IAO 2003, Практически тур, Групи A и B — Задача 7. Измерение скорости света

5 октомври 2003 г.

Внимание: Бележка към темата

Русское условие сохранено как отдельная языковая версия. Официальное решение в архиве — на английском языке.

Условие

Вы должны тщательно объяснять каждый шаг в ваших вычислениях. Ответы без обоснования не принимаются.

Представьте Солнечную систему, населённую нашими потомками, в отдалённом будущем. На астероиде Салтис живёт и работает оператором горных разработок Целеста Спейсдиггер, хобби у которой – любительская астрономия. Работа оператора ей настолько надоедает, что долгие ночи Салтиса она тратит на изучение звёзд и планет, в особенности – великолепной планеты Сатурн. Старенький, но надёжный астрономический альманах помогает ей следить за ходом астрономических событий, таких, как, например, затмения планетой Сатурн его луны Титана. Однако, к своему разочарованию, Целеста начинает отмечать большие отклонения между наблюдаемыми ею временами покрытия Титана и временами, приведёнными в таблицах альманаха. На Салтисе Целеста находится в длительной командировке, и вот после нескольких аккуратных наблюдений у неё вырисовывается картина, что эти отклонения становятся наибольшими, когда Сатурн находится вблизи противостояний или соединений (с Солнцем, если смотреть с Салтиса). Целеста осознаёт, что причина этого кроется в том, что скорость света конечна, и находит в альманахе указание на то, что приведенные в таблицах времена – гелиоцентрические, то есть такие, какие должны быть при наблюдении с Солнца, а не с Салтиса. Довольная своим открытием, Целеста использует свои наблюдения для вычисления скорости света.

Вам предстоит повторить вычисления Целесты, используя её наблюдения. Единицы длины и времени, которыми она пользовалась, немного отличаются от тех, к которым Вы привыкли. Единица времени у обитателей Салтиса – пинит, равный одной тысячной синодического периода вращения Салтиса (1000 пинит = «солнечные сутки» на Салтисе).

Единица длины – сетер определена как одна миллиардная (10−910^{-9}) среднего расстояния от Солнца до Салтиса.

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. Табличные данные соответствуют времени начала затмений для наблюдателя, находящегося в центре Солнца

b. Целеста регистрировала моменты начала затмений по часам Салтиса. Точность определения времени равна 0,03 пинита.

c. Сатурн во время затмений не был в точности в противостояниях или соединениях, но был близок к ним.

[[figure:p7-time-difference]]

Различие между показаниями часов Целесты и сигналами точного времени, полученными с Земли.
Различие между показаниями часов Целесты и сигналами точного времени, полученными с Земли.

Задания

7.1. Целеста наблюдала затмения Титана, когда Сатурн был близок к противостоянию или соединению шесть раз (Таблица 1). Проанализируйте полученные ею данные и оцените скорость света в единицах сетер / пинит, а также дайте ожидаемую ошибку полученного Вами результата. (50 % от суммарного балла за всю задачу)

Долгими днями Салтиса Целеста нередко слушает радио с Земли, в том числе сигналы точного времени. Повторив открытие конечности скорости света, Целеста решила попробовать измерить также и радиус орбиты Земли (в сетерах). Она синхронизировала свои очень точные часы с радиосигналами точного времени с Земли, а затем регулярно отмечала расхождения показаний её часов с сигналами точного времени. Результаты представлены на рис. 1 (по осям – время измерений и разница во времени).

7.2. Оцените радиус орбиты Земли в сетерах, используя данные Целесты (рис. 1). (20% от суммарного балла за всю задачу)

7.3. Если 1 а.е. = 149,6⋅106149{,}6\cdot10^6 км и c=2,998⋅108c=2{,}998\cdot10^8 м/с, то сколько метров в сетере? Сколько секунд в пините? (10 % от суммарного балла за всю задачу)

7.4. Оцените орбитальный период Салтиса в (земных) годах, используя рис. 1 и ответ на предыдущий вопрос. (20% от суммарного балла за всю задачу)

Внимание: для группы A на практическом туре одна задача №7 на 3 часа; для группы B – две задачи: №7 и №8 на 4 часа.

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: pract_ru_1.jpg · официални решения: pract7sol.doc · допълнителни данни: pract_ru_2.jpg · допълнителни данни: data.pdf