Question: 31.6. Một vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều quanh Trái Đất ở độ cao bằng bán kính $R$ của Trái Đất. Lấy gia tốc rơi tự do tại mặt đất là $g = 10$ m/s$^2$ và bán kính của Trái Đất bằng $R = 6\,400$ km. Chu kì quay quanh Trái Đất của vệ tinh là
A. 2 giờ 48 phút. B. 1 giờ 59 phút.
C. 3 giờ 57 phút. D. 1 giờ 24 phút.
1. **Nêu bài toán:** Tính chu kỳ quay quanh Trái Đất của vệ tinh chuyển động tròn đều ở độ cao bằng bán kính Trái Đất $R$.
2. **Công thức sử dụng:** Chu kỳ quay $T$ của vệ tinh được tính theo công thức:
$$T = 2\pi \sqrt{\frac{(R+h)^3}{GM}}$$
với $h$ là độ cao vệ tinh, $G$ là hằng số hấp dẫn, $M$ là khối lượng Trái Đất.
3. **Biến đổi công thức:** Gia tốc rơi tự do tại mặt đất là
$$g = \frac{GM}{R^2} \Rightarrow GM = gR^2$$
Thay vào công thức chu kỳ:
$$T = 2\pi \sqrt{\frac{(R+h)^3}{gR^2}} = 2\pi \sqrt{\frac{(R+h)^3}{gR^2}}$$
4. **Thay $h = R$ (độ cao bằng bán kính Trái Đất):**
$$T = 2\pi \sqrt{\frac{(R+R)^3}{gR^2}} = 2\pi \sqrt{\frac{(2R)^3}{gR^2}} = 2\pi \sqrt{\frac{8R^3}{gR^2}} = 2\pi \sqrt{\frac{8R}{g}}$$
5. **Tính giá trị:**
$$T = 2\pi \sqrt{\frac{8 \times 6\,400\,000}{10}} = 2\pi \sqrt{5\,120\,000}$$
6. **Tính căn bậc hai:**
$$\sqrt{5\,120\,000} = \sqrt{5.12 \times 10^6} = \sqrt{5.12} \times 10^3 \approx 2.26 \times 10^3 = 2\,260$$
7. **Tính $T$:**
$$T = 2\pi \times 2\,260 \approx 6.2832 \times 2\,260 = 14\,200 \text{ giây}$$
8. **Đổi sang giờ và phút:**
$$14\,200 \text{ giây} = \frac{14\,200}{3600} \text{ giờ} \approx 3.94 \text{ giờ}$$
Phần thập phân $0.94$ giờ = $0.94 \times 60 = 56.4$ phút.
9. **Kết luận:** Chu kỳ quay là khoảng $3$ giờ $57$ phút, tương ứng với đáp án C.