IAO 2003, Практически тур, Групи A и B — Задача 7. Измерване на скоростта на светлината.

5 октомври 2003 г.

Внимание: Бележка към темата

Ръкописното българско условие е запазено като отделен езиков вариант. Официалното решение е на английски. Липсващите в българските листове таблица и фигури са приложени от съответния руски оригинал. В българския лист има бележка за проценти, но самите проценти не са написани; не са добавяни по догадка. В7.2 „орбитата на“ е ръкописна поправка. Съхранено е различното изписване Целеста/Селеста.

Условие

Необходимо е внимателно да обясните всяка стъпка във вашите изчисления. Отговори без обосновка не могат да бъдат приети.

Представете си Слънчевата система, населена с вашите потомци в далечното бъдеще. На астероида Салтис живее и работи специалист по минни разработки Целеста Спейсдигър. Нейното хоби е любителската астрономия. Работата ѝ толкова ѝ омръзва, че тя прекарва дългите нощи на Салтис в изучаване на звезди и планети, особено на великолепната планета Сатурн. Старият, но надежден астрономически алманах ѝ помага да следи астрономическите явления, като например затъмнения от планетата Сатурн на нейния спътник Титан. Но за свое разочарование Целеста започва да забелязва големи отклонения между наблюдаваните от нея моменти на затъмнение на Титан и моментите, дадени в таблиците на алманаха. Целеста се намира на Салтис в дълга командировка и след провеждане на няколко точни наблюдения, тя започва да разбира, че тези отклонения стават най-големи, когато Сатурн е близо до противостояние или съединение (със Слънцето, ако гледаме от Салтис). Целеста осъзнава, че причината се крие в това, че скоростта на светлината има крайна стойност, и намира в алманаха указание за това, че дадените в таблиците моменти са хелиоцентрични, т.е. такива, каквито би трябвало да бъдат при наблюдение от Слънцето, а не от Салтис. Доволна от своето откритие, Целеста използва наблюденията си за пресмятане на скоростта на светлината.

Повторете изчисленията на Селеста, като използвате нейните наблюдения. Единиците за дължина и време, които тя използва, се различават от тези, с които сте свикнали. Единицата за време на жителите на Салтис е пинит, равна на една хилядна от синодичния период на въртене на Салтис около неговата ос (1000 пинита = 1 слънчево денонощие за Салтис). Единицата за дължина – сетер – се определя като една милиардна (10−910^{-9}) от средното разстояние между Слънцето и Салтис.

Таблица 1. Затъмнения на Титан от Сатурн.

→ Вижте оригинала

Табличните данни по-долу са от приложения руски оригинал.

Таблица 1. Моменты затмений Титана Сатурном

табличное (пиниты), aЦелеста (пиниты), bКомментарий, c
456,47450,32противостояние
18,5012,28противостояние
821,41815,29противостояние
444,70450,85соединение
615,43621,52соединение
791,94798,02соединение

a. Табличните данни съответстват на моментите на начало на затъмнението за наблюдател, намиращ се в центъра на Слънцето

b. Целеста е регистрирала моментите на начало на затъмнението, наблюдавано от Салтис. Точността на записите на моментите е 0,03 пинита.

c. По време на затъмненията Сатурн не е бил точно в съединение или противостояние, но е бил близо до тези моменти.

[[figure:p7-time-difference]]

Разлика между показанията на часовника на Целеста и сигналите за точно време, получени от Земята.
Разлика между показанията на часовника на Целеста и сигналите за точно време, получени от Земята.

Задачи

7.1. Целеста е наблюдавала затъмнения на Титан, когато Сатурн е бил близо до противостояние или съединение шест пъти (Таблица 1). Анализирайте получените от нея данни и оценете скоростта на светлината в единици сетер/пинит, а също очакваната грешка на получения от вас резултат.

През дългите дни на Салтис Целеста често слуша радиопредавания от Земята, включително и сигнали за точно време. След като е повторила откритието, че светлината има крайна скорост, Целеста решава да се опита да измери и радиуса на земната орбита (в сетери). Тя е синхронизирала своя много точен часовник с радиосигналите за точно време от Земята, а после редовно е отбелязвала разминаването на показанията на своя часовник и сигналите за точно време. Резултатите са представени на фиг. 1 (по двете оси – момент на измерване и разлика в показанията).

7.2. Оценете радиуса на орбитата на Земята в сетери, като използвате данните на Целеста (фиг. 1).

7.3. Ако 1 AU=149,6⋅1061\,\mathrm{AU}=149{,}6\cdot10^6 km и c=2,998⋅108 m/sc=2{,}998\cdot10^8\,\mathrm{m/s}, колко метра има в 1 сетер? А колко секунди в една пинит?

7.4. Оценете орбиталния период на Салтис в (земни) години по фиг. 1 и отговора на предишния въпрос.

Забележка: Процентите, дадени в скоби, се отнасят за оценяването на решенията.

Решение

Reference data

Parameters of orbits. Physical characteristics of some planets, Moon and Sun. Groups A,B.

BodyAverage distance (AU)Average distance (million km)Sidereal or analogous period (tropical years)Period (days)Eccentricity eeEquatorial diameter (km)Mass (102410^{24} kg)Average density (g/cm³)Surface gravity (m/s²)Maximum magnitude from EarthAlbedo
Sun1.6⋅1091.6\cdot10^92.5⋅10112.5\cdot10^{11}2.2⋅1082.2\cdot10^88⋅10108\cdot10^{10}139200019890001.409−26.8
Mercury0.38757.90.24187.970.20648790.33025.433.70−2.20.06
Venus0.723108.20.615224.700.007121044.86905.248.87−4.70.78
Earth1.000149.61.000365.260.017127565.97425.5159.810.36
Moon0.002570.384400.074827.32170.05534750.07353.341.62−12.70.07
Mars1.524227.91.880686.980.09367940.64193.943.71−2.00.15
Jupiter5.204778.611.8624332.590.0481429841899.81.3324.86−2.70.66

For outer planets and Moon — in mean opposition. Blank cells are blank in the original bilingual Russian/English reference sheet.


Оригинал в Архива: bgpract1.jpg · официални решения: pract7sol.doc · допълнителни данни: bgpract2.jpg · допълнителни данни: bgpract3.jpg · допълнителни данни: pract_ru_1.jpg · допълнителни данни: pract_ru_2.jpg · допълнителни данни: data.pdf