Перейти к содержанию

Подборка

Подборки хранятся в этом браузере без учётной записи. Для них нужен включённый JavaScript.

11.8 Еще одна точка зрения

АстрономияРегиональный11 класс2026Есть решение редакция rv_cab201cee5a78fbe ID p_0debd06e5a5ceff6

Астероид движется в плоскости эклиптики по эллиптической орбите с большой полуосью a = 3 а. е. и эксцентриситетом e = 0.4.

  • A. Как для гелиоцентрического наблюдателя зависит мгновенное собственное движение астероида от расстояния до астероида?

  • B. В каких пределах для гелиоцентрического наблюдателя меняется собственное движение (выраженное в угловых секундах в секунду времени)?

  • C. Представим, что неподвижный относительно Солнца наблюдатель долгое время находится вблизи перигелия орбиты астероида. Какое собственное движение будет для него иметь астероид в тот момент, когда пройдет ровно четверть длины орбиты от перицентра?

Решение

Показать решение

Решение.

A. Собственное движение связано с компонентой скорости объекта, перпендикулярной лучу зрения. Эту компоненту мы можем определить из II закона Кеплера (на самом деле из закона сохранения момента импульса):

v r sin α = G M ⊙ a ( 1 − e 2 ) , vr\sin\alpha = \sqrt{GM_{\odot}a(1-e^2)},

здесь v — скорость астероида на расстоянии r от Солнца, α — угол между радиусвектором ⃗r и вектором скорости ⃗v. При этом v sin α — это и есть перпендикулярная лучу зрения (для гелиоцентрического наблюдателя) компонента скорости v⊥.

Собственное движение показывает угловой сдвиг объекта на небе за единицу времени ∆t, тогда выражение для собственного движения примет вид

μ  [рад] =  v ⊥ Δ t r = G M ⊙ a ( 1 − e 2 ) Δ t r 2 . \mu \text{ [рад] = } \frac{v_{\perp}\Delta t}{r} = \frac{\sqrt{GM_{\odot}a(1-e^2)}\Delta t}{r^2}.

Итого, мгновенное собственное движение обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца до астероида.

B. Из полученной выше формулы следует, что граничные значения собственного движения достигаются в перигелии и афелии. Вычислим их.

μ π Δ t = v π r π = G M ⊙ a ⋅ 1 + e 1 − e a ( 1 − e ) = 9.7 ⋅ 10 − 8  рад/c = 0 ″ . 02 / c . \frac{\mu_{\pi}}{\Delta t} = \frac{v_{\pi}}{r_{\pi}} = \frac{\sqrt{\frac{GM_{\odot}}{a} \cdot \frac{1+e}{1-e}}}{a(1-e)} = 9.7 \cdot 10^{-8} \text{ рад/c} = 0''.02/c.
μ α Δ t = v α r α = G M ⊙ a ⋅ 1 − e 1 + e a ( 1 + e ) = 1.8 ⋅ 10 − 8  рад/c = 0 ″ . 004 / c . \frac{\mu_{\alpha}}{\Delta t} = \frac{v_{\alpha}}{r_{\alpha}} = \frac{\sqrt{\frac{GM_{\odot}}{a} \cdot \frac{1-e}{1+e}}}{a(1+e)} = 1.8 \cdot 10^{-8} \text{ рад/c} = 0''.004/c.

C. Астероид находится в четверти орбиты от перицентра, то есть в вершине малой оси. В этом случае касательная к эллипсу (и, следовательно, вектор скорости) направлен параллельно большой оси эллипса. Нужно найти скорость в этой точке и определить ее проекцию на перпендикуляр к лучу зрения наблюдателя.

Расстояние от фокуса до вершины малой оси равно в точности большой полуоси эллипса. Полную скорость определим из интеграла энергий:

v = G M ⊙ ( 2 r − 1 a ) = G M ⊙ a = 1.7 ⋅ 10 4  m/c . v = \sqrt{GM_{\odot}\left(\frac{2}{r} - \frac{1}{a}\right)} = \sqrt{\frac{GM_{\odot}}{a}} = 1.7 \cdot 10^4 \text{ m/c}.

Рис. 1: К решению задачи 8.

Можно сразу использовать готовый факт о совпадении скорости в вершине малой оси со скоростью на круговой орбите радиуса a.

Величина малой полуоси связана с большой полуосью и эксцентриситетом формулой b = a √ 1 − e 2 , тогда расстояние от перицентра до вершины малой полуоси составит

s = a 2 + b 2 = a 2 − e 2 = 6.1 ⋅ 10 11  M . s = \sqrt{a^2 + b^2} = a\sqrt{2 - e^2} = 6.1 \cdot 10^{11} \text{ M}.

Угол между радиус-вектором ⃗r и вектором скорости ⃗v оценим из закона сохранения момента импульса:

sin α = G M ⊙ a ( 1 − e 2 ) v r = G M ⊙ a ( 1 − e 2 ) G M ⊙ a ⋅ a = 1 − e 2 , α ≈ 66 ∘ . \sin \alpha = \frac{\sqrt{GM_{\odot}a(1-e^2)}}{vr} = \frac{\sqrt{GM_{\odot}a(1-e^2)}}{\sqrt{\frac{GM_{\odot}}{a} \cdot a}} = \sqrt{1-e^2}, \quad \alpha \approx 66^{\circ}.

Угол между лучом зрения наблюдателя равен θ = α − β, где угол β определяется из треугольника «Солнце — наблюдатель — астероид»:

cos β = r 2 + s 2 − r π 2 2 r s = a 2 + a 2 ( 2 − e 2 ) − a 2 ( 1 − e ) 2 2 a 2 2 − e 2 = 1 + e − e 2 2 − e 2 , β ≈ 24 ∘ . \cos\beta = \frac{r^2 + s^2 - r_\pi^2}{2rs} = \frac{a^2 + a^2(2 - e^2) - a^2(1 - e)^2}{2a^2\sqrt{2 - e^2}} = \frac{1 + e - e^2}{\sqrt{2 - e^2}}, \quad \beta \approx 24^\circ.

Рассчитываем угол θ: θ = 66◦ − 24◦ = 42◦ . Тогда мгновенное собственное движение астероида для наблюдателя составит

μ = v sin θ s ≈ 4 ⋅ 10 − 3 ″ / c . \mu = \frac{v \sin \theta}{s} \approx 4 \cdot 10^{-3''}/c.

Критерии

Показать критерии

Критерии оценивания.

К1.Пункт
A
6
Указание
на
связь
собственного
движения
с
компонентой
скорости,
2
перпендикулярной лучу зрения (формульное или словесное)
Физически верная модель связи собственного движения с параметрами орбиты
3
и Солнца, в том числе через II закон Кеплера или интеграл площадей
1/r2
∝
µ
1
Получение итогового верного соотношения
К2.Пункт
B
4
Явное
или
формульное
указание
на
точки
орбиты,
в
которых
достигаются
2
граничные значения собственного движения
Вычисление
верных
итоговых
значений
в
указанных
в
условии
единицах
1+1
измерения
К3.C
Пункт
6
Указание на то, что объект находится в вершине малой оси (графическое или
1
словесное)
Верная
обоснованная
оценка
расстояния
до
наблюдателя
(в
а.е.
или
иных
2
осмысленных единицах, или же верная формульная запись)
Верный
расчет
угловых
характеристик,
необходимых
для
проецирования
2
скорости на картинную плоскость
Верная
итоговая
оценка
собственного
движения
(с
учетом
погрешностей
3.5
4.5
засчитываются
ответы
в
интервале
от
до
миллисекунд
дуги
в
год
1
при верном ходе решения)
Максимальная оценка:16