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宇宙中存在一些离其它恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统,通常可忽略其它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项点上,并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行.设三颗星质量相等,每个星体的质量均为m.(已知万有引力常量G)
(1)试求第一种情况下,星体运动的线速度和周期
(2)假设第二种情况下星体之间的距离为R,求星体运动的线速度和周期.
分析:(1)画出三颗星位置示意图.两侧的星由另外两个星的万有引力的合力提供向心力,列式求解线速度和周期.
(2)对于任意一个星体,由另外两个星体的万有引力的合力提供向心力,列式求解线速度和周期.
解答:精英家教网解:(1)第一种形式下,星体A探马星体B和星体C两个万有引力,它们的合力充当向心力,则:
  
Gmm
R2
+
Gmm
(2R)2
=m
v2
R
=m
4π2
T2
R
解得,线速度 v=
5Gm
4R
,周期 T=2πR
4R
5Gm

(2)第二种情形下,星体之间的距离为R,那么圆周运动的半径 r=
R
2
cos30°
=
R
3

星体A受的合力 F合=2
Gmm
R2
cos30°=
3
Gmm
R2

故有
3
Gmm
R2
=m
v2
r

联立解得,v=
Gm
R
,T=
2πr
v
=2πR
R
3Gm

答:(1)第一种情况下,星体运动的线速度是
5Gm
4R
,周期为2πR
4R
5Gm
.
(2)假设第二种情况下星体之间的距离为R,星体运动的线速度为
Gm
R
,周期为2πR
R
3Gm
.
点评:万有引力定律和牛顿第二定律是力学的重点,在本题中有些同学找不出什么力提供向心力,关键在于进行正确受力分析.
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