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太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间,且三者几乎排成一条直线的现象,天文学称为“行星冲日”。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如表所示。根据题中信息,试计算木星相邻两次冲日的时间间隔,哪颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔最短?地球火星木星土星天王星海王星轨道半径R/AU1.01.55.29.51930

太阳系各行星几乎在同一平面内沿同一方向绕太阳做圆周运动。当地球恰好运行到某地外行星和太阳之间,且三者几乎排成一条直线的现象,天文学称为“行星冲日”。已知地球及各地外行星绕太阳运动的轨道半径如表所示。根据题中信息,试计算木星相邻两次冲日的时间间隔,哪颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔最短?

地球

火星

木星

土星

天王星

海王星

轨道半径R/AU

1.0

1.5

5.2

9.5

19

30

题目解答

答案

由开普勒第三定律,其轨道半径的三次方与周期T的平方的比值都相等,可知地球的公转周期T最小,海王星的公转周期最大。

设地球外另一行星的周期为T′,则两次冲日时间间隔为t,则tT−tT′=1  得t=T1−TT′,则T′越大,t越小,即地外行星中,海王星相邻两次冲日的时间间隔最短。

答:海王星相邻两次冲日的时间间隔最短

解析

步骤 1:确定行星冲日的条件
行星冲日是指地球、地外行星和太阳几乎排成一条直线,且地球位于地外行星和太阳之间。这意味着地球和地外行星在轨道上的相对位置发生了变化,使得地球和地外行星之间的夹角为180度。

步骤 2:应用开普勒第三定律
根据开普勒第三定律,行星绕太阳运动的轨道半径的三次方与周期的平方的比值都相等。即:\[ \frac{R^3}{T^2} = \text{常数} \],其中R是轨道半径,T是周期。由于地球和地外行星绕太阳运动的轨道半径不同,它们的周期也不同。地球的周期为1年,而地外行星的周期则根据其轨道半径计算得出。

步骤 3:计算木星相邻两次冲日的时间间隔
设地球的周期为T,木星的周期为T',则地球和木星相邻两次冲日的时间间隔t满足:\[ \frac{t}{T} - \frac{t}{T'} = 1 \]。将地球和木星的轨道半径代入开普勒第三定律,可以计算出木星的周期T',进而求出t。

步骤 4:确定哪颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔最短
根据步骤3的计算方法,可以计算出各颗地外行星相邻两次冲日的时间间隔。由于T'越大,t越小,因此轨道半径最大的行星相邻两次冲日的时间间隔最短。

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