题目
2.行星的平均密度是p,靠近行星表面运行的卫星运转周期是T,证明:是一个常量,即对任何行星都相同.
2.行星的平均密度是p,靠近行星表面运行的卫星运转周期是T,证明:
是一个常量,即对任何行星都相同.

题目解答
答案
由
,得
,所以
,所以
.




解析
步骤 1:确定行星表面卫星的运动方程
根据万有引力定律,行星对卫星的引力提供卫星绕行星做圆周运动的向心力,即
$G\dfrac {Mm}{{R}^{2}}=m\dfrac {4{\pi }^{2}}{{T}^{2}}R$,
其中,$M$是行星的质量,$m$是卫星的质量,$R$是行星的半径,$T$是卫星的运转周期,$G$是万有引力常量。
步骤 2:求解行星的质量
由步骤 1 的方程,可以解出行星的质量$M$:
$M=\dfrac {4{\pi }^{2}{R}^{3}}{G{T}^{2}}$。
步骤 3:求解行星的平均密度
行星的平均密度$\rho$定义为行星的质量$M$除以行星的体积$V$,即
$\rho =\dfrac {M}{V}$。
行星的体积$V$为$\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}$,所以
$\rho =\dfrac {\dfrac {4{\pi }^{2}{R}^{3}}{G{T}^{2}}}{\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}}=\dfrac {3\pi }{G{T}^{2}}$。
步骤 4:证明$\rho {\pi }^{2}$是一个常量
根据步骤 3 的结果,可以得到
$\rho {\pi }^{2}=\dfrac {3\pi }{G{T}^{2}}{\pi }^{2}=\dfrac {3{\pi }^{3}}{G{T}^{2}}$。
由于$G$和$\pi$是常量,所以$\rho {\pi }^{2}$是一个常量,即对任何行星都相同。
根据万有引力定律,行星对卫星的引力提供卫星绕行星做圆周运动的向心力,即
$G\dfrac {Mm}{{R}^{2}}=m\dfrac {4{\pi }^{2}}{{T}^{2}}R$,
其中,$M$是行星的质量,$m$是卫星的质量,$R$是行星的半径,$T$是卫星的运转周期,$G$是万有引力常量。
步骤 2:求解行星的质量
由步骤 1 的方程,可以解出行星的质量$M$:
$M=\dfrac {4{\pi }^{2}{R}^{3}}{G{T}^{2}}$。
步骤 3:求解行星的平均密度
行星的平均密度$\rho$定义为行星的质量$M$除以行星的体积$V$,即
$\rho =\dfrac {M}{V}$。
行星的体积$V$为$\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}$,所以
$\rho =\dfrac {\dfrac {4{\pi }^{2}{R}^{3}}{G{T}^{2}}}{\dfrac {4}{3}\pi {R}^{3}}=\dfrac {3\pi }{G{T}^{2}}$。
步骤 4:证明$\rho {\pi }^{2}$是一个常量
根据步骤 3 的结果,可以得到
$\rho {\pi }^{2}=\dfrac {3\pi }{G{T}^{2}}{\pi }^{2}=\dfrac {3{\pi }^{3}}{G{T}^{2}}$。
由于$G$和$\pi$是常量,所以$\rho {\pi }^{2}$是一个常量,即对任何行星都相同。