高中 | 研究天体运动规律 题目答案及解析

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必修2

第六章 万有引力与航天

6.4 万有引力理论的成就

研究天体运动规律

$2021$$11$月,中科院国家天文台发布了目前世界上最大时域多星光谱星表,为科学家研究宇宙中的多星系统提供了关键数据支持。科学家观测到有三颗星$A$$B$$C$保持相对静止,相互之间的距离均为$l$,且一起绕着某点做周期为$T$的匀速圆周运动。已知$m_{A}=m$$m_{B}=m_{C}=(\sqrt{3}+1)m$,不计其它星体对它们的影响。关于这个三星系统,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

三颗星$A$$B$$C$的半径之比为$1:1:1$

","

三颗星$A$$B$$C$的线速度大小之比为$\\sqrt{2}:1:1$

","

若距离$l$均不变,$A$$B$$C$的质量均变为原来的$2$倍,则周期变为$\\dfrac{1}{2}T$

","

$A$$B$$C$的质量不变,距离均变为$2l$,则周期变为$\\sqrt{2}T$

"]
[["B"]]

$\rm A$.三星角速度与周期相等,根据对称性,$B$$C$轨道半径相等,如图所示

$A$星体有:$2G\dfrac{(\sqrt{3}+1)m^{2}}{l^{2}}\cos30{^\circ}=m\omega^{2}R_{A}$,对$B$$C$星体,两星体各自所受引力的合力大小相等,令为$F$,根据余弦定理有$F^{2}={\left\lbrack G\dfrac{(\sqrt{3}+1)m^{2}}{l^{2}}\right\rbrack}^{2}+{\left\lbrack G\dfrac{{(\sqrt{3}+1)}^{2}m^{2}}{l^{2}}\right\rbrack}^{2}-2G\dfrac{(\sqrt{3}+1)m^{2}}{l^{2}} \cdot G\dfrac{{(\sqrt{3}+1)}^{2}m^{2}}{l^{2}}\cos120{^\circ}$

$B$$C$轨道半径相等,令为$R_{B}=R_{C}=R_{0}$,则有:$F=(\sqrt{3}+1)m\omega^{2}R_{0}$,解得$\dfrac{R_{A}}{R_{0}}=\sqrt{2}$,则三颗星的半径大小之比为$\sqrt{2}:1:1$,故$\rm A$错误;

$\rm B$.根据线速度与角速度的关系有:$v=\omega R$,三颗星的线速度之比等于$\sqrt{2}:1:1$,故$\rm B$正确;

$\rm C$.距离$l$均不变,对$A$星体有:$2G\dfrac{(\sqrt{3}+1)m^{2}}{l^{2}}\cos30{^\circ}=m\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}R_{A}$,若$A$$B$$C$的质量均变为原来的$2$倍,根据对称性可知,三星圆周运动的圆心不变,即轨道半径不变,则有$2G\dfrac{4 \times (\sqrt{3}+1)m^{2}}{l^{2}}\cos30{^\circ}=2m\dfrac{4\pi^{2}}{T_{1}^{2}}R_{A}$,解得$T_{1}=\dfrac{\sqrt{2}T}{2}$,即若距离$l$均不变,$A$$B$$C$的质量均变为原来的$2$倍,则周期变为$\dfrac{\sqrt{2}}{2}T$,故$\rm C$错误;

$\rm D$.若$A$$B$$C$的质量不变,距离均变为$2l$,根据对称性可知,三星圆周运动的圆心不变,即轨道半径均变为先前的$2$倍,则对$A$星有:$2G\dfrac{(\sqrt{3}+1)m^{2}}{{(2l)}^{2}}\cos30{^\circ}=m\dfrac{4\pi^{2}}{T_{2}^{2}} \cdot 2R_{A}$

解得$T_{2}=2\sqrt{2}T$,即若$A$$B$$C$的质量不变,距离均变为$2l$,则周期变为$2\sqrt{2}T$,故$\rm D$错误。

故选:$\rm B$

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