如图为宇宙中有一个恒星系的示意图.A为星系的一颗行星,它绕中央恒星O运行的轨道近似为圆.天文学家观测得到A行星运动的轨道半径为R0、周期为T0.(1)中央恒星O的质量为多大?(2

◎ 题目

如图为宇宙中有一个恒星系的示意图.A为星系的一颗行星,它绕中央恒星O运行的轨道近似为圆.天文学家观测得到A行星运动的轨道半径为R0、周期为T0
(1)中央恒星O的质量为多大?
(2)经长期观测发现,A行星实际运动的轨道与圆轨道总存在一些偏离,且周期性地每隔时间t0发生一次最大的偏离.天文学家认为形成这种现象的原因可能是A行星外侧还存在着一颗未知的行星B(假设其运行轨道与A在同一水平面内,且与A的绕行方向相同),它对A行星的万有引力引起A轨道的偏离(由于B对A的吸引而使A的周期引起的变化可以忽略)根据上述现象及假设,试求未知行星B的运动周期T及轨道半径R.

◎ 答案

(1)设中央恒星质量为M,A行星质量为m
由万有引力提供向心力得:
GMm
R20
=
m4π2R0
T2

得:M=
4π2
R30
G
T20

(2)每隔时间t0发生一次最大的偏离,说明A、B每隔时间t0有一次相距最近的情况,这时它们转过的角度相差1周(2π),所以有:
T0
t0
-
T
t0
=2π
解得:T=
t0T0
t0-T0

据开普勒第三定律:
R3
T2
=
R30
T20

得:R=(
t0
t0-T0
)
2
3
R0

答:中央恒星O的质量为M=
4π2
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