Перейти к содержанию

Подборка

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

9.3 Задача о максимумах

АстрономияРегиональный9 класс2026Есть решение редакция rv_573a375dbe996e7b ID p_ee10bd142d51459a

Астероид движется вокруг Солнца по круговой орбите, лежащей в плоскости орбиты Земли. Максимальное расстояние между Землей и астероидом в 3.5 раза больше минимального расстояния между ними. Определите максимально возможное время (в годах или долях года), в течение которого астероид непрерывно находится ближе к Земле, чем к Солнцу. Орбиту Земли считайте круговой.

Ответ

Показать ответ

Ответ. Астероид может провести не более 0.7 года ближе к Земле, чем к Солнцу.

Решение

Показать решение

Решение. Определим параметры орбиты астероида. Изначально неизвестно, является он внутренним или внешним, поэтому проверим оба варианта.

Расстояние между Землей и астероидом максимально, если они находятся на одной прямой с Солнцем по разные стороны от него. Если a — радиус орбиты астероида, а a ⊕ a_{\oplus} — радиус орбиты Земли, то максимальное расстояние r max = a ⊕ + a r_{\max} = a_{\oplus} + a .

Минимальное расстояние достигается, когда астероид и Земля также находятся на одной линии с Солнцем но по одну сторону от него: r min = | a ⊕ − a | r_{\min} = |a_{\oplus} - a| . Здесь мы записали модуль, поскольку есть два варианта расположения астероида: между Землей и Солнцем или по другую сторону относительно Земли. Тогда

r max r min = K = a ⊕ + a | a − a ⊕ | . \frac{r_{\text{max}}}{r_{\text{min}}} = K = \frac{a_{\oplus} + a}{|a - a_{\oplus}|}.

Если астероид внешний, то

K = a ⊕ + a out a out − a ⊕ ⇒ a out = a ⊕ K + 1 K − 1 = 4.5 2.5 a ⊕ = 9 5 a ⊕ ≈ 1.8  a. e. K = \frac{a_{\oplus} + a_{\text{out}}}{a_{\text{out}} - a_{\oplus}} \quad \Rightarrow \quad a_{\text{out}} = a_{\oplus} \frac{K+1}{K-1} = \frac{4.5}{2.5} a_{\oplus} = \frac{9}{5} a_{\oplus} \approx 1.8 \text{ a. e.}

Если астероид внутренний, то

K = a ⊕ + a in a ⊕ − a in ⇒ a in = a ⊕ K − 1 K + 1 = 5 9 a ⊕ ≈ 0.56 a. e. K = \frac{a_{\oplus} + a_{\text{in}}}{a_{\oplus} - a_{\text{in}}} \quad \Rightarrow \quad a_{\text{in}} = a_{\oplus} \frac{K - 1}{K + 1} = \frac{5}{9} a_{\oplus} \approx 0.56 \, \text{a. e.}

Расстояние астероида от Солнца постоянно, а расстояние от Земли меняется непрерывно. Рассмотрим случай внешнего астероида. Перейдем в систему отсчета, в которой покоится отрезок Солнце — Земля и проведем окружность радиуса a o u t a_{\rm out} с центром в Земле. На том участке орбиты, которая попала внутрь этой окружности, астероид располагается ближе к Земле, чем к Солнцу (см. рисунок). Когда же астероид находится вне этой окружности, он располагается ближе к Солнцу, чем к Земле.

В выбранной системе отсчета астероид двигается по круговой орбите радиуса a o u t a_{\rm out} с синодическим периодом S o u t S_{\rm out} . Поскольку сидерический период астероида равен T o u t = a o u t 3 / 2 ≈ 2.41 г о д а T_{\rm out}=a_{\rm out}^{3/2}\approx 2.41\,{\rm года} , то его синодический период равен

1 S o u t = 1 T 0 − 1 T o u t ⇒ S o u t = T o u t T 0 T o u t − T 0 ≈ 1.71  года. \frac{1}{S_{\rm out}}=\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_{\rm out}} \quad \Rightarrow \quad S_{\rm out}=\frac{T_{\rm out}T_0}{T_{\rm out}-T_0}\approx 1.71 \text{ года.}

Искомое время так же соотносится с синодическим периодом, как длина дуги орбиты астероида, попавшая внутрь очерченной вокруг Земли окружности, ко всей длине орбиты:

Δ t = 2 α 360 ∘ ⋅ S out . \Delta t = \frac{2\alpha}{360^{\circ}} \cdot S_{\text{out}}.

Определим угол α \alpha . Рассмотрим треугольник Земля — Солнце — T, где T — точка удаленная на расстояние a out a_{\text{out}} от Земли и Солнца. Этот треугольник равнобедренный. Опустим высоту (она же медиана) из точки T на сторону Земля — Солнце. Получим прямоугольный треугольник с двумя известными сторонами. Тогда

cos α = a ⊕ / 2 a out = 0.5 1.8 ≈ 2.78 ⇒ α ≈ 73.9 ∘ . \cos \alpha = \frac{a_{\oplus}/2}{a_{\text{out}}} = \frac{0.5}{1.8} \approx 2.78 \quad \Rightarrow \quad \alpha \approx 73.9^{\circ}.

В итоге получаем искомое время

Δ t o u t = 2 ⋅ 73.9 ∘ 360 ∘ ⋅ 1.71 года  ≈ 0.7 года. \Delta t_{\rm out} = \frac{2 \cdot 73.9^{\circ}}{360^{\circ}} \cdot 1.71\, \text{года } \approx 0.7\, \text{года.}

Решение для случая астероида на внутренней орбите производится по такой же схеме (см. рисунок). Такой астероид движется с сидерическим периодом T i n ≈ 0.41 г о д a T_{\rm in} \approx 0.41\,{\rm годa} , синодическим периодом S i n ≈ 0.71 г о д a S_{\rm in} \approx 0.71\,{\rm годa} . Угол β = 25.8 ∘ \beta = 25.8^{\circ} , откуда промежуток времени

Δ t i n = 2 ⋅ 25.8 ∘ 360 ∘ ⋅ 0.71 года  ≈ 0.1 года. \Delta t_{\rm in} = \frac{2 \cdot 25.8^{\circ}}{360^{\circ}} \cdot 0.71\, \text{года } \approx 0.1\, \text{года.}

Замечание. Использование округленного значения a i n a_{\rm in} вместо точного приводит к значению β = 26.8 ∘ \beta=26.8^{\circ} , что никак не влияет на конечный результат.

Стоит отметить, что при обратном вращении астероида вокруг Солнца его синодический период меньше, чем для прямого вращения, а значит, на тех же орбитах он будет проводить меньше времени непрерывно ближе к Земле, чем к Солнцу.

Критерии

Показать критерии
Критерии оценивания.16
К1.Радиус орбиты астероида3
Формула 1
Числовое значение для каждого варианта1+1
В случае ошибки, приведшей к невозможности нахождения астероида на одной из орбит,
участник не получает баллов за всю эту ветку решения.
К2.Сидерический период3
Формула 1
Числовое значение для каждого варианта1+1
К3.Синодический период3
Формула 1
Числовое значение для каждого варианта1+1
К4.𝛼
𝛽
3
Вычисление углов
и
Формула 1
Числовое значение для каждого варианта1+1
К5.Искомое время3
Формула 1
Числовое значение для каждого варианта1+1
К6.Окончательный вывод с выбором единственного ответа1
Только при получении правильного ответа и рассмотрении обоих вариантов расположения
астероида.
Участник не обязан вычислять промежуточные значения на каждом этапе. В случае объ
единения этапов и правильного вычисления, оценки за вычисления на всех включенных
этапах также выставляются.