Question

16．太陽系以外存在著許多恒星與行星組成的雙星系統(tǒng)．它們運行的原理可以理解為：質(zhì)量為M的恒星和質(zhì)量為m的行星（M＞m），在它們之間的萬有引力作用下有規(guī)則地運動著．如圖所示，我們可認為行星在以某一定點C為中心、半徑為a的圓周上做勻速圓周運動（圖中沒有表示出恒星）．設(shè)萬有引力常量為G，恒星和行星的大小可忽略不計．
（1）求恒星與C點間的距離．
（2）計算恒星的運行速率．

Answer 1

分析 （1）恒星與行星圍繞它們連線上的某一固定點分別做勻速圓周運動，相互之間的萬有引力提供各自的向心力，而且兩顆恒星有相同的角速度和周期．根據(jù)牛頓第二定律分別對兩星進行列式，來求解．
（2）根據(jù)萬有引力等于向心力，由牛頓第二定律列式求解恒星的運行速率v．

解答 解：（1）恒星和行星做圓周運動的角速度、向心力的大小均相同，則
對行星m，F(xiàn)=mω²R_m…①
對恒星M，F(xiàn)′=Mω²R_M…②
可得R_M=$\frac{m}{M}$a                         
（2）恒星運動的軌道和位置大致如圖，對恒星M有

根據(jù)萬有引力提供向心力，
$\frac{GMm}{{（a{+R}_{M}）}^{2}}$=M$\frac{{v}^{2}}{{R}_{M}}$                    
解得v=$\frac{m}{m+M}$$\sqrt{\frac{GM}{a}}$                    
答：（1）恒星與C點間的距離是$\frac{m}{M}$a．
（2）恒星的運行速率是$\frac{m}{m+M}$$\sqrt{\frac{GM}{a}}$．

點評 本題是雙星問題，關(guān)鍵抓住兩點：一是雙星由相互間的萬有引力提供向心力；雙星的條件是：角速度或周期相等．