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高考重点考点解读与针对性训练
第六章 万有引力与宇宙航行
考点35 双星模型和多星模型
【考点解读】
考点1 双星模型
1.模型构建：绕公共圆心转动的两个星体组成的系统，称为双星系统，如图所示。
2.特点
（1）各自所需的向心力由彼此间的万有引力提供，即Gm1m2
L
2
＝m1ω1
2r1，Gm1m2
L
2
＝m2
ω2
2r2。
（2）两颗星的周期及角速度都相同，即T1＝T2，ω1＝ω2。
（3）两颗星的轨道半径与它们之间的距离关系为r1＋r2＝L。
（4）两颗星的轨道半径与质量成反比，即r1
r2
＝m2
m1
。
（5）双星的运动周期T＝2π√
L
3
G（m1＋m2）
。
（6）双星的总质量m1＋m2＝4 π
2 L
3
GT
2 。
考点2 三星模型
1.模型构建：宇宙中三个星体组成的系统，星体间的万有引力的合力提供其做圆周运动所
需的向心力。
2.三星模型
（1）三颗星体位于同一直线上，两颗质量相等的环绕星围绕中央星在同一半径为R 的圆形
1
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轨道上运行（如图甲所示），对于质量为m 的星体有G
m
2
（2 R）
2 ＋GMm
R
2
＝ma。
（2）三颗质量均为m 的星体位于等边三角形的三个顶点上（如图乙所示），对于其中一
个星体有Gm
2
L
2 ×cos 30°×2＝ma。
考点3 .多星模型
分析处理多星问题，必须明确所研究星体所受的万有引力的合力提供其做圆周运动的向心
力.除中心星体
外，各星体的角速度和周期相等.
（1）已观测到稳定的三星系统存在的形式有：
①三颗星位于同一直线上，两颗环绕星体围绕中心星体在同一半径为R 的圆形轨道上运行，
如图甲所示.
②三颗质量均为m 的星体位于等边三角形的三个顶点上，如图乙所示.
（2）宇宙中存在一些离其他恒星很远的四颗恒星组成的四星系统，通常可忽略其他星体对
它们的引力作用.稳定的四星系统存在多种形式：
①四颗质量相等的恒星位于正方形的四个顶点上，沿外接于该正方形的圆形轨道做匀速圆
周运动，如图丙所示.
②三颗恒星始终位于等边三角形的三个顶点上，另一颗恒星位于等边三角形的中心O 点，
外围三颗恒星绕O 点做匀速圆周运动，如图丁所示.
【高考真题】
【典例1】.[2023 高考福建卷/多选]人类为探索宇宙起源发射的韦伯太空望远镜运行在日地
延长线上的拉格朗日L2点附近，L2点的位置如图所示.在L2点的航天器受太阳和地球引力共
同作用，始终与太阳、地球保持相对静止.考虑到太阳系内其他天体的影响很小，太阳和地
球可视为以相同角速度围绕日心和地心连线中的一点O（图中未标出）转动的双星系统.若
太阳和地球的质量分别为M 和m，航天器的质量远小于太阳、地球的质量，日心与地心的
距离为R，引力常量为G，L2点到地心的距离记为r（r≪R），在L2点的航天器绕O 点转动
的角速度大小记为ω.下列关系式正确的是[可能用到的近似
1
（R＋r ）
2≈1
R
2（1－2 r
R ）]
2
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（ ）
A.ω＝[G（M ＋m）
2 R
3
]
1
2
B.ω＝[G（M ＋m）
R
3
]
1
2
C.r＝（
3m
3 M ＋m ）
1
3R D.r＝（
m
3 M ＋m ）
1
3R
【典例2】（2018 高考全国理综I）．2017 年，人类第一次直接探测到来自双中子星合并
的引力波。根据科学家们复原的过程，在两颗中子星合并前约100 s 时，它们相距约
400 km，绕二者连线上的某点每秒转动12 圈，将两颗中子星都看作是质量均匀分布
的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗
中子星
A．质量之积
B．质量之和
C．速率之和
D．各自的自转角速度
【典例3】．（2015·安徽）由三颗星体构成的系统，忽略其它星体对它们的作用，存在着
一种运动形式：三颗星体在相互之间的万有引力作用下，分别位于等边三角形的三个顶点
上，绕某一共同的圆心O 在三角形所在的平面内做相同角速度的圆周运动（图示为A、B、
C 三颗星体质量不相同时的一般情况）。若A 星体质量为2m，B、C 两星体的质量均为m，
三角形的边长为a，求：
3
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（1）A 星体所受合力大小FA；
（2）B 星体所受合力大小FB；
（3）C 星体的轨道半径RC；
（4）三星体做圆周运动的周期T。
【针对性训练】
1.（2025·辽宁二模）厦门大学天文学系顾为民教授
团队
利用我国郭守敬望远镜积累的海量恒星光谱，发现了
一个
处于宁静态的中子星与红矮星组成的双星系统，质量
比约
为2∶1，同时绕它们连线上某点O 做匀速圆周运动，
研究
成果于2022 年9 月22 日发表在《自然·天文》期刊上。
则此
中子星绕O 点运动的（ ）
A.角速度等于红矮星绕O 点运动的角速度
B.轨道半径大于红矮星的轨道半径
C.向心力大小约为红矮星的3 倍
D.向心加速度小于红矮星的向心加速度
2.（2025·河南商丘期末）天文观测已经证实，三星系统是常见的，甚至在已知的大质量恒
星群中占主导地位。如图所示，质量均为M 的P、O、S 三颗星位于同一直线上P、S 两颗
星围绕中央星O 在同一半径为R 的圆轨道上做匀速圆周运动，已知万有引力常量为G，忽
RC
R
R
B
C
A
O
4
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略其他星体对它们的引力作用，则（ ）
A.P 星和S 星的角速度相同
B.P 星和S 星的线速度相同
C.P、O、S 三颗星所受合外力大小相等
D.P 星的周期为5 π R
5 √
5 R
GM
3. （2025·安徽六安模拟）宇宙中的“双星系统”是由两颗相距较近的恒星组成，每个恒
星的大小远小于两个星体之间的距离，且一般远离其他天体。如图所示，两颗恒星组成的
双星系统，在相互的万有引力作用下，绕连线上的O 点做周期相同的匀速圆周运动。现测
得两颗恒星之间的距离为L，质量之比为m1∶m2＝3∶2。则m1、m2做圆周运动（ ）
A.线速度之比为2∶3
B.角速度之比为3∶2
C.向心力之比为2∶3
D.半径之比为2∶3
4.（2025·安徽滁州二模）图示为某双星系统A、B 绕其连线上的O 点做匀速圆周运动的示
意图。已知双星的总质量为M，双星间的距离为L，双星运动的周期为T，下列说法正确的
是（ ）
A.当L 一定、M 变大时，T 不变
B.当L 一定、M 变大时，T 变小
C.当M 一定、L 变大时，T 变小
D.当M 一定、L 变小时，T 不变
5 .中国科学家利用“慧眼”太空望远镜观测到了银河系的MaxiJ1820＋070，MaxiJ1820＋
5
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070 是一个由黑洞和恒星组成的双星系统，距离地球约10000 光年.根据观测，此双星系统
中的黑洞质量大约是恒星质量的16 倍，可推断该黑洞与恒星的（ ）
A.向心力大小之比为16：1
B.周期大小之比为16：1
C.角速度大小之比为1：1
D.加速度大小之比为1：1
6. 宇宙中存在一些质量相等的四颗星组成的四星系统（忽略其他星体对它们的引力作
用）.设某四星系统中每颗星体的质量均为m，半径均为R，四颗星稳定分布在边长为a 的
正方形的四个顶点上.已知引力常量为G.关于该四星系统，下列说法错误的是（ ）
A.四颗星围绕正方形对角线的交点做匀速圆周运动
B.四颗星的轨道半径均为a
2
C.四颗星表面的重力加速度均为Gm
R
2
D.四颗星的周期均为2πa√
2a
（4 +√2）Gm
7.[2024 江苏靖江中学校考]若将地球和月球看成一个双星系统，两者间距离为L，它们绕着
两者连线上的某点做匀速圆周运动，运行周期为T，从漫长的宇宙演化来看，两者质量都
不断减小，将导致月地间距离变大.若引力常量为G，则下列说法正确的是（ ）
A.当前月球和地球的动能相等
B.当前该双星系统的总质量为4 π
2 L
3
GT
2
C.在将来的演化过程中，该双星系统运转的周期将逐渐减小
D.在将来的演化过程中，该双星系统的总动能将逐渐增大
8 如图所示，“食双星”是两颗相距为d 的恒星A、B，只在相互引力作用下绕连线上O
点做匀速圆周运动，彼此掩食(像月亮挡住太阳)而造成亮度发生周期性变化的两颗恒星。
观察者在地球上通过望远镜观察“食双星”，视线与双星轨道共面。观测发现每隔时间T
两颗恒星与望远镜共线一次，已知引力常量为G，则( )
6
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A.恒星A、B 运动的周期为T
B.恒星A 的质量小于B 的质量
C.恒星A、B 的总质量为
D.恒星A 线速度大于B 的线速度
9. 如图所示是宇宙中存在的某三星系统，忽略其他星体的万有引力，三个星体A、B、C
在边长为d 的等边三角形的三个顶点上绕同一圆心O 做匀速圆周运动。已知A、B、C 的质
量分别为2m、3m、3m，引力常量为G，则下列说法正确的是( )
图7
A.三个星体组成的系统动量守恒
B.A 的周期小于B、C 的周期
C.A 所受万有引力的大小为
D.若B 的角速度为ω，则A 与圆心O 的距离为
10 (2024·安徽合肥模拟)如图5 甲所示，河外星系中两黑洞A、B 的质量分别为M1和M2，
它们以两者连线上的某一点O 为圆心做匀速圆周运动。为研究方便，简化为如图乙所示的
示意图，黑洞A、B 均可看成球体，OA>OB。下列说法正确的是( )
图5
A.黑洞A 的运行线速度大小小于黑洞B 的运行线速度大小
B.若两黑洞间的距离一定，把黑洞B 上的物质移到黑洞A 上，他们之间的引力变大
C.若两黑洞间的距离一定，把黑洞A 上的物质移到黑洞B 上，他们运行的周期变大
D.人类要把航天器发射到距黑洞A 较近的区域进行探索，发射速度一定大于第三宇宙速度
7
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11 .如图所示为一个简化的直线三星系统模型。三个星球的质量均为m，a、b 两个星球绕
处于二者中心的星球c 做半径为r 的匀速圆周运动。已知引力常量为G，忽略其他星体对他
们的引力作用，则下列说法正确的是( )
A.星球a 做匀速圆周运动的加速度大小为
B.星球a 做匀速圆周运动的线速度大小为
C.星球b 做匀速圆周运动的周期为4π
D.若因某种原因中心星球c 的质量缓慢减小，则星球a、b 的线速度均将缓慢增大
12.宇宙中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，可忽略其他
星体对三星系统的影响。稳定的三星系统存在两种基本形式：一种是三颗星位于同一直线
上，两颗星围绕中央星在同一半径为R 的轨道上运行，如图甲所示，周期为T1；另一种是
三颗星位于边长为R 的等边三角形的三个顶点上，并沿等边三角形的外接圆运行，如图乙
所示，周期为T2，则T1∶T2为（ ）
A.√
3
5
B.2√
3
5
C.3√
3
5
D.4√
3
5
13 .[2024 山东日照高三校联考开学考试/多选]2023 年6 月21 日，国际学术期刊《自然》
刊载：“中国天眼FAST”发现了一个名为PSRJ1953＋1844（M71E）的双星系统，其轨道周
期仅为53 分钟，是目前发现轨道周期最短的脉冲星双星系统.假设双星系统中两颗脉冲星
在演化过程中，质量较大的脉冲星不断“吸食”质量较小的脉冲星，直至完全吞并.某双星
系统中的两颗脉冲星a 和b 的质量分别为m1、m2，其中m2＝14m1，轨道周期为T，万有引
力常量为G.根据提供的信息，下列说法正确的是（ ）
A.两颗脉冲星的距离为3√
G（m1＋m2）T
2
4 π
2
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B.脉冲星a 的线速度大小为14
15
3√
2π G（m1＋m2）
T
C.脉冲星b 的密度为3 π
GT
2
D.若在演化过程中双星间的距离保持不变，则双星间的引力逐渐减小
14 双星的运动是产生引力波的来源之一，假设宇宙中有一双星系统由a、b 两颗星组成，
这两颗星绕它们连线的某一点在万有引力作用下做匀速圆周运动，测得a 星的周期为T，
a、b 两颗星的距离为l，a、b 两颗星的轨道半径之差为Δr（a 星的轨道半径大于b 星的轨
道半径），则（ ）
A.b 星的周期为l－Δr
l＋Δr T
B.a 星的线速度大小为π （l＋Δr ）
T
C.a、b 两颗星的轨道半径的比值为
l
l－Δr
D.a、b 两颗星的质量的比值为l＋Δr
l－Δr
15. 太空中存在一些离其他恒星较远的、由质量相等的三颗星组成的三星系统，通常可忽
略其他星体对它们的引力作用.已观测到稳定的三星系统存在两种基本的构成形式（如图所
示）：一种是三颗星位于同一直线上，两颗星围绕中央星在同一半径为R 的圆轨道上运行；
另一种形式是三颗星位于等边三角形的三个顶点上，并沿外接于等边三角形的圆形轨道运
行.设这三颗星的质量均为M，并设两种系统的运动周期相同，则（ ）
A.直线三星系统中甲星和丙星的线速度相同
B.直线三星系统的运动周期T＝4πR√
R
5GM
C.三角形三星系统中星体间的距离L＝3√
12
5
R
D.三角形三星系统的线速度大小为1
2√
5GM
R
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