高中物理双星问题

圆周运动中的“双星模型”

宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点O做同周期的匀速圆周运动。如图6所示，这种结构叫做双星．双星问题具有以下两个特点：

⑴由于双星和该固定点O总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，因此周期也必然相同。 ⑵由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由可得，可得，，即固定点O离质量大的星较近。

列式时须注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，按题意应该是L，而向心力表达式中的r表示它们各自做圆周运动的半径，在本题中为r1、r2，千万不可混淆。

【例1】 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。两星视为质点，不考虑其它天体的影响，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1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＝2．7×105m/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＝6．67×10－11N·m2/kg2，ms＝2．0×1030kg）

解析：设A、B的圆轨道半径分别为，由题意知，A、B做匀速圆周运动的角速度相同，设其为。由牛顿运动定律，有，，

高中物理双星问题(总2页)

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两颗质量可以相比的恒星相互绕着旋转的现象，叫双星。双星问题是万有引力定律在天文学上的应用的一个重要内容，现就这类问题的处理作简要分析。

一、 要明确双星中两颗子星做匀速圆周运动的向心力来源

双星中两颗子星相互绕着旋转可看作匀速圆周运动，其向心力由两恒星间的万有引力提

供。由于力的作用是相互的，所以两子星做圆周运动的向心力大小是相等的，利用万有引力定律可以求得其大小。

二、 要明确双星中两颗子星匀速圆周运动的运动参量的关系

两子星绕着连线上的一点做圆周运动，所以它们的运动周期是相等的，角速度也是相等

的，所以线速度与两子星的轨道半径成正比。

三、 要明确两子星圆周运动的动力学关系。

设双星的两子星的质量分别为M1和M2，相距L，M1和M2的线速度分别为v1和v2，角

速度分别为ω1和ω2，由万有引力定律和牛顿第二定律得：

M1： 22121111121MMvGMMrLr

M2： 22122222222MMvGMMrLr

在这里要特别注意的是在求两子星间的万有引力时两子星间的距离不能代成了两子星做圆周运动的轨道半径。

【例题一】两颗靠得很近的天体称为双星，它们都绕两者连线上某点做匀速圆周运动，因而不至于由于万有引力而吸引到一起，以下说法中正确的是：

A、它们做圆周运动的角速度之比与其质量成反比。 MMω1

ω2 L r1 r2 B、它们做圆周运动的线速度之比与其质量成反比。

C、它们做圆周运动的半径与其质量成正比。

D、它们做圆周运动的半径与其质量成反比。

解析：两子星绕连线上的某点做圆周运动的周期相等，角速度也相等。由v=rω得线速度与两子星圆周运动的半径是成正比的。因为两子星圆周运动的向心力由两子星间的万有引力提供，向心力大小相等，由212112MMGMrL，212222MMGMrL可知：221122MrMr，所以它们的轨道半径与它们的质量是成反比的。而线速度又与轨道半径成正比，所以线速度与它们的质量也是成反比的。正确答案为：BD。

高中物理中的双星模型主要涉及到天体力学中的双星系统，其中包括质点双星和球面双星两种情况。以下是一些常见的双星模型公式总结：

1. 万有引力定律（Newton's Law of Universal Gravitation）：

两个质点之间的引力可以由以下公式表示：

F = G * (m1 * m2) / r^2

其中，F 是引力大小，G 是万有引力常数，m1 和 m2

是两个质点的质量，r 是两个质点之间的距离。

2. 角动量守恒定律（Law of Conservation of Angular Momentum）：

对于球面双星系统，其中一个球体的角动量可以通过以下公式计算：

L = I * ω

其中，L 是角动量，I 是惯性矩，ω 是角速度。

3. 开普勒定律（Kepler's Laws of Planetary Motion）：

开普勒定律描述了行星运动的规律，其中包括三个定律：

第一定律（椭圆轨道定律）：行星绕太阳运动的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。 第二定律（面积速度定律）：在相等时间内，行星与太阳连线所扫过的面积是相等的。

第三定律（调和定律）：行星的公转周期的平方与行星到太阳平均距离的立方成正比。

这些公式和定律是在研究双星系统中应用最广泛的基本原理。在实际应用中，还可能涉及到其他补充公式和计算方法，具体根据问题和情境而定。

物理双星问题精析

1 / 2 物理双星问题精析

一、 要明确双星中两颗子星做匀速圆周运动的向心力来源

双星中两颗子星相互绕着旋转可看作匀速圆周运动,其向心力由两恒星间的万有引力提

供。由于力的作用是相互的，所以两子星做圆周运动的向心力大小是相等的，利用万有引力定律可以求得其大小.

二、 要明确双星中两颗子星匀速圆周运动的运动参量的关系

两子星绕着连线上的一点做圆周运动，所以它们的运动周期是相等的，角速度也是相等

的，所以线速度与两子星的轨道半径成正比。

三、 要明确两子星圆周运动的动力学关系。

设双星的两子星的质量分别为M1和M2，相距L，M1和M2的线速度分别为v1和v2,角

速度分别为ω1和ω2,由万有引力定律和牛顿第二定律得：

M1： 22121111121MMvGMMrLr

M2: 22122222222MMvGMMrLr

在这里要特别注意的是在求两子星间的万有引力时两子星间的距离不能代成了两子星做圆周运动的轨道半径。

四、“双星”问题的分析思路

质量m1,m2；球心间距离L；轨道半径 r1 ，r2 ；周期T1，T2 ；角速度ω1，ω2 线速度V1 V2；周期相同：（参考同轴转动问题） T1=T2

角速度相同：（参考同轴转动问题）ω1 =ω2

向心力相同：Fn1=Fn2

（由于在双星运动问题中，忽略其他星体引力的情况下向心力由双星彼此间万有引力提供，可理解为一对作用力与反作用力）

轨道半径之比与双星质量之比相反：（由向心力相同推导）

r1：r2=m2：m1

m1ω2r1=m2ω2r2

m1r1=m2r2 r1:r2=m2：m1

线速度之比与质量比相反：(由半径之比推导)

V1：V2=m2：m1

V1=ωr1 V2=ωr2

V1：V2=r1:r2=m2：m1

两颗质量可以相比的恒星相互绕着旋转的现象，叫双星.双星问题是万有引力定律在天文学上的应用的一个重要内容,现就这类问题的处理作简要分析。