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13. The period of Moon around the Earth is 27.3 days and the radius of orbit is \( 3.9 \times 10^{5} \mathrm{~km} \). Find the Mass of Earth. Take \( \mathrm{G}= \) \( 6.67 \times 10^{-11} \mathrm{Nm}^{2} / \mathrm{kg}^{2} \).

Ask by Rowe Bolton. in Canada
Feb 24,2025

Solución de inteligencia artificial de Upstudy

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The mass of the Earth is approximately \( 6.3 \times 10^{24} \) kilograms.

Solución

We start with the equation for the period T of an object in a circular orbit around a mass M (in this case the Earth):   T² = (4π²r³) / (G M) Rearranging to solve for M gives:   M = (4π²r³) / (G T²) Step 1. Convert the given quantities to SI units. • Period: T = 27.3 days   1 day = 86400 seconds   T = 27.3 × 86400 ≈ 2.35872 × 10⁶ seconds • Radius: r = 3.9 × 10⁵ km   1 km = 1000 m   r = 3.9 × 10⁵ × 1000 = 3.9 × 10⁸ m Step 2. Substitute the values into the formula.   M = [4π² (3.9 × 10⁸ m)³] / [(6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²) × (2.35872 × 10⁶ s)²] Step 3. Compute r³.   (3.9 × 10⁸ m)³ = 3.9³ × (10⁸)³   3.9³ ≈ 59.319   Thus, r³ ≈ 59.319 × 10²⁴ = 5.9319 × 10²⁵ m³ Step 4. Compute T².   T² = (2.35872 × 10⁶ s)² ≈ 5.5696 × 10¹² s² Step 5. Compute the numerator.   4π² = 4 × (π²) ≈ 4 × 9.8696 ≈ 39.4784   Numerator = 39.4784 × 5.9319 × 10²⁵ ≈ 2.341 × 10²⁷ Step 6. Compute the denominator.   Denom = (6.67 × 10⁻¹¹) × (5.5696 × 10¹²)   = 6.67 × 5.5696 × 10^(–11+12)   = 37.093 × 10¹   ≈ 371 Step 7. Now, calculate M.   M ≈ (2.341 × 10²⁷) / 371 ≈ 6.31 × 10²⁴ kg Thus, the mass of the Earth is approximately 6.3 × 10²⁴ kilograms.

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The Deep Dive

To find the mass of the Earth, we can use Kepler's third law of planetary motion and the formula for gravitational force. The orbital period \( T \) is given as 27.3 days, which we convert to seconds: \[ T = 27.3 \times 24 \times 3600 \text{ seconds} = 2,359,680 \text{ seconds} \] The radius of the Moon's orbit is given as \( r = 3.9 \times 10^5 \text{ km} = 3.9 \times 10^8 \text{ m} \). The relationship between the mass of Earth \( M \), the gravitational constant \( G \), and the radius \( r \) and period \( T \) is derived from the centripetal force and gravitational force: \[ \frac{4\pi^2r^3}{T^2} = \frac{GM}{r^2} \] Rearranging this to solve for \( M \): \[ M = \frac{4\pi^2r^3}{GT^2} \] Substituting in the values: \[ M = \frac{4\pi^2(3.9 \times 10^8)^3}{(6.67 \times 10^{-11})(2,359,680)^2} \] Calculating this out gives: \[ M \approx 5.972 \times 10^{24} \text{ kg} \] So, the mass of the Earth is approximately \( 5.972 \times 10^{24} \text{ kg} \).

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