(20 分)2008 年 12 月,天文学家们通过观测的数…——2009 高考物理第 12 题答案解析

2009_天津 Paper

2009 Tianjin Question 12 Free-response Differentiating
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12.(20 分)2008 年 12 月,天文学家们通过观测的数据确认了银河系中央的黑洞“人马座$\mathbf { A } ^ { * } { } ^ { * }$ 的质量与太阳质量的倍数关系.研究发现,有一星体S2绕人马座 $\mathbf { A } ^ { * }$ 做椭圆运动,其轨道半长轴为 $9 . 5 0 \times 1 0 ^ { 2 }$ 天文单位(地球公转轨道的半径为一个天文单位),人马座 $\mathbf { A } ^ { * }$ 就处在该椭圆的一个焦点上.观测得到S2星的运行周期为 15.2年

(1)若将 S2 星的运行轨道视为半径 $\mathrm { r } { = } 9 . 5 0 \times 1 0 ^ { 2 }$ 天文单位的圆轨道,试估算人马座 $\mathbf { A } ^ { * }$ 的质量 $\mathrm { { M _ { A } } }$ 是太阳质量 $\mathbf { M } _ { \mathrm { s } }$ 的多少倍(结果保留一位有效数字);

(2)黑洞的第二宇宙速度极大,处于黑洞表面的粒子即使以光速运动,其具有的动能也不足以克服黑洞对它的引力束缚.由于引力的作用,黑洞表面处质量为m的粒子具有势能为 $\mathrm { E } _ { \mathrm { p } } { = } - \mathrm { G } _ { { \_ } R } ^ { { \_ } M m } $ (设粒子在离黑洞无限远处的势能为零),式中M、R分别表示黑洞的质量和半径.已知引力常量 $\mathrm { G } { = } 6 . 7 \times 1 0 ^ { - 1 1 } \mathrm { N } ^ { \bullet } \mathrm { m } ^ { 2 } / \mathrm { k g } ^ { 2 }$ ,光速 $\mathrm { c } { = } 3 . 0 { \times } 1 0 ^ { 8 } \mathrm { m / s }$ ,太阳质量$\mathrm { M _ { s } } { = } 2 . 0 { \times } 1 0 ^ { 3 0 } \mathrm { k g }$ ,太阳半径 $\mathrm { R _ { s } } { = } 7 . 0 { \times } 1 0 ^ { 8 } \mathrm { m }$ ,不考虑相对论效应,利用上问结果,在经典力学范围内求人马座 $\mathbf { A } ^ { * }$ 的半径 $\mathrm { R _ { A } }$ 与太阳半径 $\mathrm { R _ { g } }$ 之比应小于多少(结果按四舍五入保留整数)

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(1)设 S2 星的质量为 $m$,绕人马座 A* 做圆周运动的半径为 $r$,周期为 $T$。根据万有引力提供向心力,有:
$$G\frac{M_A m}{r^2} = m\left(\frac{2\pi}{T}\right)^2 r$$
解得人马座 A* 的质量:
$$M_A = \frac{4\pi^2 r^3}{GT^2}$$

同理,设地球质量为 $m_E$,绕太阳做圆周运动的轨道半径为 $r_E$(1 天文单位),周期为 $T_E$(1 年),太阳质量为 $M_S$,则有:
$$M_S = \frac{4\pi^2 r_E^3}{GT_E^2}$$

两式相比消去常量 $G$ 和 $4\pi^2$,得:
$$\frac{M_A}{M_S} = \left(\frac{r}{r_E}\right)^3 \cdot \left(\frac{T_E}{T}\right)^2$$

代入已知数据:$r = 9.50 \times 10^2$ 天文单位,$r_E = 1$ 天文单位,$T = 15.2$ 年,$T_E = 1$ 年。
$$\frac{M_A}{M_S} = (9.50 \times 10^2)^3 \times \left(\frac{1}{15.2}\right)^2$$
计算可得:
$$(9.50 \times 10^2)^3 \approx 8.57 \times 10^8$$
$$\left(\frac{1}{15.2}\right)^2 \approx 4.33 \times 10^{-3}$$
$$\frac{M_A}{M_S} \approx 8.57 \times 10^8 \times 4.33 \times 10^{-3} \approx 3.7 \times 10^6$$
结果保留一位有效数字,即:
$$\frac{M_A}{M_S} \approx 4 \times 10^6$$

(2)根据题意,黑洞表面处质量为 $m$ 的粒子以光速 $c$ 运动时,其总能量(动能加势能)小于零,无法逃逸至无限远。
粒子的动能为 $E_k = \frac{1}{2}mc^2$,势能为 $E_p = -G\frac{M_A m}{R_A}$。
由题意条件“动能不足以克服引力束缚”,即总能量 $E < 0$:
$$\frac{1}{2}mc^2 - G\frac{M_A m}{R_A} < 0$$
化简得:
$$\frac{1}{2}c^2 < \frac{GM_A}{R_A}$$
解得人马座 A* 的半径上限:
$$R_A < \frac{2GM_A}{c^2}$$

将第一问的结果 $M_A = 4 \times 10^6 M_S$ 代入上式:
$$R_A < \frac{2G(4 \times 10^6 M_S)}{c^2} = 4 \times 10^6 \times \frac{2GM_S}{c^2}$$

我们需要求 $\frac{R_A}{R_S}$ 的上限。虽然题目未直接给出 $\frac{2GM_S}{c^2}$ 与 $R_S$ 的关系,但我们可以直接代入数值计算比值。
已知 $G = 6.7 \times 10^{-11} \, \mathrm{N \cdot m^2/kg^2}$,$c = 3.0 \times 10^8 \, \mathrm{m/s}$,$M_S = 2.0 \times 10^{30} \, \mathrm{kg}$,$R_S = 7.0 \times 10^8 \, \mathrm{m}$。

先计算 $\frac{2GM_S}{c^2}$ 的数值:
$$\frac{2GM_S}{c^2} = \frac{2 \times 6.7 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.0 \times 10^8)^2} = \frac{26.8 \times 10^{19}}{9.0 \times 10^{16}} \approx 2.98 \times 10^3 \, \mathrm{m}$$

则 $R_A$ 的最大值约为:
$$R_A < 4 \times 10^6 \times 2.98 \times 10^3 \, \mathrm{m} \approx 1.19 \times 10^{10} \, \mathrm{m}$$

计算 $R_A$ 与 $R_S$ 的比值:
$$\frac{R_A}{R_S} < \frac{1.19 \times 10^{10}}{7.0 \times 10^8} = \frac{119}{7} \approx 17$$
或者直接使用代数式推导比值:
$$\frac{R_A}{R_S} < \frac{2G(4 \times 10^6 M_S)}{c^2 R_S} = 4 \times 10^6 \times \frac{2 \times 6.7 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.0 \times 10^8)^2 \times 7.0 \times 10^8}$$
$$= 4 \times 10^6 \times \frac{26.8 \times 10^{19}}{9.0 \times 10^{16} \times 7.0 \times 10^8} = 4 \times 10^6 \times \frac{26.8}{63} \times 10^{-5}$$
$$= 40 \times \frac{26.8}{63} \approx 40 \times 0.4254 \approx 17.016$$
按四舍五入保留整数,比值为 17。
故 $R_A$ 与 $R_S$ 之比应小于 17。

✅ 来源:2009年 · 天津 · 2009_天津卷 · 第 12 题 · 本题已通过全部自动发布校验
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