2020年高考物理备考微专题精准突破 专题2.9 双星与天体追及相遇问题
【专题诠释】 一、双星问题
(1)定义：绕公共圆心转动的两个星体组成的系统，我们称之为双星系统，如图所示．
(2)特点：
Gm1m2Gm1m2
2r. ①各自所需的向心力由彼此间的万有引力相互提供，即＝m1ω2＝m2ω21r1，222LL②两颗星的周期及角速度都相同，即 T1＝T2，ω1＝ω2.
③两颗星的半径与它们之间的距离关系为：r1＋r2＝L. m1r2
(3)两颗星到圆心的距离r1、r2与星体质量成反比，即＝. m2r1二、卫星中的“追及相遇”问题
某星体的两颗卫星之间的距离有最近和最远之分，但它们都处在同一条直线上．由于它们的轨道不是重合的，因此在最近和最远的相遇问题上不能通过位移或弧长相等来处理，而是通过卫星运动的圆心角来衡量，若它们的初始位置与中心天体在同一直线上，内轨道所转过的圆心角与外轨道所转过的圆心角之差为π的整数倍时就是出现最近或最远的时刻． 【高考领航】
【2018·高考全国卷?】2017年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波．根据科学家们复原的
过程，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈．将两颗
中子星都看作是质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一 时刻两颗中子星
( )
A．质量之积 B．质量之和 C．速率之和 D．各自的自转角速度
【答案】 BC
【解析】 两颗中子星运动到某位置的示意图如图所示．
每秒转动12圈，角速度已知，
中子星运动时，由万有引力提供向心力得 Gm1m2
＝m1ω2r1① l2Gm1m2
＝m2ω2r2② l2l＝r1＋r2③
G（m1＋m2）ω2l3
2由①②③式得＝ωl，所以m1＋m2＝，
l2G质量之和可以估算．
由线速度与角速度的关系v＝ωr得 v1＝ωr1④ v2＝ωr2⑤
由③④⑤式得v1＋v2＝ω(r1＋r2)＝ωl，速率之和可以估算． 质量之积和各自自转的角速度无法求解． 【技巧方法】
1.双星问题求解思维引导
2.对于天体追及问题的处理思路
GMm
(1)根据2＝mrω2，可判断出谁的角速度大；
r
(2)根据天体相距最近或最远时，满足的角度差关系进行求解． 【最新考向解码】
【例1】(2019·山东恒台一中高三上学期诊断考试)2017年8月28日，中科院南极天文中心的巡天望远镜观测到一个由双中子星构成的孤立双星系统产生的引力波。该双星系统以引力波的形式向外辐射能量，使得圆周运动的周期T极其缓慢地减小，双星的质量m1与m2均不变，在两颗中子星合并前约100 s时，它们相距约400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12圈，将两颗中子星都看做是质量均匀分布的球体，则下列关于该双星系统的说法正确的是( )
A．两颗中子星的自转角速度相同，在合并前约100 s时ω＝24π rad/s B．合并过程中，双星间的万有引力逐渐增大
C．双星的线速度逐渐增大，在合并前约100 s时两颗星速率之和为9.6π×106 m/s D．合并过程中，双星系统的引力势能逐渐增大 【答案】 BC
【解析】 由题可知，两颗中子星的公转角速度相同，在合并前约100 s时，双星的转动频率为12 Hz，则公转角速度ω0＝2πf＝24π rad/s，而自转角速度由题中条件不能求得，A错误；设两颗星的轨道半径分别为r1、r2，相距为L，根据万有引力提供向心力可知：m1r1
ω2
Gm1m2
＝L2G?m1＋m2?4π2LGm1m22π2
＝m2r2ω公，又r1＋r2＝L，T＝，整理可得＝2，解得T＝ 公，L2L2Tω公
4π2L3Gm1m2，由此可知，周期变小，双星间的距离变小，双星间的万有引力F＝逐
L2G?m1＋m2?
2
m1m2v2m1m2v21
渐增大，B正确；设两颗星的线速度分别为v1、v2，则G2＝m1，G2＝m2，又r1
Lr1Lr2
r1m2
＋r2＝L，＝，解得v1＝
r2m1Gm22
，v＝
?m1＋m2?L22Gm1
，L减小，双星的线速度逐渐
?m1＋m2?L
增大，根据v＝rω可知：v1＝r1ω公，v2＝r2ω公，解得v1＋v2＝(r1＋r2)ω公＝Lω公，代入数据可知在合并前约100 s时两颗星的速率之和为9.6π×106 m/s，C正确；合并过程中，双星间的引力做正功，所以引力势能逐渐减小，D错误。
【例2 】(2019·河南洛阳尖子生一联)设金星和地球绕太阳中心的运动是公转方向相同且轨道共面的匀速圆
周运动，金星在地球轨道的内侧(称为地内行星)，在某特殊时刻，地球、金星和太阳会出现在一条直线上，
这时候从地球上观测，金星像镶嵌在太阳脸上的小黑痣缓慢走过太阳表面，天文学称这种现象为“金星凌日”，
假设地球公转轨道半径为R，“金星凌日”每隔t0年出现一次，则金星的公转轨道半径为
( )
t0A.R 1＋t0
3C．R
1＋t02（）
t0
B．R
3
（t0
）3 1＋t0
D．R
t0（）2 1＋t0
【答案】D
R3T2金金2π2π
【解析】根据开普勒第三定律有3＝2，“金星凌日”每隔t0年出现一次，故(－)t0＝2π，
RT地T金T地3R金3t0t0
2
已知T地＝1年，联立解得＝（），因此金星的公转轨道半径R金＝R（）2，
R1＋t01＋t0故D正确． 【微专题精练】
1.双星系统由两颗恒星组成，两恒星在相互引力的作用下，分别围绕其连线上的某一点做周期相同的匀速圆周运动．研究发现，双星系统演化过程中，两星的总质量、距离和周期均可能发生变化．若某双星系统中两星做圆周运动的周期为T，经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的k倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为( ) A．n3T B．k2
n3T C.k
n2T D．k
nT k
【答案】B.
【解析】设两恒星中一个恒星的质量为m，围绕其连线上的某一点做匀速圆周运动的半径为m（M－m）m（M－m）4π2r，两星总质量为M，两星之间的距离为R，由G＝mr2，G＝(M2
RTR24π2
－m)(R－r)2，联立解得：T＝2π
T
R3.经过一段时间演化后，两星总质量变为原来的kGM
（nR）3
＝
G（kM）
n3k
倍，两星之间的距离变为原来的n倍，则此时圆周运动的周期为T'＝2π T.选项B正确．
2.双星系统由两颗绕着它们中心连线上的某点旋转的恒星组成．假设两颗恒星质量相等，理论计算它们绕连
线中点做圆周运动，理论周期与实际观测周期有出入，且以两星球中心连
T理论n
＝(n>1)，科学家推测，在T观测1
线为直径的球体空间中均匀分布着暗物质，设两星球中心连线长度为L，两星球质量均为m，据此推测，暗 物质的质量为
A．(n－1)m n－1C.m
4【答案】C
m2L2π2
【解析】双星运动过程中万有引力提供向心力：G2＝m()，解得T
L2T理论
理论
( ) B．(2n－1)m n－2D.m
8
＝
2π2L3
；设Gm
观测
m2M′mL2π2
暗物质的质量为M'，对星球由万有引力提供向心力G2＋G＝m()，解得T
LL22T观测
（）2＝
T理论n－12π2L3n.根据＝，联立以上可得：M'＝m ，选项C正确．
4G（m＋4M′）T观测1
3.(2019·广州执信中学期中)太空中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常
可忽略其他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
的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运行．设这三个星体的质量均为M，并设两种系统的运 动周期相同，则
( )
A．直线三星系统中甲星和丙星的线速度相同 B．直线三星系统的运动周期T＝4πR
R 5GM
3121
R D．三角形三星系统的线速度大小为 52
C．三角形三星系统中星体间的距离L＝ 5GM R
相关推荐：
loading