«Астрономия в ЕГЭ по физике.»

     Когда ставится вопрос о необходимости преподавания астрономии в школе, то оппоненты, чаще всего из «руководства», интимным тоном задают встречный убийственный вопрос: «А для чего простому работяге в его практической жизни понадобится астрономия?... Ну, там, навигация, ориентация, ориентирование по звездам..., так ведь этим занимается очень небольшое количество людей, которых специально к этому готовят! Вот, пусть они и изучают астрономию!».На первый взгляд в этом рассуждении логика есть.

Но….В ЕГЭ по физике появилось новое задание №24 по астрономии. Все приводимые задания по астрономии можно с достаточной степенью условности разделить на четыре  типа:

• Задание о звездах, здесь все о звездах.

Используя таблицу, содержащую сведения о ярких звёздах, выполните задание.

Выберите два утверждения, которые соответствуют характеристикам звёзд.

1) Звёзды Капелла и Менкалинан относятся к одному созвездию, значит, находятся на одинаковом расстоянии от Солнца.

2) Звезда Денеб является сверхгигантом.

3) Звёзды Альдебаран и Эльнат имеют одинаковую массу, значит, они относятся к одному и тому же спектральному классу.

4) Звезда Бетельгейзе относится к красным звёздам спектрального класса М.

5) Температура на поверхности Ригеля в 2 раза ниже, чем на поверхности Солнца.

Решение.

1) Созвездия представляют собой условную группировку ближайших, по видимости с Земли, звезд. При этом они могут находиться на разных расстояниях от Земли, а значит, и от Солнца. Поэтому звезды Капелла и Менкалинан могут иметь разные расстояния от Солнца.

2) Массы сверхгигантов варьируются от 10 до 70 масс Солнца. Звезда Денеб имеет 21 масс Солнца, следовательно, является сверхгигантом.

3) Спектральные классы — классификация звёзд по спектру излучения, в первую очередь, по температуре фотосферы. Различия в спектрах звезд обусловливаются различием физических свойств их атмосфер, в основном, температуры и давления. При этом массы звезд не имеют прямого отношения к их спектральному классу.

4) Звезды спектрального класса М имеют температуру от 2000 до 3500 К. Звезда Бетельгейзе имеет температуру 3100, следовательно, относится к спектральному классу М.

5) Температура на поверхности Ригеля составляет 11 200 К, а на Солнце 5780 К, т.е. примерно в 2 раза выше.

Ответ: 24.

Известная широко среди астрономов классификация на основе диаграммы Герцшпрунга – Расселла . На этой диаграмме показано, что большинство звезд относятся к главной последовательности звезд. Это звезды сравнимые по размеру с Солнцем и могут быть до 10 раз меньше или не более чем в 10 раз больше нашего Солнца. Под главной последовательностью внизу находятся субкарлики – красные звезды малой светимости. Они имеют огромную плотность.

• Задание по планетам Солнечной системы, начиная от Меркурия и кончая Нептуном (Плутон в настоящее время считается малым объектом нашей системы и не относится к планетам).

Рассмотрите таблицу, содержащую характеристики планет Солнечной системы.

Выберите два утверждения, которые соответствуют характеристикам планет.

1) Среднее расстояние от Солнца до Юпитера составляет 300 млн км.

2) Вторая космическая скорость для тела на Нептуне составляет примерно 23,8 км/с.

3) Ускорение свободного падения на Марсе составляет 15,1 м/с2.

4) Объём Юпитера почти в 3 раза больше объёма Нептуна.

5) На Меркурии не наблюдается смены времён года.

Решение.

1) 1 а.е. составляет 150 млн км. Поэтому, среднее расстояние от Солнца до Юпитера, равно 5,2∙150 = 780 млн км.

2) Вторая космическая скорость связана с первой выражением:

 км/с

3) Ускорение свободного падения на Марсе можно найти из формулы первой космической скорости: . Получаем выражение для ускорения свободного падения:

4) Объем Юпитера равен , а объем Нептуна . Их отношение, дает:

5) Смена времён года зависит от угла наклона оси вращения планеты к плоскости её вращения вокруг Солнца. Если он близок к 0° или к 180° или к 90°, то смены времен года наблюдаться не будет. Меркурий имеет наклон оси вращения 0,6' (почти 0°), то есть на нем не будет наблюдаться смена времен года.

Ответ: 25.

Формулы, которые необходимо запомнить:

Используя эти формулы можно легко решать задачи посвященные планетам, спутникам.

Это задание по спутникам нашей Солнечной системы.

Рассмотрите таблицу, содержащую характеристики некоторых спутников планет Солнечной системы.

Выберите два утверждения, которые соответствуют характеристикам спутников планет.

1) Ускорение свободного падения на Обероне равно 7,7 м/с2.

2) Масса Луны меньше массы Ио.

3) Объём Титана почти в 2 раза больше объёма Тритона.

4) Ио находится дальше от поверхности Юпитера, чем Каллисто.

5) Первая космическая скорость для Тритона составляет примерно 1,03 км/с.

Решение. 

1) Ускорение свободного падения можно вычислить как

,

где M – масса планеты; R – радиус планеты. Массу Оберона вычислим как

,

где ρ – плотность Оберона. Объединяя формулы, имеем:

2) Масса планеты (спутника) равна . Луна имеет меньшую плотность и радиус, чем спутник Ио, т.е. масса Луны меньше Ио.

3) Объем планеты . Радиус Титана 2575 км, а радиус Тритона 1350. Отношение их кубов (а, значит, и объемов) дает: .

4) Радиус орбиты Ио составляет 422,6 тыс. км, а радиус орбиты Каллисто 1883 тыс. км, то есть, Каллисто находится дальше Ио.

5) Первая космическая скорость связана со второй космической скоростью выражением , откуда

 м/с,

что примерно составляет 1,03 км/с.

Ответ: 25.

Для ответов на вопросы по спутникам, формул, которые мы рассмотрели для планет, будет вполне достаточно. Необходимо также знать хотя бы основные спутники планет. Для Земли – это естественный спутник Луна. Марс имеет два спутника. Венера и Меркурий не имеют спутников. У Юпитера самыми известным являются: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – в порядке удаленности от Юпитера. Кроме того надо помнить, что Сатурн имеет так называемое кольцо, которое содержит множество объектов являющимися спутниками.

Задание по прочим объектам Солнечной системы: об астероидах, кометах и прочих космических объектах, которые находятся в нашей системе.

Рассмотрите таблицу, содержащую характеристики некоторых астероидов Солнечной системы.

* 1 а.е. составляет 150 млн км.

** Эксцентриситет орбиты определяется по формуле: , где b — малая полуось, a — большая полуось орбиты, е = 0 — окружность, 0 < е < 1 — эллипс.

Выберите два утверждения, которые соответствуют характеристикам астероидов.

1) Астероид Геба вращается по более «вытянутой» орбите, чем астероид Веста.

2) Большие полуоси орбит астероидов Церера и Паллада одинаковы, значит, они движутся по одной орбите друг за другом.

3) Средняя плотность астероида Церера составляет 400 кг/м3.

4) Первая космическая скорость для астероида Юнона составляет более 8 км/с.

5) Орбита астероида Аквитания находится между орбитами Марса и Юпитера.

Решение. 

1) Более «вытянутая» орбита (более эллипсоидальная) будет у того тела, у которого выше эксцентриситет орбиты. Из таблицы видно, что эксцентриситет астероида Геба составляет 0,202, а астероида Веста 0,091, то есть орбита у астероида Геба более «вытянутая».

2) При одинаковых больших полуосях орбит малые полуоси могут отличаться (приплюснотость эллипсов), поэтому только по значениям больших полуосей такой вывод сделать нельзя.

3) Среднюю плотность астероида можно найти как , где  - объем астероида, то есть:

 кг/м3.

4) Первую космическую скорость можно вычислить по формуле:

,

где M – масса астероида; R – радиус астероида. Для астероида Юнона, имеем:

 м/с.

5) Орбита астероида Аквитания находится между орбитами Марса и Юпитера.

Ответ: 15.

В этом задании могут обсуждаться вопросы астероидов, комет и прочих космических объектов, входящих в Солнечную систему. Вспомним, что Солнечная система состоит из 8 планет. Четыре планеты – это планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера и Марс) и 4-ре планеты гиганты (Сатурн, Юпитер, Нептун и Плутон). Между орбитами Марса и Юпитера находятся астероиды главного пояса - примерно от 2.2 а.е. до 3.6 а.е.

Интернет- источники:

1. https://nsportal.ru/shkola/astronomiya/library/2015/11/23/neobhodimostm-prepodavaniya-astronomii-v-shkole

2. https://4ege.ru/fizika/59666-osnovnye-astronomicheskie-formuly.html

3. https://sigma-center.ru/physics_astronomy

4. https://self-edu.ru/ege2018_phis_30.php?id=11_24