两个或两个以上的星体构建了一个稳定而独立的星体组,星体组围绕一个共同点做匀速圆周运动,这样的星体组称之为多星系统。那么多星系统具有怎样的运动学或动力学特征呢?分析解决多星系统,可以运用什么方法呢?
市面上的教辅书籍一般强调下面两个特征:
特征一:多星系统中各个星体做匀速圆周运动的角速度相同;
特征二:每个星体都是其他星体施加的万有引力的合力提供向心力。
根据这两个特征和具体情景,运用力的合成和牛顿第二定律,对每一个星体列出方程,最终根据几何关系、三角函数等一定能解决多星系统的相关问题。
当多星系统中的星体个数达到三个及其以上,而且星体组成的相对静态的图形为不规则图形时,问题解决就会变得十分复杂和困难。
先看下面一道题:
根据前面叙述特征一,你很快就能对AB选项做出正确判断。因为数量关系比较模糊,对选项CD难以做出判断。不过C选项,根据特征二也是容易做出判断,只要对任何两个星体进行隔离分析,任何一个星体受到的合力指向圆心O,根据此做出该合力与两个分力的平行四边形运算图示,就能得到两个分力的大小关系,继而根据万有引力公式就能判断出另外两个星体的质量关系。
不难注意到,画出“矢量图”时常是解决物理问题的关键。所以,重视“矢量图”的绘制和运用,是高中物理教学中的一个基本内容,“矢量图”方法作为解决物理问题的工具,作者称之为物理学科技能之一。
解决了C选项,有可能发现D选项变得特别困难,根据前面两个特征和已知条件似乎很难做出正确判断。确实如此!那么有没有其他方法呢?答案是肯定的,这就涉及到另外两个特征:
特征三:多星系统的“圆心”实际上就是该系统的质心;
特征四:多星系统的质心加速度为0。
根据这两个特征,题目中每个星体合力事实上也要构成封闭的矢量三角形,于是运用图示法很快就能做出判断。请看图解:
总结与启示:多星系统作为一种物理现象,应该从运动学(现象学)对系统做一个观察而理解性的认识,这是物理学习的起点,只有起点高,才能推向深度学习;图示法是一种半定量方法,是用来解决物理问题的基本而重要的方法,虽然教材没有对此重视,但师生在教学时不能不重视,这有利于物理学科核心素养的养成。
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