10倍,则其半径应为多少?
(3)若宇宙中一颗发光恒星,直径为太阳的248倍,密度和地球相同,试通过计算分析,该恒星能否被我们看见?

分析 (1)当物体绕星球表面附近做匀速圆周运动时,由星球的万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律求出v1.星体逃离速度v2的大小等于$\sqrt{2}$v1.
(2)根据黑洞与地球的质量关系,得到黑洞的逃离速度表达式,在黑洞表面脱离的速度应大于光速.即可求出黑洞的半径.
(3)根据直径与密度关系,求出恒星的逃离速度,若此速度大于光速,我们将看不见该恒星.

解答 解:(1)由$\frac{GMm}{{R}^{2}}$=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{R}$,得v1=$\sqrt{\frac{GM}{R}}$
  由题得:星体逃离速度v2=$\sqrt{2}$v1=$\sqrt{\frac{2GM}{R}}$
(2)题中M黑洞=10M地球
地球和黑洞的脱离速度分别为:
  对地球:v2地球=$\sqrt{\frac{2G{M}_{地球}}{{R}_{地球}}}$;
  对黑洞:v2黑洞=$\sqrt{\frac{2G{M}_{黑洞}}{{R}_{黑洞}}}$>c(c为光速)
两式相比得:$\sqrt{\frac{{M}_{黑洞}{R}_{地球}}{{M}_{地球}{R}_{黑洞}}}$=$\sqrt{\frac{10{R}_{地球}}{10R黑洞}}$=$\frac{{v}_{2黑洞}}{{v}_{2地球}}$≥$\frac{c}{{v}_{2地球}}$
得  R黑洞≤$\frac{10{R}_{地球}{v}_{2地球}^{2}}{{c}^{2}}$=$\frac{10×6400×1{0}^{3}×(11.2×1{0}^{3})^{2}}{(3×1{0}^{8})^{2}}$m=0.089m
(3)已知R恒星=248×109 R地球,M恒星=(248×109)3M地球(密度相同)
v2恒星=11.2×103×248×109 m/s=3.028×108 m/s>c,所以该恒星不能被我们看见.         
答:
(1)质量为M、半径为R的星体逃离速度v2的大小为$\sqrt{\frac{2GM}{R}}$;
(2)如果有一黑洞,其质量为地球的10倍,则其半径应为0.089m.
(3)若宇宙中一颗发光恒星,直径为太阳的248倍,密度和地球相同,通过计算分析可知,该恒星不能被我们看见.

点评 本题考查了万有引力定律定律及圆周运动向心力公式的直接应用,要注意任何物体(包括光子)都不能脱离黑洞的束缚,那么黑洞表面脱离的速度应大于光速.

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