Самара 2017, II кръг (задочен), 8–9 клас — Задача 17. Астрономический прогноз для классических планет на 2017 год
Условия конкурсных задач заочной олимпиады по астрономии SAMRAS-2017 среди обучающихся 8-9 классов. Тур № 2 · 15 февруари 2017 г. · 14 т.
Дорогие Друзья!
Дорогие Друзья!
Вашему вниманию в данном релизе представлены 18 оригинальных задач трех уровней сложности – «Новичок» (уровень A), «Знаток» (уровень B) и «Профи» (уровень C). Задачи составлены в соответствии с Перечнем вопросов, рекомендуемых Центральной предметной методической комиссией Всероссийской олимпиады школьников по астрономии для подготовки обучающихся 8-9 классов к решению задач ее заключительного этапа.
При использовании материалов релиза ссылка на документ обязательна!
Ссылка: «Условия конкурсных задач заочной олимпиады по астрономии SAMRAS-2017 среди обучающихся 8-9. Тур № 2». – http://v937184r.bget.ru/SamRAS.htm
Памятка участника SamRAS-2017
Памятка участника SamRAS-2017
- Официальная страница Астрошколы: http://v937184r.bget.ru/SamRAS.htm
- Официальная группа в VK: http://vk.com/samrasolimp
- Сроки подачи работ SamRAS-2017 тура № 2 на проверку: 15.02.2017-30.04.2017!!!
- Электронный ящик SamRAS-2017: samrasolimp@mail.ru
- Методические указания по решению задач заочной олимпиады по астрономии SamRAS-2017: http://v937184r.bget.ru/AstroSchool/Basic%20Documents/Guide-on-Tasks[2017]_SamRAS.pdf или https://vk.com/doc-57032141_437742356
Дорогие Друзья! (перед задачами)
Дорогие Друзья!
Прежде чем приступить к решению задач и оформлению отчета участника заочной олимпиады SamRAS-2017, внимательно ознакомьтесь с «Методическими указаниями по решению задач заочной олимпиады по астрономии SamRAS-2017»! Электронный адрес последних указан в Памятке участника.
Уровень А
Уровень «Новичок» (уровень А)
Уровень B
Уровень «Знаток» (уровень B)
Уровень C
Уровень «Профи» (уровень C)
Титульный лист решений
САМАРСКИЙ ДВОРЕЦ ДЕТСКОГО И ЮНОШЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
САМАРСКАЯ ОБЛАСТНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ШКОЛА
УСЛОВИЯ И РЕШЕНИЯ КОНКУРСНЫХ ЗАДАЧ ЗАОЧНОЙ ОЛИМПИАДЫ ПО АСТРОНОМИИ SAMRAS-2017 СРЕДИ ОБУЧАЮЩИХСЯ 8-9 КЛАССОВ. ТУР № 2
Самара, 2017г.
Дорогие Друзья! (файл решений)
Дорогие Друзья!
Все задачи, представленные Вашему вниманию в данном релизе, являются оригинальными и составлены в соответствии с Перечнем вопросов, рекомендуемых Центральной предметной методической комиссией Всероссийской олимпиады школьников по астрономии для подготовки обучающихся 8-9 классов к решению задач ее заключительного этапа.
При использовании материалов релиза ссылка на документ обязательна!
Ссылка: «Условия и решения конкурсных задач заочной олимпиады по астрономии SAMRAS-2017 среди обучающихся 8-9 классов. Тур № 2». – http://v937184r.bget.ru/SamRAS.htm
Автор задач – Филиппов Юрий Петрович, научный руководитель школы, старший преподаватель кафедры общей и теоретической физики Самарского национального исследовательского университета им. академика С.П. Королева, к.ф.-м.н., методист СДДЮТ.
Верстка в системе LaTeX – Филиппов Ю.П., Белозерская Л.Н.
Памятка участника SamRAS-2017 (файл решений)
Памятка участника SamRAS-2017
- Официальная страница Астрошколы: http://v937184r.bget.ru/SamRAS.htm
- Официальная группа в VK: http://vk.com/samrasolimp
- Сроки подачи работ SamRAS-2017 тура № 2 на проверку: 15.02.2017-30.04.2017!!!
- Электронный ящик SamRAS-2017: samrasolimp@mail.ru
- Методические указания по решению задач заочной олимпиады по астрономии SamRAS-2017: http://v937184r.bget.ru/AstroSchool/Basic%20Documents/Guide-on-Tasks[2017]_SamRAS.pdf или https://vk.com/doc-57032141_437742356
Условия задач (файл решений)
УСЛОВИЯ ЗАДАЧ
Решения задач
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Условие
Условие. В таблице представлены даты основных конфигураций классических планет Солнечной системы на 2016 год. Опираясь на представленные даты, данные раздела «Справочные данные» и уравнения синодического движения, вычислите даты всех основных конфигураций (в случае нижних планет – верхнее и нижнее соединения, восточная и западная элонгации; в случае верхних планет – противостояние и соединение, восточная и западная квадратуры) данных тел на 2017 год. Результаты представить аналогичной таблицей. Сравните полученные результаты с данными календаря Козловского А.Н.[^1] Почему Ваши результаты не всегда совпадают с данными календаря? (14 баллов).
| Планета | Конфигурация | Дата |
|---|---|---|
| Меркурий | нижнее соединение | 28.12.2016 |
| Венера | верхнее соединение | 6.06.2016 |
| Марс | противостояние | 22.05.2016 |
| Юпитер | соединение | 26.09.2016 |
| Сатурн | соединение | 10.12.2016 |
| Уран | противостояние | 15.10.2016 |
| Нептун | противостояние | 2.09.2016 |
Таблица 2: Основные конфигурации классических планет и соответствующие им даты 2016 года.
[^1]: Его можно найти по адресу http://images.astronet.ru/pubd/2017/02/10/0001375738/calendar2017.pdf
Отговори
- Даты основных конфигураций 2017 года — в таблицах 4–5 официального решения.
Решение
Рассмотрим случай нижней планеты (Меркурий, Венера). Вычислим ее синодический период, для этого воспользуемся уравнением синодического движения:
Следовательно, промежуток времени (), в течение которого нижняя планета обгоняет Землю относительно Солнца на угол , можно представить в виде:
Определим промежутки времени, отделяющие моменты наступления основных конфигураций. Предположим, что нижняя планета находится в данный момент в нижнем соединении. Тогда промежуток времени, через который она окажется в западной элонгации (или она пребывала прежде в восточной элонгации), согласно (46), будет равен
При записи последнего результата мы учли, что в этих конфигурациях треугольник, в вершинах которого находятся нижняя планета, Солнце и Земля является прямоугольным (см. рис. 9), при этом угол , на который нижняя планета обгоняет (догоняет) Землю, определяется выражением вида
здесь , – большие полуоси орбит нижней планеты и Земли соответственно. Спустя промежуток времени после западной элонгации планета попадет в верхнее соединение, при этом она обгонит Землю на угол . Следовательно, данный промежуток времени можно представить в виде:
Кстати, такой же промежуток времени планета должна затратить, чтобы попасть из верхнего соединения в восточную элонгацию.
Далее рассмотрим случай верхней планеты (Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Вычислим ее синодический период, для этого воспользуемся уравнением синодического движения:
Следовательно, промежуток времени (), в течение которого Земля будет обгонять верхнюю планету относительно Солнца на угол , можно представить в виде:
Определим промежутки времени, отделяющие моменты наступления основных конфигураций. Предположим, что верхняя планета находится в данный момент в противостоянии (см. рис. 9). Тогда промежуток времени, через который она окажется в восточной квадратуре (или она пребывала прежде в западной квадратуре), согласно (49), будет равен
При записи последнего результата мы учли, что в этих конфигурациях треугольник, в вершинах которого находятся верхняя планета, Солнце и Земля является прямоугольным (см. рис. 9), при этом угол , на который Земля обгоняет (догоняет) верхнюю планету, определяется выражением вида
здесь , – большие полуоси орбит верхней планеты и Земли соответственно.
Спустя промежуток времени после восточной квадратуры планета попадет в соединение, при этом Земля обгонит верхнюю планету на угол . Следовательно, соответствующий промежуток времени можно представить в виде:
Кстати, такой же промежуток времени Земля должна затратить, чтобы догнать верхнюю планету и сформировать конфигурацию – западная квадратура.
В таблице 3 представлены вычисленные значения определенных выше параметров для семи классических планет. С использованием полученных формул, дат исходных конфигураций, представленных в таблице 2, и онлайн-калькулятора вычисления дат[^4] можно вычислить даты всех основных конфигураций семи классических планет. Рассмотрим этот процесс подробнее на примере Меркурия и Венеры.
| Планета | , град | , сут | , град | , сут | , сут |
|---|---|---|---|---|---|
| Меркурий | 67.2260 | 21.6387 | 112.774 | 36.2998 | 115.877 |
| Венера | 43.6699 | 70.8329 | 136.330 | 221.129 | 583.923 |
| Марс | 48.9805 | 106.119 | 131.019 | 283.861 | 779.959 |
| Юпитер | 78.9217 | 87.4462 | 101.078 | 111.996 | 398.885 |
| Сатурн | 84.0096 | 88.2315 | 95.9904 | 100.814 | 378.092 |
| Уран | 87.0128 | 89.3467 | 92.9872 | 95.4813 | 369.656 |
| Нептун | 88.0943 | 89.9263 | 91.9057 | 93.817 | 367.486 |
Таблица 3: значения основных параметров, определяющих даты будущих и прошлых конфигураций 7 классических планет.
| Нижнее соединение | Западная элонгация | Верхнее соединение | Восточная элонгация |
|---|---|---|---|
| Меркурий | |||
| 28.12.2016 | 19.01.2017 (19.01.17) | 24.02.17 (06.03.17) | 01.04.17 (01.04.17) |
| 23.04.17 (20.04.17) | 15.05.17 (18.05.17) | 20.06.17 (21.06.17) | 26.07.17 (30.07.17) |
| 17.08.17 (26.08.17) | 08.09.17 (12.09.17) | 14.10.17 (8.10.17) | 19.11.17 (23.11.17) |
| 11.12.17 (13.12.17) | 02.01.18 (–) | – | – |
| Венера | |||
| – | – | 06.06.2016 | 13.01.17 (12.01.17) |
| 25.03.17 (25.03.17) | 04.06.17 (03.06.17) | 11.01.18 (–) | – |
Таблица 4: основные конфигурации Меркурия, Венеры и соответствующие им даты 2017 года.
Меркурий. Согласно условию задачи, 28.12.2016 года Меркурий находился в нижнем соединении. Спустя промежуток времени после данного события Меркурий, обгоняя Землю, образует конфигурацию – западная элонгация (см. рис. 9). Следовательно, к указанной дате необходимо прибавить численное значение , округленное до целых, что дает нам 19.01.2017 года. Последний результат уверенно согласуется с прогнозами, представленными в Астрономическом календаре 2017 года (АК) под редакцией Козловского (см. таблицу 4, указаны жирным шрифтом в круглых скобках).
Затем Меркурий, все больше удаляясь от Земли, через промежуток времени (после западной элонгации) образует конфигурацию – верхнее соединение. Согласно нашим прогнозам это произойдет 24.02.2017 года, а по данным АК – 06.03.17. Значительное расхождение между представленными прогнозами (10 суток) обусловлено явно выраженной эллиптичностью орбиты планеты и ее существенным наклонением к плоскости эклиптики, что не учитывалось в настоящей модели, используемой нами для построения решения, но учитывалось в сложной модели, используемой при составлении АК.
Еще через промежуток наступит восточная элонгация Меркурия, что соответствует дате – 01.04.17. Последняя дата вновь уверенно согласуется с данными АК. Наконец, спустя промежуток после последней конфигурации, Меркурий вновь окажется в нижнем соединении (23.04.17), цикл основных конфигураций завершится и начнется новый цикл. Далее наши рассуждения и действия аналогичны выше изложенным. В таблице 4 представлены даты основных конфигураций Меркурия на 2017 год.
| Противостояние | Восточная квадратура | Соединение | Западная квадратура |
|---|---|---|---|
| Марс | |||
| 22.05.2016 | 05.09.16 | 16.06.17 (27.07.17) | 27.03.18 |
| Юпитер | |||
| – | – | 26.09.2016 | 16.01.17 (–) |
| 13.04.2017 (07.04.2017) | 10.07.2017 (–) | 30.10.2017 (26.10.17) | 19.02.2018 (–) |
| Сатурн | |||
| – | – | 10.12.2016 | 21.03.17 (–) |
| 17.06.2017 (15.06.2017) | 13.09.2017 (–) | 23.12.2017 (21.12.17) | – |
| Уран | |||
| 15.10.2016 | 12.01.17 | 18.04.17 (14.04.17) | 22.07.17 (–) |
| 20.10.2017 (19.10.2017) | 17.01.2018 (–) | – | – |
| Нептун | |||
| 02.09.2016 | 01.12.16 | 05.03.2017 (02.03.2017) | 07.06.17 (–) |
| 04.09.2017 (05.09.2017) | 03.12.2017 (–) | – | – |
Таблица 5: Основные конфигурации Марса, Юптера, Сатурна, Урана и Нептуна и соответствующие им даты 2017 года.
Венера. Согласно условию задачи, Венера находилась 6.06.2016 года в верхнем соединении. Через промежуток времени планета окажется в восточной элонгации. Этому событию соответствует дата – 13.01.17, а по данным АК – 12.01.17. Расхождения в одни сутки в расчетах данной точности неизбежны, ибо нам не дано время наступления исходной конфигурации и, кроме того, все промежутки времени мы округляем вплоть до суток, что может отклонять наш результат от истинного в ту или иную сторону на одни сутки. Через сут (относительно верхнего соединения), окажется в нижнем соединении, что соответствует дате – 25.03.17. Спустя сут от указанной даты, планета будет пребывать (04.06.17) в западной элонгации. Через сут Венера вновь окажется в верхнем соединении. В таблице 4 представлены основные конфигурации Венеры 2017 года и даты их наступления. Из сопоставления наших результатов и данных АК, очевидно, уверенное согласование прогнозов, что обусловлено тем фактом, что орбита Венеры является фактически круговой, а ее наклонение к плоскости эклиптики – малой величиной.
Для верхних планет были выполнены вычисления по аналогичной схеме. Численные результаты для них представлены в таблице 5.
Ответ: к задаче представлен численными значениями таблиц 4-5; максимальное расхождение между нашими прогнозами и данными АК достигаются в случае планет с наибольшими значениями эксцентриситета и наклонения к плоскости эклиптики, поскольку в настоящем решении рассматривалась плоская модель Солнечной системы с круговыми орбитами. ( баллов).
[^4]: Смотри, например, http://fincalculator.ru/ kalkulyator-dnej.

Справочные данные
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ
A.1. Основные физические и астрономические постоянные
A.1. Основные физические и астрономические постоянные
- Гравитационная постоянная –
- Скорость света в вакууме –
- Универсальная газовая постоянная –
- Постоянная Стефана-Больцмана –
- Постоянная Авогадро –
- Масса протона –
- Масса электрона –
- Астрономическая единица –
- Парсек –
- Постоянная Хаббла –
A.2. Данные о Солнце
A.2. Данные о Солнце
- Радиус – км
- Масса – кг
- Светимость – Вт
- Спектральный класс – G2
- Видимая звездная величина –
- Абсолютная болометрическая звездная величина –
- Показатель цвета (B-V) –
- Эффективная температура – 5778 K
- Средний горизонтальный параллакс –
- Солнечная постоянная (во всем спектре) на расстоянии Земли – 1361 Вт/м
- Солнечная постоянная (в видимом свете) на расстоянии Земли – 600 Вт/м
A.3. Данные о Земле
A.3. Данные о Земле
- Эксцентриситет орбиты – 0.017
- Тропический год – 365.24219 сут
- Средняя орбитальная скорость – 29.8 км/с
- Период вращения – 23 часа 56 минут 04 секунды
- Наклон экватора к эклиптике на эпоху 2000.0 –
- Средний по объему радиус – 6371.0 км
- Средний экваториальный радиус – 6378.14 км
- Длина земного меридиана – 20004.276 км
- Полярный радиус – 6356.77 км
- Масса – кг
- Средняя плотность – 5.52 гсм
- Объемный состав атмосферы – N (78%), O (21%), Ar ()
A.4. Данные о Луне
A.4. Данные о Луне
- Среднее расстояние от Земли – 384400 км
- Минимальное расстояние от Земли – 356410 км
- Максимальное расстояние от Земли – 406700 км
- Эксцентриситет орбиты – 0.055
- Наклон плоскости орбиты к эклиптике –
- Сидерический (звездный) период обращения – 27.321662 сут
- Синодический период обращения – 29.530589 сут
- Радиус – 1738 км
- Масса – кг или массы Земли
- Средняя плотность – 3.34 гсм
- Визуальное геометрическое альбедо – 0.12
- Видимая звездная величина в полнолуние
A.5. Формулы приближенного вычисления
A.5. Формулы приближенного вычисления
здесь , все углы выражаются в радианах.
A.6. Характеристики орбит планет
A.6. Характеристики орбит планет
| Планета | Большая полуось, млн. км | Большая полуось, а.е. | Эксцентриситет | Наклон к плоскости эклиптики, градусы | Период обращения | Синодический период, сут |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Меркурий | 57.9 | 0.3871 | 0.2056 | 7.004 | 87.97 сут | 115.9 |
| Венера | 108.2 | 0.7233 | 0.0068 | 3.394 | 224.70 сут | 583.9 |
| Земля | 149.6 | 1.0000 | 0.0167 | 0.000 | 365.26 сут | – |
| Марс | 227.9 | 1.5237 | 0.0934 | 1.850 | 686.98 сут | 780.0 |
| Юпитер | 778.3 | 5.2028 | 0.0483 | 1.308 | 11.862 лет | 398.9 |
| Сатурн | 1429.4 | 9.5388 | 0.0560 | 2.488 | 29.458 лет | 378.1 |
| Уран | 2871.0 | 19.1914 | 0.0461 | 0.774 | 84.01 лет | 369.7 |
| Нептун | 4504.3 | 30.0611 | 0.0097 | 1.774 | 164.79 лет | 367.5 |
A.7. Физические характеристики Солнца и планет
A.7. Физические характеристики Солнца и планет
| Планета | Масса, кг | Масса, массы Земли | Радиус, км | Радиус, радиусы Земли | Плотность, гсм | Период вращения вокруг оси | Наклон экватора к плоскости орбиты, градусы | Геометрич. альбедо | Вид. звездная величина |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Солнце | 332946 | 695500 | 108.97 | 1.41 | 25.380 сут | 7.25 | – | ||
| Меркурий | 0.05271 | 2439.7 | 0.3825 | 5.42 | 58.646 сут | 0.00 | 0.10 | ||
| Венера | 0.81476 | 6051.8 | 0.9488 | 5.20 | 243.019 сут | 177.36 | 0.65 | ||
| Земля | 1.00000 | 6378.1 | 1.0000 | 5.52 | 23.934 час | 23.45 | 0.37 | – | |
| Марс | 0.10745 | 3397.2 | 0.5326 | 3.93 | 24.623 час | 25.19 | 0.15 | ||
| Юпитер | 317.94 | 71492 | 11.209 | 1.33 | 9.924 час | 3.13 | 0.52 | ||
| Сатурн | 95.181 | 60268 | 9.4494 | 0.69 | 10.656 час | 25.33 | 0.47 | ||
| Уран | 14.535 | 25559 | 4.0073 | 1.32 | 17.24 час | 97.86 | 0.51 | ||
| Нептун | 17.135 | 24746 | 3.8799 | 1.64 | 16.11 час | 28.31 | 0.41 |
для наибольшей элонгации Меркурия и Венеры и среднего противостояния внешних планет;
– обратное вращение.
A.8. Характеристики некоторых спутников планет
A.8. Характеристики некоторых спутников планет
| Спутник | Масса, кг | Радиус, км | Плотность, гсм | Радиус орбиты, км | Период обращения, сут | Геометрич. альбедо | Вид. звездная величина |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Земля | |||||||
| Луна | 1738 | 3.34 | 384400 | 27.32166 | 0.12 | ||
| Марс | |||||||
| Фобос | 2.0 | 9380 | 0.31910 | 0.06 | 11.3 | ||
| Деймос | 1.7 | 23460 | 1.26244 | 0.07 | 12.4 | ||
| Юпитер | |||||||
| Ио | 1815 | 3.55 | 421800 | 1.769138 | 0.61 | 5.0 | |
| Европа | 1569 | 3.01 | 671100 | 3.551181 | 0.64 | 5.3 | |
| Ганимед | 2631 | 1.94 | 1070400 | 7.154553 | 0.42 | 4.6 | |
| Каллисто | 2400 | 1.86 | 1882800 | 16.68902 | 0.20 | 5.7 | |
| Сатурн | |||||||
| Тефия | 530 | 1.21 | 294660 | 1.887802 | 0.9 | 10.2 | |
| Диона | 560 | 1.43 | 377400 | 2.736915 | 0.7 | 10.4 | |
| Рея | 765 | 1.33 | 527040 | 4.517500 | 0.7 | 9.7 | |
| Титан | 2575 | 1.88 | 1221850 | 15.94542 | 0.21 | 8.2 | |
| Япет | 730 | 1.21 | 3560800 | 79.33018 | 0.20 | ||
| Уран | |||||||
| Миранда | 235.8 | 1.15 | 129900 | 1.413479 | 0.27 | 16.3 | |
| Ариэль | 578.9 | 1.56 | 190900 | 2.520379 | 0.34 | 14.2 | |
| Умбриэль | 584.7 | 1.52 | 266000 | 4.144177 | 0.18 | 14.8 | |
| Титания | 788.9 | 1.70 | 436300 | 8.705872 | 0.27 | 13.7 | |
| Оберон | 761.4 | 1.64 | 583500 | 13.46324 | 0.24 | 13.9 | |
| Нептун | |||||||
| Тритон | 1350 | 2.07 | 354800 | 5.87685 | 0.7 | 13.5 |
– для полнолуния или среднего противостояния внешних планет;
– обратное вращение.
A.9. Диаграмма видимого годичного движения Солнца по эклиптике
A.9. Диаграмма видимого годичного движения Солнца по эклиптике
Рис. A.1. Диаграмма видимого годичного движения Солнца по эклиптике.

A.10. Некоторые характеристики звезд
A.10. Некоторые характеристики звезд
Болометрические поправки
| Спектр | Спектр | : Гл. последовательность | : Гиганты | : Сверхгиганты | |
|---|---|---|---|---|---|
| B0 | – 2.70 | F5 | – 0.04 | – 0.08 | – 0.12 |
| B5 | – 1.58 | F8 | – 0.05 | – 0.17 | – 0.28 |
| A0 | – 0.72 | G0 | – 0.06 | – 0.25 | – 0.42 |
| A5 | – 0.31 | G2 | – 0.07 | – 0.31 | – 0.52 |
| F0 | – 0.09 | G5 | – 0.10 | – 0.39 | – 0.65 |
| F2 | – 0.04 | G8 | – 0.10 | – 0.47 | – 0.80 |
| K0 | – 0.11 | – 0.54 | – 0.93 | ||
| K2 | – 0.15 | – 0.72 | – 1.20 | ||
| K3 | – 0.31 | – 0.89 | – 1.35 | ||
| K4 | – 0.55 | – 1.11 | – 1.56 | ||
| K5 | – 0.85 | – 1.35 | – 1.86 | ||
| M0 | – 1.43 | – 1.55 | – 2.2 | ||
| M1 | – 1.70 | – 1.72 | – 2.6 | ||
| M2 | – 2.03 | – 1.95 | – 3.0 | ||
| M3 | – 2.35 | – 2.26 | – 3.6 | ||
| M4 | – 2.7 | – 2.72 | – 3.8 | ||
| M5 | – 3.1 | – 3.4 | – 4.0 |
Оригинал в Архива: Tasks[SAmRAS_2017-2]_8-9 classes.pdf · официални решения: Decisions[SAmRAS_2017-2]_8-9 classes.pdf