Перейти к содержанию

Подборка

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

9.4 Цифровизация

Астрономия9 класс2025ТеоретическаяЕсть решение редакция rv_8e93e7e9b5a3ab6d ID p_c08f23a65b042d12

При помощи телескопа с диаметром = 20 см, относительным отверстием = 1/10 и ПЗСматрицей была сделана фотография звезды. В таблице вам указано число отсчетов (фотонов) в каждом пикселе матрицы. На основании этих данных определите следующие величины:

    1. фокусное расстояние телескопа;
    1. размер одного пикселя ПЗС-матрицы;
    1. звездную величину звезды

КПД приемника излучения составляет 86%, потери света в оптической системе — 10%. От звезды нулевой звездной величины поступает 106 фотонов на 1 см2 в 1 секунду. Диаметр диска атмосферного дрожания звезды 1.1 ′′. Длительность выдержки фотографии — 10 секунд.

1019897989910099
99981011701009997
9796766777771102100
10119079580980220299
10010278079177110095
104105981961009997
105104101104102104103

Решение

Показать решение

Решение. Относительное отверстие телескопа — это отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию :

A = D F A = \frac{D}{F}

Следовательно, = 10 · = 200 см. Это является ответом на первый вопрос задачи.

Перейдем ко второму вопросу. Для этого внимательно рассмотрим данную таблицу.

1019897989910099
99981011701009997
9796766777771102100
10119079580980220299
10010278079177110095
104105981961009997
105104101104102104103

Таблица 1: Количество отчетов. Серым цветом выделена изображение звезды относительно фона.

Изображение звезды занимает на ПЗС-матрице область 3×3 пикселя. Выходит, что изображение звезды занимает больше, чем один пиксель. Причин для этого несколько. Первая состоят в том, что телескоп не строит точечное изображение звезды. Существует разрешающая способность объектива:

θ = 1.22 λ D ( p a g )  или  θ ″ = 138 D ( m m ) . \theta=1.22\frac{\lambda}{D}\ (\mathrm{pag}) \text{ или } \theta''=\frac{138}{D\ (\mathrm{mm})}.

Первая формула дает значение разрешающей способности объектива в радианах, и для нахождения числа нужно знать длину волны оптического диапазона. Обычно, в астрономии для длины волны оптического диапазона берут значение = 550 нм или 5500 ˚A. Можно воспользоваться и второй формулой, которая сразу дает значение разрешающей способности в угловых секундах.

Определим величину разрешающей способности объектива данного телескопа, обозначив ее за величину 1.

θ 1 ″ = 138 200 ≈ 0.7 ″ . \theta_1'' = \frac{138}{200} \approx 0.7''.

Вторая причина, почему изображение звезды не является точечным, это качество атмосферы или атмосферное дрожание. Величина этого эффекта дана в условии задачи и равна = 1.1 ′′ . Второй эффект является в полтора раза более сильным.

Поскольку, каждая величина является случайной, то мы можем отнестись к ним, как к случайным ошибкам. Тогда суммарный эффект будет

θ Σ ′ ′ = θ 1 2 + θ a 2 ≈ 1.3 ′ ′ . \theta_{\Sigma}^{\prime\prime} = \sqrt{\theta_1^2 + \theta_a^2} \approx 1.3^{\prime\prime}.

Определим, размер «неточечности» изображения на ПЗС-матрице, которая стоит в фокальной плоскости:

θ ∑ = l F , \theta_{\sum} = \frac{l}{F},

где — диаметр пятна в фокальной плоскости телескопа. Тогда

l = θ ∑ 206 265 ⋅ F = 1.3 ⋅ 2 ⋅ 10 6 M K M 206265 = 12.6 M K M . l = \frac{\theta_{\sum}}{206\,265} \cdot F = \frac{1.3 \cdot 2 \cdot 10^6\,\mathrm{MKM}}{206265} = 12.6\,\mathrm{MKM}.

Снова вернемся к таблице с отчетами. Так как значения в каждом пикселе по горизонтали и вертикали на центральной оси звезды примерны равны, то размер звезды с хорошей точностью составляет 3 пикселя. Следовательно, размер одного пикселя

x = l 3 = 4.2 m k m . x = \frac{l}{3} = 4.2 \, \mathrm{mkm}.

Теперь перейдем к третьему вопросу задачи. Определим звездную величину звезды.

Казалось бы, нам нужно сложить число всех фотонов, которые попали в 9 выбранных пикселей. Это 7062 фотона. Но следует обратить внимание на то, что за пределами изображения звезды также имеются отсчеты. Этот шум, возникающий в матрице по очень разным причинам, должен быть во всех пикселях, в том числе и пикселях со звездой. Средняя величина фона неба составляет 100 фотонов на пиксель. Следовательно, от звезды мы зарегистрировали 0 = 6162 фотона.

Вспомним, что в условии задачи было сказано, что КПД приемника излучения составляет 86%, потери света в оптической системе 10%. Тогда число фотонов, попавших на зеркало телескопа составляет

N = N 0 0.86 ⋅ 0.9 = 7960  фотонов. N = \frac{N_0}{0.86 \cdot 0.9} = 7960 \text{ фотонов.}

Выразим, от чего зависит число фотонов, попадающих на матрицу. Для этого в условии задачи дана еще одна подсказка. А именно, от звезды нулевой звездной величины поступает 106 фотонов на 1 см2 в 1 секунду. Чем больше будет выдержка, тем больше фотонов будет зарегистрировано. Чем больше площадь зеркала (а не пикселя), тем больше будет фотонов на приемнике. Запишем зависимость в виде сравнения нашей звезды со звездой нулевой звездной величины. Последнюю будем обозначать индексом – стандарт.

N 1 N s = E 1 E s Δ t 1 ⋅ S 1 Δ t s ⋅ S s , \frac{N_1}{N_s} = \frac{E_1}{E_s} \frac{\Delta t_1 \cdot S_1}{\Delta t_s \cdot S_s},

где ∆ = 1 секунде, а = 1 см2 . Выразим отсюда отношение освещенностей

E 1 E s = N 1 N 2 ⋅ Δ t s ⋅ S s Δ t 1 ⋅ S 1 . \frac{E_1}{E_s} = \frac{N_1}{N_2} \cdot \frac{\Delta t_s \cdot S_s}{\Delta t_1 \cdot S_1}.

Через формулу Погсона получим разность звездных величин

m 1 − m s = − 2.5 log ( N 1 N 2 ⋅ Δ t s ⋅ S s Δ t 1 ⋅ S 1 ) m_1 - m_s = -2.5 \log \left( \frac{N_1}{N_2} \cdot \frac{\Delta t_s \cdot S_s}{\Delta t_1 \cdot S_1} \right)

Подставим значения

m 1 = 0 m − 2.5 log ( 7960 10 6 ⋅ 1 cek ⋅ 1  cm 2 10  cek ⋅ π ⋅ ( 20 / 2 ) 2  cm 2 ) = 14 m m_1 = 0^m - 2.5 \log \left( \frac{7960}{10^6} \cdot \frac{1 \text{cek} \cdot 1 \text{ cm}^2}{10 \text{ cek} \cdot \pi \cdot (20/2)^2 \text{ cm}^2} \right) = 14^m

Критерии

Показать критерии
Критерии оценивания.
15
К1.
Определение фокусного расстояния телескопа: формула + значение1
+
1
К2.
Определение углового размера изображения звезды3
Вычисление дифракционного размера1
Учет атмосферного диска дрожания 1
Правильный способ учета двух эффектов 1
Если учитывается только один эффект, то за этап не более 1 балла, но остальные оцени
ваются в полной мере.
К3.
1
Определение линейного размера «пятна» звезды
К4.
Определение линейного размера одного пикселя1
К5.
Определение числа фотонов от звезды5
Звезда занимает 9 пикселей 1
Правильный подсчет числа фотонов в пикселях, занятых звездой1
Определение средней величины фона 1
Вычитание среднего уровня фона из отсчетов звезды1
Учет потерь в приемнике и оптической системе 1
К6.
3
Определение звездной величины звезды
Связь отношения освещенностей от числа отсчетов в пикселе 1
Получение выражения для звездной величины 1
𝑚 1
0.2
Итоговый численный ответ с точностью