Домашнее задание по астрономии для учащихся 9–11 классов

Домашнее задание по астрономии для учащихся 9–11 классов
Вопросы, подлежащие усвоению
Астрофизика Солнца. Основные параметры Солнца. Спектр Солнца. Особенности спектра
Солнца. Солнечная постоянная и ее измерение. Температура внешних слоев Солнца. Внутреннее строение
Солнца. Условие гидростатического равновесия. Вычисление температуры, давления и плотности вещества в недрах Солнца. Термоядерный источник энергии на Солнце. Физические условия в фотосфере. Определение протяженности фотосферы. Высота однородной атмосферы. Грануляция и конвективная зона.
Физические условия в хромосфере. Солнечная корона. Зодиакальный свет. Противосияние. Радиоизлучение
спокойного Солнца. Активные образования в солнечной атмосфере: факелы, пятна, флоккулы, хромосферные вспышки, протуберанцы. Активные области в солнечной короне. Центр солнечной активности. Циклы
солнечной активности. Числа Вольфа. Влияние солнечной активности на процессы, происходящие на Земле.
Солнечная система. Планеты, астероиды, спутники планет, кометы, метеоры, метеориты,
болиды. Пылевая и газовая составляющие в межпланетном пространстве. Зодиакальный свет и противосияние. Физические условия. Происхождение и дальнейшая эволюция.
Звезды. Разнообразие звезд во Вселенной по массе, размерам и возрасту. Оценка времени существования звезды. Гарвардская спектральная классификация звезд и ее связь с температурой внешних слоев
звезды. Видимые, визуальные, фотографические и фотовизуальные звездные величины. Показатель цвета.
Абсолютная звездная величина. Фотометрическая система Джонсона. Светимость звезды. Формула Погсона. Болометрическая поправка. Диаграмма «Спектр–светимость». Шкала звездных температур. Определение размеров звезд на основе диаграммы «Спектр–светимость». Зависимость «Радиус–светимость–
масса». Звезды главной последовательности. Красные гиганты и сверхгиганты. Белые карлики. Нейтронные звезды. Черные дыры. Гравитационный радиус. Гравитационное красное смещение, замедление времени, искривление световых лучей и релятивистское вращение больших осей орбит вблизи сверхплотного и
массивного тела. Строение, физические условия внутри звезд и в их атмосферах. Источники энергии. Образование звезд и их дальнейшая эволюция. Протозвезды. Двойные звезды. Физические переменные звезды.
Стандартные обозначения переменных звезд. Пульсирующие переменные: цефеиды, звезды типа RR Лиры,
 Цефея, RV Тельца, Миры Кита. Механизмы их пульсации. Эруптивные переменные звезды. Вынос материи с поверхности звезд. Газовые оболочки и кольца вокруг звезд. Звезды типа Вольфа-Райе. Новые и сверхновые звезды. Особенности их кривых блеска и объяснение их при помощи кинетики физических процессов
во время вспышки звезды. Остатки вспышек сверхновых звезд. Пульсары, планетарные туманности.
Наша Галактика. Подсистемы Галактики. Объекты, принадлежащие нашей Галактике. Распределение звезд в Галактике. Звездные скопления, их типы и динамика происходящих в них процессов. Пространственные скорости звезд и движение Солнечной системы. Вращение Галактики. Межзвездная пыль.
Газовая составляющая межзвездной среды. Газовые туманности. Планетарные туманности. Крабовидная туманность и некоторые другие туманности – остатки вспышек сверхновых.
Физическое состояние материи в Галактике. Радиоизлучение из межзвездного пространства Галактики. Космические лучи. Магнитные поля в Галактике. Конденсации межзвездного вещества и их эволюция. Особенности расположения и движения газовых масс в Галактике. Активность ядра Галактики.
Внегалактическая астрономия. Классификация галактик. Общие физические характеристики
галактик. Вращение галактик. Их массы. Красное смещение в спектрах удаленных галактик. Закон Хаббла.
Постоянная Хаббла. Группы галактик. Скопления и сверхскопления галактик. Структура Метагалактики.
Радиоизлучение нормальных галактик. Радиогалактики. Галактики Сейферта. Признаки взрыва в радиогалактиках. Квазары. Их природа.
Космология и космогония. Взаимосвязь пространства, времени и тяготения. Теория большого
взрыва. Четыре основные стадии эволюции Метагалактики. Физические процессы в расширяющейся Вселенной. Первые мгновения после Большого взрыва. Последующие пять минут. Нуклеосинтез в горячей модели Вселенной. Реликтовое излучение. Гравитационная неустойчивость. Рост первичных адиабатических
возмущений плотности. Невозможность образования одиночных звезд в современную эпоху. Звездные ассоциации и фрагментация протозвездного вещества. Эволюция звезд. Космологическая сингулярность.
Задачи для самостоятельного решения
6
1. Яркость солнечной короны составляет примерно 10 от яркости Солнца. Она
светится за счет рассеяния света Солнца на свободных электронах. Оцените массу
солнечной короны.
2. Найдите линейный радиус круглого солнечного пятна, которое вызывало бы такое
же падение яркости Солнца на Земле, которое наблюдается во время прохождения
Венеры по диску Солнца. Температура в солнечном пятне равна 4200 K , оно
находится в центре диска Солнца. Потемнением диска Солнца к краю пренебречь.
3. Как изменилась бы видимая звездная величина Луны в полнолуние, если бы ее
альбедо увеличилось по сравнению с современным в три раза?
4. Чему равна температура поверхности Луны в подсолнечной точке?
2000 г. была открыта очередная малая планета из семейства транснептуновых
планет «Плутино» («Плутончики»), которая имеет диаметр D  650 км , ее расстояние от Солнца в афелии rQ  5,6 млрд км , а в перигелии –
rq  2,7 млрд км . Определить максимальный блеск Плутино при наблюдениях
5. В
с Земли (влияние атмосферы не учитывать), при условии, что коэффициент отражения от поверхности планеты A  0,2 .
6. Предположим, что вокруг звезды с температурой T* и средней плотностью  *
движется планета. Пусть она не имеет атмосферы, обращена к звезде одной стороной и имеет такое же альбедо A , что и у Луны. Чему равен период обращения этой
планеты по орбите, если температура на ее поверхности такая же, как на Луне? Как
зависит температура на поверхности планеты от зенитного расстояния Солнца?
Считается, что и звезда, и планета излучают как абсолютно черное тело.
7. 14 ноября 2003 года была открыта карликовая планета Седна, радиус которой составляет примерно 750 км. Ее минимальное удаление от Солнца составляет 76 а.е.
(астрономических единиц), а наибольшее – 960 а.е. Сравните блеск Солнца на Седне в афелии с блеском Луны на Земле.
8. Экзопланета Corot-Exo-7, открытая 3.02.2009 по транзиту при помощи французской космической обсерватории COROT, менее чем в два раза превосходит Землю
по диаметру, а ее масса сопоставима с земной. Экзопланета совершает полный
оборот вокруг звезды (очень похожей на Солнце) примерно за 20 часов. Оцените
температуру на поверхности этой экзопланеты. Что ожидает ее в будущем?
9. В европейской Южной Обсерватории (ESO) создается OWL («Чрезвычайно большой телескоп») с диаметром зеркала 100 м и дифракционным качеством изображения в оптическом диапазоне. Можно ли будет с помощью этого телескопа увидеть
хотя бы отдельные пятна на звезде  Cen A как протяженные объекты. Звезда
 Cen A – звезда, очень похожая на Солнце и находящаяся от него на расстоянии
примерно 1,3 пк .
10. Оцените частотный диапазон, в котором может работать радиотелескоп-рефлектор
диаметром D  10 м , сделанный из металлической сетки с ячейками 1 см.
11. Звезда Капелла относится к тому же спектральному классу, что и Солнце. Расстояние до нее равно r  13 пк , а на нашем небе она выглядит как звезда m  0,1 .
На каком расстоянии от Капеллы должна находиться планета со средней плотноm
3
стью 1 г / см , чтобы условия на ее поверхности были схожи с земными? Какая
масса должна быть у этой планеты?
12. В желтых лучах звезды
A
и
B
светят одинаково, а в красных лучах звезда
B
на
m
0,1 ярче, чем звезда A . Какая из звезд горячее?
13. В далекой галактике вспыхнула сверхновая звезда. Ее блеск в максимуме составил
m  22 m. Линия водорода H  , наблюдавшаяся в ее спектре совместилась с линией H  лабораторного водородного стандарта. Какой блеск имела бы эта сверхновая, если бы она находилась вблизи центра нашей Галактики, на расстоянии
rc  8 кпк от Солнца? Лабораторные длины волн линий H  и H  равны
  6563 A
и
  4861 A,
постоянная Хаббла
H  70
звездным и межгалактическим поглощением пренебречь.
км
 Межс  Мпк
14. У затменной переменной звезды глубина главного и вторичного минимумов соm
m
ставляет соответственно 0,55 и 0,11 . Определите, если это возможно: отношение масс, отношение радиусов, отношение эффективных температур и отношение светимостей двух звезд, входящих в систему. Потемнением дисков звезд к
краю пренебречь.
15. На северном небе
2 000 звезд 6 -й видимой звездной величины. Во сколько раз их
общий свет сильнее света Сириуса, блеск которого
 1,46 m ?
16. В планетарной туманности наблюдаются очень яркие «небулярные» линии азота и
кислорода. Условием их возникновения является то, что за время нахождения в
возбужденном состоянии атом не должен столкнуться ни с одним электроном
окружающей среды. Оцените среднюю концентрацию электронов в планетарной
туманности, если известно, что по относительной интенсивности этих линий температура составляет 10 000 K , а время жизни около 50 секунд. Эффективное сечение взаимодействия атома с электроном равно 10
16
см 2 .
17. С самого края большой спиральной галактики, удаленной от нас на
2 Мпк и ви-
димой на Земле «с ребра» как тонкая нить размером 1 , был получен радиосигнал,
похожий на позывные далекой цивилизации. С помощью телескопа с фокусным
расстоянием 2 м и дифракционной решетки с разрешением   5 A / мм со
щелью, направленной вдоль оси галактики, был получен ее спектр. Линии в желтозеленой части спектра 5500 A оказались наклоненными под углом   5 к
нормальному положению. В какую область галактики нужно послать ответный
сигнал далекой цивилизации? Орбиты звезд вокруг центра галактики считать круговыми.


10 000 одинаковых галактик с блеском 18m каждая. Все скопление на земном небе имеет угловой диаметр 5. Спектральные из-
18. Скопление галактик состоит из
мерения показали, что красное смещение скопления составляет 0,1 , а разность лучевых скоростей отдельных галактик и лучевой скорости скопления достигает
 500 км / с . Определить вклад темной материи в массу скопления. Считайте, что
все галактики состоят из звезд, похожих на Солнце.
19. Оцените массу Галактики по расстоянию Солнца от центра Галактики и скорости
его движения по галактической орбите.
20. Ширина линии
H  (  4863 A ) в спектре ядра сейфертовской галактики со
ставляет около 30 A . Каков разброс характерных скоростей движения облаков
излучающего газа в ядре этой галактики?
СОБСТВЕННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ УЧАЩИХСЯ
1. Работа с подвижной картой звездного неба.
2. Измерение светимости Солнца при помощи самодельного фотометра.
3. Наблюдение рельефа Луны в телескоп
4. Наблюдение Солнца с целью изучения центров активности и установления закона потемнения к краю солнечного диска.
5. Наблюдение Юпитера с целью измерения периодов обращения галилеевых спутников,
а также отдельных структурных элементов его атмосферы.
6. Наблюдение колец Сатурна.
7. Наблюдение комет в телескоп.
8. Наблюдение метеорных потоков.
9. Наблюдение в телескоп рассеянных и шаровых звездных скоплений.
10. Наблюдение планетарных туманностей.
11. Снятие кривой блеска переменных звезд.
12. Наблюдение визуально-двойных и затменно-двойных звезд.
13. Наблюдение центров звездообразования в Орионе.
14. Наблюдение в телескоп различных типов галактик.
15. Качественная оценка угловых расстояний между небесными объектами и оценка расстояния до них.
16. Наблюдение в телескоп скоплений галактик.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ЛИТЕРАТУРА
Засов В.А., Кононович Э.В. Астрономия: Учебник для 11 класса общеобразовательных
учреждений. 2-е изд. – М.: Просвещение, 2006. – 160 с.
Астрономия: Атлас для общеобразовательных учреждений. – М.: АСТ, 1996.
Астрономия // Энциклопедия для детей. – М.: Аванта+, 1997. – 686 с.
Гаврилов М.Г. Звездный мир: сборник задач по астрономии и космической физике. –
М., 1998 – 99 с.
Гусев Е.Б., Сурдин В.Г. Расширяя границы Вселенной: История астрономии в задачах.
М.:МЦНМО, 2003
Задачи Московской астрономической олимпиады 1997-2002. М.:МИЩЩ, 2002.
7. Задачи Московской астрономической олимпиады 2003–2005. М.: МИИО, 2005.
8. Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии. – М.: Наука, 2010.
9. Сурдин В.Г. Астрономические задачи с решениями. М.: УРСС, 2010.
10. Угольников О.С. Небо начала века. 2001-2012. М., 2000.
11. Швецова Н. А., Барков А.П. Сборник олимпиадных заданий. Часть 1. Астрономия и
физика Космоса. Краснодар, 2004.
12. Шимбалев А.А. Атлас звездного неба. Все созвездия Северного и Южного полушарий
с подробными картами. Минск, Харвест, 2010.
13. Школьный астрономический календарь на 2011/2012 учебный год. М.: ДРОФА, 2011.
14. Журналы "Квант". 2000 – 2011 гг.
15. Журналы "Земля и Вселенная". 1990 – 2011 гг.
16. Фейгин О.О. Поразительная Вселенная. М. : Эксмо. 2011.
17. Керрод Р. Вселенная: взгляд с космического телескопа «Хаббл». М.: Принт, 2004.
18. Попов С., Прохоров М. Звезды: жизнь после смерти. М.: Век-2, 2007.
19. Ридлат Я. Астрономия. Полная энциклопедия. М.:АСТ, 2007.
20. Роуэн-Робинсон М. Космология. М.:РХД, 2008.
21. Рубин С.Г. Устройство нашей Вселенной. М.: Век-2, 2006.
22. Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. М. : ФМЛ,
2007
23. Фейгин О.О. Тайны Вселенной. Ч: Фактор, 2008.
24. Фейгин О.О. Большой взрыв. М.: Эксмо, 2009.
25. Хван М.П. Неистовая Вселенная: от Большого взрыва до ускоренного расширения, от
кварков до суперструк. М.: УРСС, 2006.
26. Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. М.: Амфора, 2006.
27. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. М.: Амфора, 2006.
28. Черепащук А.М. Черные дыры во Вселенной. М.: Век-2, 2005.
29. Саган К. космос. М.: Век-2, 2006.
30. Арсенов О. Физика времени. М.: Эксмо, 2010.