9.5 Два спутника
Два спутника Земли — «Метеор» и «Облако» — движутся по круговым орбитам в перпендикулярных плоскостях. В некоторый момент времени «Метеор» пролетел над «Облаком». Спустя четверть оборота «Метеор» мог видеть «Облако» на краю диска Земли. Угловой диаметр Земли при наблюдении с «Облака» равен = 93°.
-
A) На каком угловом расстоянии от края диска Земли будет видно «Облако» с «Метеора» через половину периода «Метеора» после пролета одного спутника над другим?
-
B) Сколько полных оборотов совершит «Метеор», прежде чем, вернувшись в исходную точку, он не сможет увидеть «Облако»?
Атмосферной рефракцией пренебречь.
Решение
Показать решение
Решение. На рисунке изобразим момент, когда «Метеор» видит «Облако» на краю диска Земли. Пусть = 6371 км — радиус Земли, а M и O — радиусы орбит «Метеора» и «Облака» соответственно.
Рис. 4: К определению радиусов орбит спутников.
Из рисунка видно, что радиус орбиты «Облака» равен (2 балла)
Стоит отметить, что угол /2 = 46.5° ≈ 0.8 рад довольно велик и замена синуса этого угла на сам этот угол в радианах неправомочна (замена справедлива, пока угол много меньше радиана) и приводит к значительной ошибке.
Радиус орбиты «Метеора» равен (2 балла)
Рис. 5: Положение спутников после половины оборота «Метеора».
Зная радиусы орбит спутников, можем найти отношение их периодов обращения с помощью 3-го закона Кеплера (1+1 балла):
Спустя половину оборота «Метеор» окажется в точке своей орбиты противоположной исходной. «Облако» к этому моменту пройдет половину своей орбиты и еще некоторый угол = (M/0 −1)×180° ≈ 15° (1 балл). Мы получили угол «Облако»–центр Земли–«Метеор», а для ответа на первый вопрос нам нужно знать угол «Облако»–«Метеор»–центр Земли. Обозначим его как . Его можно найти с помощью теоремы синусов, если знать расстояние между спутниками . Это расстояние можно найти с помощью теоремы косинусов (2 балла):
Отсюда (2 балла)
Видимый с «Метеора» угловой радиус Земли равен ′/2 = 90° − /2 = 43.5°. Тогда искомый угол между «Облаком» и краем диска Земли (1 балл)
В исходной точке «Облако» останется видимым с «Метеора», пока не обгонит его на угол больший 90°. После каждого витка он опережает «Метеор» на угол 2. Разделив 90° на 2, получаем чуть больше 3. Это означает, что «Метеор» не сможет увидеть «Облако» только после того, как вернется в точку А в четвертый раз (3 балла).
Ответ на последний вопрос можно получить немного иначе. Выразим синодический период «Облака» для «Метеора» через периоды обращения этих спутников O и M:
За синодический период «Облако» обгонит «Метеор» на один оборот. Значит, обгон на четверть оборота состоится за четверть синодического периода, то есть 3.1M. Мы снова пришли к тому же выводу.
Критерии
Показать критерии
| Критерии оценивания. | 16 | |
|---|---|---|
| После каждого критерия указывается подробная детализация для оценивания в слу | ||
| чае неправильного ответа на вопрос. Неявное выполнение подпунктов засчитыва | ||
| ется, если в итоге ответ на финальный вопрос правильный. | ||
| К1. | Определены радиусы орбит либо высоты спутников над поверхностью Земли | 3 |
| Правильный метод вычисления 1 | ||
| В частности, если вместо синуса угла в формулах (19) и (20) используется сам угол, то | ||
| этот балл не выставляется, но остальное решение оценивается полностью | ||
| Значение для «Облака» 1 | ||
| Значение для «Метеора» 1 | ||
| Вычисление обоих значений оценивается только если сам метод вычисления был верным | ||
| К2. | Отношение периодов спутников | 3 |
| Запись 3 закона Кеплера 2 | ||
| Вычисление отношения периодов1 | ||
| Засчитывается только при правильной формуле | ||
| К3. | Определено угловое расстояние от «Облака» до края диска Земли6 | |
| Угол между спутниками при центре Земли 1 | ||
| Линейное расстояние между спутниками2 | ||
| Угол «Облако»–«Метеор»–центр Земли 2 | ||
| Расчет углового расстояния 1 | ||
| К4. | Ответ на второй вопрос | 4 |
| Явно указаны 90 градусов или четверть оборота 1 | ||
| Верно определено количество витков любым разумным способом 3 | ||
| За каждый недостающий/лишний в ответе виток оценка за последний пункт снижается | ||
| на 1 балл |