Перейти к содержанию

Подборка

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

10.5 Тройная фаза

АстрономияРегиональный10 класс2025Есть решение редакция rv_f16af060b77c8f48 ID p_12c6c2dd8b29f8a1

Объект Солнечной системы сферической формы наблюдается с Земли на угловом удалении γ \gamma от Солнца, при этом его фаза равна Φ 1 \Phi_1 . В следующий раз наблюдаемый объект снова оказался на угловом удалении γ \gamma от Солнца через 1 4 \frac{1}{4} года, при этом его фаза Φ 2 \Phi_2 оказалась ровно в 3 раза больше, чем Φ 1 \Phi_1 . На основании этих данных определите:

  • А. Радиус орбиты наблюдаемого объекта.

  • В. Угловое удаление объекта от Солнца в момент первого наблюдения угол γ \gamma .

  • С. Какая была видимость у объекта в момент первого наблюдения утренняя или вечерняя? Приведите подробный анализ.

Орбита объекта лежит в плоскости эклиптики и является круговой. Объект обращается вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля.

Решение

Показать решение

Решение.

Наблюдаемый объект является внутренним по отношению к Земле. Действительно, любой внешний объект для земного наблюдателя будет иметь значение фазы от 0.5 до 1, поэтому получить значение двух фаз, отличающихся ровно в три раза, для внешнего объекта не получится. А для внутренних объектов такого ограничения нет.

Нарисуем схему, поясняющую задачу.

Точка S – Солнце, T – Земля, O 1 O_1 и O 2 O_2 – наблюдаемый объект в двух своих положениях.

Пока не будем отвечать на последний вопрос задачи и предположим, что в обоих случаях объект наблюдался к западу от Солнца. Анализ вариантов расположения проведем ниже.

Обратим внимание, что треугольник S O 1 O 2 SO_1O_2 – равнобедренный, так как орбита объекта круговая, и S O 1 = S O 2 SO_1 = SO_2 .

Тогда фазовые углы φ 1 \varphi_1 и φ 2 \varphi_2 являются дополнительными друг к другу. Запишем формулу, связывающую фазу и фазовый угол:

Φ = 1 + cos φ 2 \Phi = \frac{1 + \cos \varphi}{2}

Из условия задачи

3 Φ 1 = Φ 2 3 1 + cos φ 1 2 = 1 + cos φ 2 2 3 + 3 cos φ 1 = 1 + cos φ 2 3\Phi_1 = \Phi_2 \qquad 3\frac{1+\cos\varphi_1}{2} = \frac{1+\cos\varphi_2}{2} \qquad 3+3\cos\varphi_1 = 1+\cos\varphi_2

Теперь воспользуемся тем, что фазовые углы являются дополнительными. Тогда cos φ 1 = cos ( 180 ∘ − φ 2 ) = − cos φ 2 \cos \varphi_1 = \cos(180^\circ - \varphi_2) = -\cos \varphi_2 .

3 − 3 cos φ 2 = 1 + cos φ 2 ⇒ cos φ 2 = 1 2 3 - 3\cos\varphi_2 = 1 + \cos\varphi_2 \Rightarrow \cos\varphi_2 = \frac{1}{2}

Отсюда угол φ 2 = 60 ∘ \varphi_2=60^\circ . Так как углы при основании треугольника равны между собой и равны 60 ∘ 60^\circ , треугольник Δ S O 1 O 2 \Delta SO_1O_2 получается равносторонним, и угол при Солнце O 1 S O 2 = Δ λ = 60 ∘ O_1SO_2=\Delta\lambda=60^\circ

Еще раз внимательно посмотрим на схему, поясняющую нашу задачу. На этой схеме у нас «зафиксированы» положения Солнца и Земли, а внутренний объект продолжает свое движение вокруг Солнца. В такой системе отсчета внутрениий объект сделает полный оборот за синодический период.

За четверть года объект прошел дугу длиной 60°, следовательно, полный оборот он сделает за

S = 360 ∘ 60 ∘ Δ t = 6 Δ t = 1.5  года S=\frac{360^\circ}{60^\circ}\Delta t=6\Delta t=1.5 \text{ года}

Зная синодический период, можно сначала найти сидерический период, а затем и полуось орбиты. Выполним эти расчеты. По условию задачи все тела двигаются в одну сторону, поэтому запишем синодическое уравнение со знаком «минус». Также учтем, что объект внутренний.

1 S = 1 T − 1 T ⊕ 1 T = 1 S + 1 T ⊕ ⇒ T = S ⋅ T ⊕ S + T ⊕ = 0.6  года \frac{1}{S}=\frac{1}{T}-\frac{1}{T_\oplus} \qquad \frac{1}{T}=\frac{1}{S}+\frac{1}{T_\oplus} \Rightarrow T=\frac{S\cdot T_\oplus}{S+T_\oplus}=0.6 \text{ года}

Значение полуоси орбиты найдем из третьего закона Кеплера, сравнив орбиту наблюдаемого объекта с орбитой Земли. Получим a=0.71 a.e.

Перейдем ко второму вопросу задачи. На рисунке рассмотрим любой из треугольников Δ S T O 1 \Delta STO_1 или Δ S T O 2 \Delta STO_2 . Запишем теорему синусов для любого из этих треугольников, например, для для Δ S T O 2 \Delta STO_2 :

a ⊕ sin φ 2 = a sin γ \frac{a_{\oplus}}{\sin \varphi_2} = \frac{a}{\sin \gamma}

Здесь известны все величины, кроме искомого угла γ \gamma .

sin γ = a a ⊕ sin φ 2 \sin \gamma = \frac{a}{a_{\oplus}} \sin \varphi_2

Отсюда угол γ = 38 ∘ \gamma=38^\circ . Нам подходит только острый угол. Поскольку углы φ 1 \varphi_1 и φ 2 \varphi_2 дополнительные, их синусы равны, и точно такой же ответ можно получить из анализа треугольника Δ S T O 1 \Delta STO_1 .

Перейдем к анализу последнего пункта задачи.

На рисунке обозначим точки, в которых может оказаться объект на угловом удалении γ \gamma от Солнца. Всего таких точек в общем случае должно быть 4. Правда, возможны «вырожденные» случаи, когда точек будет только 2 – это ситуации максимумов элонгаций или соединений. Но оба этих вырожденных случая не подходят к условию задачи – в случае с максимумами элонгаций фаза будет равна 0.5 и получить значение фазы в три раза больше невозможно. В случае соединений в нижнем соединении фаза равна 0, а в следующем (верхнем) соединении фаза будет равна 1. Отношение этих фаз также не равно 3, что противоречит условию задачи.

Поскольку объект внутренний и имеет круговую орбиту, его угловая скорость всегда больше угловой скорости Земли (наблюдателя). Следовательно, объект будет последовательно проходить чеоез точки 1, 2, 3 и 4. Нужно проанализировать, какой (или какие) из переходов может соответствовать условиям задачи.

Переходы 2 → 3 2 \to 3 и 4 → 1 4 \to 1 нам не интересны, так как фазы в обеих точках будут одинаковы. Поэтому осталось рассмотреть переходы 3 → 4 3 \to 4 и 1 → 2 1 \to 2 . В первом случае (3-4) фаза уменьшается, а во втором случае фаза увеличивается. По условию задачи фаза как раз должна увеличиваться, следовательно, нам подходит только переход 1 → 2 1 \to 2 . Он соответствует утренней видимости объекта.

Критерии оценивания.16
К1.Объект является внутренним2
К2.Запись выражения для фазы и фазового угла1
К3.180∘
𝜙1
𝜙2
Прямое утверждение о связи углов
и
– их сумма равна
1
К4.Определение одного из фазовых углов1
К5.𝑂1𝑆𝑂2
1
Определение угла
К6.Определение синодического периода1
К7.Определение сидерического периода1
К8.0.04
Определение полуоси объекта с точностью
а.е
2
К9.∘
𝛾
2
Определение угла
с точностью до
2
10∘ или тупом угле 0
При точности хуже
К10.Анализ видимости объекта4
Только правильный ответ 1
Рассмотрены 4 точки 2
но вращение происходит в другую сторону или не верно выбрано изменение фазы