Телескопы и наблюдения, 11 класс: примеры с решением

Как устроен телескоп, от чего зависит его разрешающая способность и почему часть излучения не доходит до земных наблюдателей. Ниже разбор расчёта для интерферометра и список ошибок.

2 задания11 класс

Что делает телескоп при наблюдениях

Телескоп собирает свет и увеличивает угол, под которым виден объект. У него две главные характеристики: диаметр объектива D и фокусное расстояние F. Рефрактор собирает свет линзой, рефлектор вогнутым зеркалом.

Количество собранного света пропорционально площади объектива, то есть D². Зрачок глаза в темноте около 7 мм, поэтому телескоп с D = 200 мм собирает света примерно в (200 ÷ 7)² ≈ 800 раз больше. Благодаря этому видны слабые звёзды и туманности.

Увеличение считают так: Г = F объектива ÷ f окуляра. При F = 1000 мм и окуляре 25 мм получится 40 раз. Звёзды при любом увеличении остаются точками, а вот диски планет в Солнечной системе растут. Чтобы навести телескоп на нужный объект, пригодятся координаты на небесной сфере.

Разрешающая способность телескопа и интерферометра

Разрешающая способность показывает, на какое наименьшее угловое расстояние телескоп различает две близкие точки. Чем этот угол меньше, тем лучше телескоп.

Для одного телескопа:

θ ≈ 1,22 × λ ÷ D

Здесь λ длина волны, D диаметр объектива, угол получается в радианах. Чтобы перевести в угловые секунды, умножь на 206265. Для зелёного света (λ ≈ 550 нм) выходит приближённо θ ≈ 138″ ÷ D, где D в миллиметрах. Для D = 100 мм это около 1,4″.

У интерферометра несколько телескопов работают вместе. Роль диаметра играет база B, расстояние между ними:

θ ≈ λ ÷ B

Именно поэтому радиотелескопы, разнесённые на тысячи километров, различают детали, недоступные одиночному прибору. Такая точность нужна, например, при изучении далёких галактик.

Разбор: разрешающая способность системы телескопов

Задача. Два радиотелескопа, расстояние между которыми 4000 км, принимают излучение с длиной волны 3 см. Найди разрешающую способность системы в угловых секундах.

  1. Переведи всё в метры: B = 4000 км = 4 000 000 м = 4 × 10⁶ м, λ = 3 см = 0,03 м.
  2. Подставь в формулу интерферометра: θ = λ ÷ B = 0,03 ÷ (4 × 10⁶) = 7,5 × 10⁻⁹ рад.
  3. Переведи радианы в секунды: 7,5 × 10⁻⁹ × 206265 ≈ 1,5 × 10⁻³″.

Ответ: примерно 0,0015″.

Если в условии база не найдена в предыдущем пункте, а сказано принять её равной 4000 км, решай ровно так же: подставляй 4 × 10⁶ м. Длину волны бери из условия, у тебя она может быть другой, тогда меняется только шаг 1.

Окно прозрачности атмосферы

Атмосфера пропускает не все волны. Наземные наблюдения возможны в двух главных «окнах»:

  • оптическое: примерно от 0,3 до 0,9 мкм, то есть от 300 до 900 нм;
  • радиоокно: примерно от 1 мм до 10–20 м.

Ультрафиолет короче 300 нм, рентген и гамма-излучение поглощаются атмосферой, поэтому такие приборы выносят на спутники. Инфракрасное излучение частично задерживает водяной пар, и ИК-телескопы ставят высоко в горах.

Как решать задание с вариантами длин волн. Переведи всё в одни единицы. 1 Å = 0,1 нм, поэтому 890 Å = 89 нм. 0,14 мкм = 140 нм. Варианты 45 нм, 89 нм и 140 нм лежат в ультрафиолете короче 300 нм и атмосферой поглощаются. Длина 10 см = 0,1 м попадает в радиоокно. Значит, наземные наблюдения могли идти на длине волны 10 см.

Где ошибаются чаще всего

  • Не переводят единицы. Километры и сантиметры нужно перевести в метры до подстановки. Ангстремы и микрометры сводят к нанометрам или метрам.
  • Забывают про секунды. Формула даёт радианы, а ответ просят в угловых секундах. Не забудь умножить на 206265.
  • Путают «лучше» и «больше». Хорошая разрешающая способность означает малый угол. Чем длиннее база или больше диаметр, тем угол меньше.
  • Подставляют диаметр антенны вместо базы. В интерферометре в знаменатель идёт расстояние между телескопами.
  • Думают, что увеличение можно сделать любым. Подробности сверх предела разрешения не появятся, их ограничивают диаметр объектива и атмосфера.

Какие задания присылают и как пользоваться страницей

По этой теме ученики 11 класса присылают расчёт разрешающей способности системы телескопов в угловых секундах и вопросы про окно прозрачности атмосферы с выбором длины волны. Выше на странице есть список заданий с полным ходом решения. Найди среди них похожее на своё и сверь шаги. Если такого нет, сфотографируй своё задание и получи решение с ходом.

Частые вопросы

Что такое разрешающая способность телескопа?

Это наименьший угол между двумя точками, которые телескоп ещё показывает раздельно. Для одиночного телескопа θ ≈ 1,22 × λ ÷ D, чем меньше угол, тем лучше разрешение.

Как найти разрешающую способность интерферометра?

Раздели длину волны на базу: θ = λ ÷ B. Оба значения переведи в метры, а полученные радианы умножь на 206265, чтобы получить угловые секунды.

Чем отличается рефрактор от рефлектора?

Рефрактор собирает свет линзой, рефлектор вогнутым зеркалом. Большие современные телескопы почти всегда рефлекторы, потому что большое зеркало сделать проще, чем большую линзу.

Какой телескоп выбрать для наблюдения за звёздами и планетами?

Для слабых объектов важен большой диаметр объектива, для планет ещё и качество оптики. Устойчивая монтировка так же важна, как сам телескоп, потому что при увеличении любая дрожь заметна.

Какие длины волн проходят через атмосферу Земли?

Оптический диапазон примерно от 0,3 до 0,9 мкм и радиоволны примерно от 1 мм до 10–20 м. Ультрафиолет, рентген и гамма-лучи поглощаются.

Телескопы и наблюдения, 11 класс: примеры с решением | ДЗмэн