Съдържание

Самара 2021, III кръг (очен), 10–11 клас — Задача 2. Поверхность Луны и размеры ее кратера

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от Самара 2021

Условия задач Открытой межрегиональной олимпиады по астрономии имени Ф.А. Бредихина 10-11 класс · 20 април 2021 г.

Условие

Оцените диаметр кратера, указанного стрелкой в центральной части фотографии Луны (см. рис. 1). Представьте подробный алгоритм определения данной величины.

Черно-белая фотография края лунного диска: слева внизу — черное небо, по диагонали проходит дуга лимба; в центре яркий кратер со светлыми лучами, на который указывает красная стрелка сверху справа. — Рис. 1: поверхность Луны и ее кратеры (Автор-Joostie, источник: https://vk.com/club176359443).

Отговори

Решение

Решение. 1. Определим с помощью линейки наибольшую протяженность кратера $s = 13$ мм (Ваши значения здесь и далее могут отличаться от указанных, при использовании фотографии в ином масштабе, 2 балла). Следовательно линейный диаметр ( $L$ ) кратера будет

L = \mu_\ell\, s,\ \text{(2 балла)} \qquad (7)

здесь $\mu_\ell$ – линейный масштаб фотографии, подлежащий определению.

2. Для его определения вычислим линейный радиус ( $R_{\text{☾}}$ ) Луны на фотографии. Очевидно, непосредственно на фотографии эту величину невозможно измерить, поскольку видна лишь малая часть диска Луны. Выполним дополнительное построение. Отметим точки пересечения видимого диска с границами кадра $A$ и $B$ (2 балла). Построим хорду $AB$ и найдем ее середину – точку $C$ (см. рис. 2, 2 балла). Определим половину ее длины – $\ell = AB/2 = 166$ мм (2 балла).

Далее построим перпендикуляр $CD$ до границы видимого диска (1 балл). Определим его длину – $h = 30$ мм (1 балл). Воспользуемся теоремой Пифагора для треугольника $\triangle OAC$ , катетами которого являются стороны $AC$ , $CO$ , где $O$ – центр диска Луны (на фото не представлен), и гипотенузой $AO = R_{\text{☾}}$ :

R_{\text{☾}}^2 = (R_{\text{☾}} - h)^2 + \ell^2, \ \Rightarrow\ R_{\text{☾}} = \frac{\ell^2 + h^2}{2h} = 474\ \text{мм}.\ \text{(4 балла)} \qquad (8)

3. Далее можно определить угловой масштаб фотографии:

\mu_\ell = \frac{\mathfrak{R}_{\text{☾}}}{R_{\text{☾}}} = 3.66\ \text{км/мм}.\ \text{(2 балла)} \qquad (9)

Следовательно искомая величина составляет $L = 48$ км (2 балла).

Ответ: диаметр кратера составляет 48 км.

Рекомендации для жюри.

Выполненная часть решения задачи	Балл
Корректное определение наибольшей протяженности кратера + формула для расчета линейного диаметра кратера	2+2
Корректный алгоритм определения линейного радиуса ( $R_{\text{☾}}$ ) Луны на фотографии	12
Корректное определение линейного масштаба фотографии + линейного диаметра кратера в пределах интервала [30,70] км	2+2

Та же фотография Луны с построениями: точки A (вверху слева) и B (внизу справа) на пересечении лимба с краями кадра соединены хордой AB; из середины хорды C проведен перпендикуляр CD к краю диска; у кратера, указанного красной стрелкой, отмечен его размер s. — Рис. 2: к определению линейного радиуса Луны и диаметра ее кратера.

Продолжительность

На решение задач данного этапа Олимпиады участникам отводится 4 часа.

Основные справочные данные

§1. Основные физические и астрономические постоянные

Гравитационная постоянная – $G = 6.674 \cdot 10^{-11}\ \text{м}^3 \cdot \text{кг}^{-1} \cdot c^{-2}$
Скорость света в вакууме – $c = 2.998 \cdot 10^8\ \text{м/с}$
Универсальная газовая постоянная – $R = 8.31\ \text{кг} {\cdot} \text{м}^2 \cdot \text{с}^{-2} {\cdot} \text{К}^{-1} \cdot \text{моль}^{-1}$
Постоянная Стефана-Больцмана – $\sigma = 5.67 \cdot 10^{-8}\ \text{кг} {\cdot} \text{с}^{-3} {\cdot} \text{К}^{-4}$
Масса протона – $m_p = 1.67 \cdot 10^{-27}$ кг
Масса электрона – $m_e = 9.11 \cdot 10^{-31}$ кг
Астрономическая единица – 1 а.е. $= 1.496 \cdot 10^{11}$ м
Парсек – 1 пк = 206265 а.е. $= 3.086 \cdot 10^{16}$ м
Свеотовой год – 1 св. г. $= 9.461 \cdot 10^{15}$ м
Постоянная Хаббла – $H = 72\ \text{км} {\cdot} \text{с}^{-1} {\cdot} \text{Мпк}^{-1}$

§2. Данные о Солнце

Радиус – $6.955 \cdot 10^5$ км
Масса – $1.989 \cdot 10^{30}$ кг
Светимость – $3.827 \cdot 10^{26}$ Вт
Спектральный класс – G2
Видимая визуальная звездная величина – $-26.74^m$
Видимая болометрическая звездная величина – $-26.80^m$
Абсолютная болометрическая звездная величина – $+4.83^m$
Показатель цвета (B-V) – $+0.67^m$
Эффективная температура – 5778 K
Средний горизонтальный параллакс – $8.794''$
Интегральный поток энергии на расстоянии Земли – $1360\ \text{Вт/м}^2$
Поток энергии в видимых лучах на расстоянии Земли – $600\ \text{Вт/м}^2$

§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 – $23^{\circ}\, 26'\, 21.45''$
Экваториальный радиус – 6378.14 км
Полярный радиус – 6356.77 км
Масса – $5.974 \cdot 10^{24}$ кг
Средняя плотность – $5.52\ \text{г} {\cdot} \text{см}^{-3}$
Объемный состав атмосферы – $\mathrm{N_2}$ (78%), $\mathrm{O_2}$ (21%), Ar ( $\sim 1\%$ )

§4. Данные о Луне

Среднее расстояние от Земли – 384400 км
Минимальное расстояние от Земли – 363300 км
Максимальное расстояние от Земли – 405500 км
Эксцентриситет орбиты – 0.055
Наклон плоскости орбиты к эклиптике – $5^{\circ}09'$
Сидерический (звездный) период обращения – 27.321662 сут
Синодический период обращения – 29.530589 сут
Радиус – 1738 км
Масса – $7.348 \cdot 10^{22}$ кг или 1/81.3 массы Земли
Средняя плотность – $3.34\ \text{г} {\cdot} \text{см}^{-3}$
Визуальное геометрическое альбедо – 0.12
Видимая звездная величина в полнолуние $-12.7^m$

§5. Физические характеристики Солнца и планет

Планета	Масса, кг	Масса, массы Земли	Радиус, км	Радиус, радиусы Земли	Плотность, г·см⁻³	Период вращения вокруг оси	Наклон экватора к плоскости орбиты, градусы	Геометрич. альбедо	Вид. звездная величина∗
Солнце	$1.989 \cdot 10^{30}$	332946	695500	108.97	1.41	25.380 сут	7.25	–	$-26.8^m$
Меркурий	$3.302 \cdot 10^{23}$	0.05271	2439.7	0.3825	5.42	58.646 сут	0.00	0.10	$-0.1$
Венера	$4.869 \cdot 10^{24}$	0.81476	6051.8	0.9488	5.20	243.019 сут†	177.36	0.65	$-4.4^m$
Земля	$5.974 \cdot 10^{24}$	1.00000	6378.1	1.0000	5.52	23.934 час	23.45	0.37	–
Марс	$6.419 \cdot 10^{23}$	0.10745	3397.2	0.5326	3.93	24.623 час	25.19	0.15	$-2.0^m$
Юпитер	$1.899 \cdot 10^{27}$	317.94	71492	11.209	1.33	9.924 час	3.13	0.52	$-2.7^m$
Сатурн	$5.685 \cdot 10^{26}$	95.181	60268	9.4494	0.69	10.656 час	25.33	0.47	$0.4^m$
Уран	$8.683 \cdot 10^{25}$	14.535	25559	4.0073	1.32	17.24 час†	97.86	0.51	$5.7^m$
Нептун	$1.024 \cdot 10^{26}$	17.135	24746	3.8799	1.64	16.11 час	28.31	0.41	$7.8^m$

∗ для наибольшей элонгации Меркурия и Венеры и среднего противостояния внешних планет;

† – обратное вращение.

§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

§7. Характеристики некоторых спутников планет

Спутник	Масса, кг	Радиус, км	Плотность, г·см⁻³	Радиус орбиты, км	Период обращения, сут	Геометрич. альбедо	Вид. звездная величина∗
Земля
Луна	$7.348 \cdot 10^{22}$	1738	3.34	384400	27.32166	0.12	$-12.7$
Марс
Фобос	$1.08 \cdot 10^{16}$	$\sim 10$	2.0	9380	0.31910	0.06	11.3
Деймос	$1.8 \cdot 10^{15}$	$\sim 6$	1.7	23460	1.26244	0.07	12.4
Юпитер
Ио	$8.94 \cdot 10^{22}$	1815	3.55	421800	1.769138	0.61	5.0
Европа	$4.8 \cdot 10^{22}$	1569	3.01	671100	3.551181	0.64	5.3
Ганимед	$1.48 \cdot 10^{23}$	2631	1.94	1070400	7.154553	0.42	4.6
Каллисто	$1.08 \cdot 10^{23}$	2400	1.86	1882800	16.68902	0.20	5.7
Сатурн
Тефия	$7.55 \cdot 10^{20}$	530	1.21	294660	1.887802	0.9	10.2
Диона	$1.05 \cdot 10^{21}$	560	1.43	377400	2.736915	0.7	10.4
Рея	$2.49 \cdot 10^{21}$	765	1.33	527040	4.517500	0.7	9.7
Титан	$1.35 \cdot 10^{23}$	2575	1.88	1221850	15.94542	0.21	8.2
Япет	$1.88 \cdot 10^{21}$	730	1.21	3560800	79.33018	0.20	$\sim 11.0$
Уран
Миранда	$6.33 \cdot 10^{19}$	235.8	1.15	129900	1.413479	0.27	16.3
Ариэль	$1.7 \cdot 10^{21}$	578.9	1.56	190900	2.520379	0.34	14.2
Умбриэль	$1.27 \cdot 10^{21}$	584.7	1.52	266000	4.144177	0.18	14.8
Титания	$3.49 \cdot 10^{21}$	788.9	1.70	436300	8.705872	0.27	13.7
Оберон	$3.03 \cdot 10^{21}$	761.4	1.64	583500	13.46324	0.24	13.9
Нептун
Тритон	$2.14 \cdot 10^{22}$	1350	2.07	354800	5.87685†	0.7	13.5

∗ – для полнолуния или среднего противостояния внешних планет;

† – обратное вращение.

§8. Формулы приближенного вычисления

\sin x \approx \operatorname{tg} x \approx x;

\sin(x \pm \alpha) \approx \sin\alpha \pm x\, \cos\alpha;

\cos(x \pm \alpha) \approx \cos\alpha \mp x\, \sin\alpha;

\operatorname{tg}(x \pm \alpha) \approx \operatorname{tg}\alpha \pm \frac{x}{\cos^2\alpha};

(1 + x)^n \approx 1 + n\, x;

здесь $x \ll 1$ , все углы выражаются в радианах.

Оригинал в Архива: [2-1]OMOA[10-11classes-2021-3Och]_Tasks.pdf · официални решения: [2-2] OMOA[10-11 classes-2021]_Solutions.pdf