НПСФ 2017, 10. клас — Задача 3. Оптика

Национално пролетно състезание по физика 2017, тема за 10. клас · 10 март 2017 г. · 10 т.

Условие

Част 1

Слънчевата константа kk характеризира количеството слънчево лъчение, което пада върху перпендикулярна на слънчевите лъчи повърхност с площ 1 m21\ \mathrm{m^2} за време 1 s на разстояние 1 AU (средното разстояние между Земята и Слънцето, 1.5×1081.5 \times 10^8 km.) от Слънцето. Намерете:

а) стойността на kk в единици W/m2\mathrm{W/m^2}. Слънцето излъчва с мощност PS=4×1026P_S = 4 \times 10^{26} W. [2 т.]

б) равновесната температура TT на Земята. Приемете, че Земята поглъща изцяло слънчевата светлина и излъчва като абсолютно черно тяло според закона на Стефан-Болцман (σ=5.67 10−8 W m−2 K−4\sigma = 5.67\ 10^{-8}\ \mathrm{W\ m^{-2}\ K^{-4}}) и че температурата е една и съща навсякъде по повърхността ѝ. Приемете, че отсъства парников ефект и че единственият източник на топлина за Земята е слънчевото лъчение. [3 т.]

Част 2

Човек се опитва да запали лист хартия на пълнолуние, като за целта използва сферична събирателна леща с диаметър dd и фокусно разстояние ff. Намерете:

в) интензитета на отразената лунна светлина, измерен от наблюдател на Земята, ако звездната величина на Луната при пълнолуние е mM≈−13m_M \approx -13 . Използвайте стойността за слънчевата константа от част 1 а). [2 т.]

г) съотношението d/fd/f , при което може да се запали хартията, ако температурата на запалване е T0=233∘CT_0 = 233^\circ\mathrm{C} (506 K). Ъгловият диаметър на Луната е α=0.5∘\alpha = 0.5^\circ . [3 т.]

Упътване: Звездната величина е астрономическа мярка за яркостта на небесните обекти. Слънцето има звездна величина mS≈−27m_S \approx -27 , а обекти със звездна величина 6 се считат за невидими за невъоръжено човешко око. Звездната величина се пресмята по следната формула:

m1−m2=−2.5log⁡10(I1I2),m_1 - m_2 = -2.5\log_{10}\left(\frac{I_1}{I_2}\right),

където I1I_1 и I2I_2 са интензитетите (количеството лъчение) за два различни източника на светлина (мерени във W/m2\mathrm{W/m^2} ), а m1m_1 и m2m_2 са съответните звездни величини.

Забележка: Приемете, че хартията излъчва като абсолютно черно тяло в полупространството от страна на лещата и не взаимодейства топлинно с други тела. Приемете, че лещата не отразява светлина.

Помислете: Можем ли наистина да запалим хартия на лунна светлина?

Решение


Оригинал в Архива: proletni_2017_10problems.pdf · официални решения: proletni_2017_10solutions.pdf