IOAA 2015, Теория, дълги задачи, български — Задача 1

IOAA 2015 — ДЪЛГИ ЗАДАЧИ

Внимание: Бележка към темата

Официалните решения и критерии са запазени на английски. В българската задача 3 няма въпрос за разстоянието: части d/e съответстват на e/f от английския финал. В задача 1(c) българският текст определя височината на точката от орбитата, а английският финал — на горната допирателна към спътника; решението следва английската формулировка. По-ранните варианти са показани отделно и не заместват финалните условия.

Instruction — Theoretical Round
  1. Write your answer on the answer-sheet only. You can use more than one sheet for one problem. Please ask the organizer for the additional answer-sheets.

  2. Different problems should be done on different sheets.

  3. You can use your own calculator without program and graphic facility.

  4. You can ask the organizer for rough paper.

Astronomical and Physical Constants — 20150729
ConstantValue
Astronomical unit (AU)1.4960×1011 m1.4960\times10^{11}\ \mathrm m
Light year (ly)9.4605×1015 m=63 240 au9.4605\times10^{15}\ \mathrm m=63\,240\ \mathrm{au}
Parsec (pc)3.0860×1016 m=206 265 au3.0860\times10^{16}\ \mathrm m=206\,265\ \mathrm{au}
Jansky (Jy)10−26 W m−2 Hz−110^{-26}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,Hz^{-1}}
1 Sidereal year365.2564 solar days
1 Tropical year365.2422 solar days
1 Calendar year365.2425 solar days
1 Sidereal day23h 56m 04s.09123^{\mathrm h}\ 56^{\mathrm m}\ 04^{\mathrm s}.091
1 Solar day24h 03m 56s.55524^{\mathrm h}\ 03^{\mathrm m}\ 56^{\mathrm s}.555 units of sidereal time
1 Å10−10 m10^{-10}\ \mathrm m
1 erg10−7 J10^{-7}\ \mathrm J
1 dyne10−5 N10^{-5}\ \mathrm N
Mass of Earth5.9736×1024 kg5.9736\times10^{24}\ \mathrm{kg}
Mean radius of Earth6.371×106 m6.371\times10^6\ \mathrm m
Equatorial radius of Earth6.378×106 m6.378\times10^6\ \mathrm m
Mean velocity of Earth on its orbit29.783 km s−129.783\ \mathrm{km\,s^{-1}}
Mass of Moon7.3490×1022 kg7.3490\times10^{22}\ \mathrm{kg}
Radius of Moon1.737×106 m1.737\times10^6\ \mathrm m
Mass of Jupiter1.89813×1027 kg1.89813\times10^{27}\ \mathrm{kg}
Mean Earth – Moon distance3.844×108 m3.844\times10^8\ \mathrm m
Mass of Sun1.98892×1030 kg1.98892\times10^{30}\ \mathrm{kg}
Radius of Sun6.96×108 m6.96\times10^8\ \mathrm m
Effective temperature of the Sun5780 K
Luminosity of the Sun3.96×1026 J s−13.96\times10^{26}\ \mathrm{J\,s^{-1}}
Solar constant1366 W m−21366\ \mathrm{W\,m^{-2}}
Brightness of the Sun in V-band−26.8 mag.
Absolute brightness of the Sun in V-band4.75 mag.
Absolute bolometric brightness of Sun4.72 mag.
Angular diameter of the Sun30′
Speed of light in vacuum (c)2.9979×108 m s−12.9979\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}
Gravitational constant (G)6.6738×10−11 N m2 kg−26.6738\times10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}
Boltzmann constant (k)1.381×10−23 m kg s−2 K−11.381\times10^{-23}\ \mathrm{m\,kg\,s^{-2}\,K^{-1}}
Universal gas constant (R)8.31 J K−1 mol−18.31\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}
Stefan–Boltzmann constant (σ)5.6704×10−8 kg s−3 K−45.6704\times10^{-8}\ \mathrm{kg\,s^{-3}\,K^{-4}}
Planck constant (h)6.6261×10−34 J s6.6261\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}
Wien's constant (b)2.8978×10−3 m K2.8978\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K}
Hubble constant (H₀)70 km s−1 Mpc−170\ \mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}
Astronomical and Physical Constants — continuation
ConstantValue
electron charge (e)1.602×10−19 C1.602\times10^{-19}\ \mathrm C
Mass of hydrogen atom1.67×10−27 kg1.67\times10^{-27}\ \mathrm{kg}
Current inclination of the ecliptic (ε)23º 26.3′
Coordinates of the northern ecliptic pole for epoch 2000.0 (αE, δE)18h 00m 00s,+66∘ 33.6′18^{\mathrm h}\ 00^{\mathrm m}\ 00^{\mathrm s},+66^{\circ}\ 33.6^{\prime}
Coordinates of the northern galactic pole for epoch 2000.0 (αG, δG)12h 51m,+27∘ 08′12^{\mathrm h}\ 51^{\mathrm m},+27^{\circ}\ 08^{\prime}

You can try to solve an equation x=f(x)x=f(x) using iteration: xn+1=f(xn)x_{n+1}=f(x_n).

Basic equations of spherical trigonometry

sin⁡asin⁡B=sin⁡bsin⁡A\sin a\sin B=\sin b\sin A
sin⁡acos⁡B=cos⁡bsin⁡c−sin⁡bcos⁡ccos⁡A,\sin a\cos B=\cos b\sin c-\sin b\cos c\cos A,
cos⁡a=cos⁡bcos⁡c+sin⁡bsin⁡ccos⁡A.\cos a=\cos b\cos c+\sin b\sin c\cos A.

Rayleigh-Jeans formula (long wavelength approximation of Planck’s Law):

Bν(T)=2kTν2c2B_\nu(T)=\frac{2kT\nu^2}{c^2}

Условие

Спътник се движи в орбита около планета, като равнината на тази орбита е перпендикулярна на повърхността на планетата в точката в която се намира наблюдателят. След извършване на необходимото скалиране, приемаме, че орбитата на спътника се описва от следното уравнение:

9(x2+3y2−4)2+25(−3x2+y2)2=2259\left(\frac{x}{2}+\frac{\sqrt{3}y}{2}-4\right)^2+25\left(-\frac{\sqrt{3}x}{2}+\frac{y}{2}\right)^2=225

Разгледайте орбитата в правоъгълна координата система, в която остта Ox лежи в хоризонталната равнина, а Oy е насочена към зенита. Нека с rr да означим радиуса на спътника. Да предположим, че периодът на околоосно въртене на планетата е много по-дълъг от орбиталния период на спътника. Атмосферната рефракция се пренебрегва.

Наклонена елипса, представляваща орбитата на спътника в равнина x-y; означени са осите x (хоризонтална равнина) и y (зенит), точка на спътника с радиус r и ъгъл θ между хоризонталата и линията към спътника.
Фигура 1

a. Пресметнете голямата и малката полуос на елиптичната орбита

b. Пресметнете зенитното отстояние на перигея на орбитата, за наблюдателя.

c. Намерете tan⁡θ2\tan\dfrac{\theta}{2}, където θ\theta е височината над хоризонта на точката от орбитата в която спътникът изглежда най-голям за наблюдателя.

Решение


Оригинал в Архива: Long_problem_Final_BG.pdf · официални решения: Long Problem Solution-Marking Scheme [Revised] - 310715 - 13.58.pdf · допълнителни данни: long_sol_1.png · допълнителни данни: long_sol_2.png · допълнителни данни: long_sol_3.png · допълнителни данни: long_sol_4.png · допълнителни данни: long_sol_5.png · допълнителни данни: long_sol_6.png · допълнителни данни: long_sol_7.png · допълнителни данни: long_sol_8.png · допълнителни данни: long_sol_9.png · допълнителни данни: long_sol_10.png · допълнителни данни: 9th IOAA Constants Table 20150729.pdf · допълнителни данни: constants.pdf · допълнителни данни: instructions.docx