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 () 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), a | Целеста (пиниты), b | Комментарий, c |
|---|---|---|
| 456,47 | 450,32 | противостояние |
| 18,50 | 12,28 | противостояние |
| 821,41 | 815,29 | противостояние |
| 444,70 | 450,85 | соединение |
| 615,43 | 621,52 | соединение |
| 791,94 | 798,02 | соединение |
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]]

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 km и , 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
Official sketches for solutions. Measurements refer to the original printed sheets.
7.1. Speed of light
Let be Saturn’s orbital radius, be Saltis’s orbital radius and be the velocity of light. It takes light the time to reach the Sun from Saturn. At opposition it takes light to reach Saltis from Saturn, and at conjunction . This means that the difference in the timings from the tabulated values will be at opposition (i.e. the eclipse will be seen earlier) and at conjunction (i.e. the eclipse will be observed later than tabulated values).
Looking at the differences in Table 1, one sees that the spread in value is greater than the estimated timing error of 0.03 pinit. Thus the spread is mainly due to Saturn not being exactly at opposition/conjunction at the time of eclipse. Thus the extreme value is the best approximation, 6.23 pinit. Since the three opposition values are ranging from 6.12–6.23 pinit, the true opposition difference is probably not larger than 6.30 pinit. Thus a sensible estimated error is ~0.1 pinit. We ignore the conjunction values since they are further from true conjunction, probably due to difficulties in observing Saturn near the Sun.
With a time difference pinit, and defined to seter, we readily compute
Table 1. Eclipses of Titan by Saturn
| Tabulated (pinit) | Celesta (pinit) | Difference (pinit) |
|---|---|---|
| 456.47 | 450.32 | 6.15 |
| 18.50 | 12.28 | 6.23 |
| 821.41 | 815.29 | 6.12 |
| 444.70 | 450.85 | −6.14 |
| 615.43 | 621.52 | −6.08 |
| 791.94 | 798.02 | −6.08 |
Source note: this is the printed official table and its subsequent calculation. Several printed differences disagree with direct subtraction of the first two columns (18.50−12.28=6.22, 444.70−450.85=−6.15, 615.43−621.52=−6.09). The original key’s values are retained.
7.2. Earth’s orbital radius
The difference between the largest and smallest distance between Saltis and Earth is equal to 2 Earth orbital radii. From Fig. 1 we estimate the time difference to 5.3 pinit. With estimated as above, we get seter. Thus seter.
7.3. Units
seter gives 1 seter = 348 meter. With seter/pinit we have 1 pinit = 187 seconds.
7.4. Saltis’s orbital period
From Fig. 1 we estimate the interval between oppositions to pinit = 1.4 yr. Since the period of Earth is 1 yr, we use the formula for the synodic period to get the period of 3.7 yr. Alternatively, one may use the orbital radius of Saltis and Kepler’s law, , to get .
Reference data
Parameters of orbits. Physical characteristics of some planets, Moon and Sun. Groups A,B.
| Body | Average distance (AU) | Average distance (million km) | Sidereal or analogous period (tropical years) | Period (days) | Eccentricity | Equatorial diameter (km) | Mass ( kg) | Average density (g/cm³) | Surface gravity (m/s²) | Maximum magnitude from Earth | Albedo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sun | 1392000 | 1989000 | 1.409 | −26.8 | |||||||
| Mercury | 0.387 | 57.9 | 0.241 | 87.97 | 0.206 | 4879 | 0.3302 | 5.43 | 3.70 | −2.2 | 0.06 |
| Venus | 0.723 | 108.2 | 0.615 | 224.70 | 0.007 | 12104 | 4.8690 | 5.24 | 8.87 | −4.7 | 0.78 |
| Earth | 1.000 | 149.6 | 1.000 | 365.26 | 0.017 | 12756 | 5.9742 | 5.515 | 9.81 | 0.36 | |
| Moon | 0.00257 | 0.38440 | 0.0748 | 27.3217 | 0.055 | 3475 | 0.0735 | 3.34 | 1.62 | −12.7 | 0.07 |
| Mars | 1.524 | 227.9 | 1.880 | 686.98 | 0.093 | 6794 | 0.6419 | 3.94 | 3.71 | −2.0 | 0.15 |
| Jupiter | 5.204 | 778.6 | 11.862 | 4332.59 | 0.048 | 142984 | 1899.8 | 1.33 | 24.86 | −2.7 | 0.66 |
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