离太阳中心的近似平均距离 xx(单位:百万千米)以及公转周期 TT(单位:地球年)记录在下表中。
水星金星火星天王星
xx581082282871
TT0.240.621.8884.11
据信,围绕太阳公转的行星遵循形如 T=kxnT = kx^n 的规律,其中 kk 和 nn 为常数。

  1. (a)

    将该方程表示为适合绘制直线图的形式,并在两个坐标轴上使用适当的刻度比例绘制该图。

  2. (b)

    利用你的图表估算 kk 和 nn 的值,保留两位有效数字。

  3. (c)

    利用该图表,如果地球和太阳之间的距离大约是 149.6×106 km149.6 \times 10^6\text{ km},求地球的公转周期。将你的答案精确到最接近的整数。

  4. (d)

    如果木星的公转周期为 11.86 地球年,请根据你的图表估算木星到太阳的距离(以千米为单位)。

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完整解法

8(a)

1. Transform the non-linear equation into a linear form using logarithms.

T=kxnT = kx^n
Take lg⁡\lg on both sides:
lg⁡T=lg⁡(kxn)\lg T = \lg(kx^n)
lg⁡T=lg⁡k+lg⁡xn\lg T = \lg k + \lg x^n
lg⁡T=nlg⁡x+lg⁡k\lg T = n \lg x + \lg k

2. Calculate the corresponding values for the linear variables $\lg x$ and $\lg T$.

Let X=lg⁡xX = \lg x and Y=lg⁡TY = \lg T.

| xx | 58 | 108 | 228 | 2871 |
| TT | 0.24 | 0.62 | 1.88 | 84.11 |
| X=lg⁡xX = \lg x | 1.76 | 2.03 | 2.36 | 3.46 |
| Y=lg⁡TY = \lg T | -0.62 | -0.21 | 0.27 | 1.93 |

3. Plot the straight line graph.

Plot the points (1.76,−0.62)(1.76, -0.62), (2.03,−0.21)(2.03, -0.21), (2.36,0.27)(2.36, 0.27), and (3.46,1.93)(3.46, 1.93) on a Cartesian plane with XX-axis as lg⁡x\lg x and YY-axis as lg⁡T\lg T. Draw the line of best fit passing through these points.

答案

lg⁡T=nlg⁡x+lg⁡k\lg T = n \lg x + \lg k

lg⁡x\lg x1.762.032.363.46
lg⁡T\lg T-0.62-0.210.271.93

(Graph plotted with lg⁡T\lg T on the vertical axis and lg⁡x\lg x on the horizontal axis)

8(b)

1. Calculate the gradient of the line to find $n$

From part (a), the linearised equation is lg⁡T=nlg⁡x+lg⁡k\lg T = n \lg x + \lg k. The gradient of the line is nn.
Using the points for Mercury (1.763,−0.620)(1.763, -0.620) and Uranus (3.458,1.925)(3.458, 1.925):
n=1.925−(−0.620)3.458−1.763=2.5451.695≈1.50n = \frac{1.925 - (-0.620)}{3.458 - 1.763} = \frac{2.545}{1.695} \approx 1.50

2. Find the $y$-intercept to determine $k$

The yy-intercept of the graph is lg⁡k\lg k.
Substituting n=1.5n = 1.5 and the point (3.458,1.925)(3.458, 1.925) into the equation:
1.925=1.5(3.458)+lg⁡k1.925 = 1.5(3.458) + \lg k
lg⁡k=1.925−5.187=−3.262\lg k = 1.925 - 5.187 = -3.262

3. Solve for $k$ and state the final answers to two significant figures

k=10−3.262≈5.47×10−4k = 10^{-3.262} \approx 5.47 \times 10^{-4}
To two significant figures, n=1.5n = 1.5 and k=5.5×10−4k = 5.5 \times 10^{-4}.

答案

n≈1.5n \approx 1.5, k≈5.5×10−4k \approx 5.5 \times 10^{-4}

8(c)

1. Identify the value of $x$ and calculate $\lg x$

The distance is 149.6×106 km149.6 \times 10^6\text{ km}, so x=149.6x = 149.6.
lg⁡x=lg⁡149.6≈2.175\lg x = \lg 149.6 \approx 2.175

2. Read the corresponding value of $\lg T$ from the graph and solve for $T$

From the graph, when lg⁡x=2.175\lg x = 2.175, lg⁡T≈0\lg T \approx 0.
T=100=1T = 10^0 = 1

答案

11 Earth year

8(d)

1. Calculate the value on the vertical axis for the given $T$

Given T=11.86T = 11.86, the value on the vertical axis is:
lg⁡T=lg⁡11.86≈1.074\lg T = \lg 11.86 \approx 1.074

2. Read the corresponding value of $\lg x$ from the graph and calculate $x$ in km

From the graph of lg⁡T\lg T against lg⁡x\lg x, when lg⁡T=1.074\lg T = 1.074, we read the corresponding value on the horizontal axis:
lg⁡x≈2.89\lg x \approx 2.89
x=102.89≈776x = 10^{2.89} \approx 776
Since xx is in millions of kilometres, the distance is:
776×106=7.76×108 km776 \times 10^6 = 7.76 \times 10^8\text{ km} (Accept values around 7.8×108 km7.8 \times 10^8\text{ km} depending on the graph reading)

答案

7.8×108 km7.8 \times 10^8\text{ km}

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