Các phép đo cơ bản trong thiên văn học (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ĐẶNG THỊ MẾN CÁC PHÉP ĐO CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC Chun ngành: Vật lí Đại cương KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội, 2017 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn: - TS Nguyễn Hữu Tình tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hồn thành khóa luận - Các thầy hội đồng giám khảo bảo vệ đề cương Hội đồng giám khảo bảo vệ đánh giá khóa luận tốt nghiệp trường Đại học Sư Phạm Hà Nội không quản thời gian để đọc tham gia góp ý cho khóa luận hồn thành - Bạn bè người thân quan tâm giúp đỡ Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Đặng Thị Mến i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu khóa luận trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực khóa luận cảm ơn thơng tin trích dẫn khóa luận rõ nguồn gốc Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Đặng Thị Mến ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khoá luận Chương MỘT SỐ PHÉP ĐO CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC 1.1 Đo toạ độ địa lí 1.1.1 Đo vĩ độ φ 1.1.2 Đo kinh độ λ 1.2 Đo thời gian, đồng hồ Mặt Trời 1.2.1 Đồng hồ Mặt Trời kiểu xích đạo 1.2.2 Đồng hồ Mặt Trời kiểu chân trời 1.3 Đo khoảng cách đến thiên thể 1.3.1 Đo khoảng cách đến thiên thể gần (trong dải Ngân Hà) 1.3.1.1 Phương pháp vô tuyến định vị (radar) 1.3.1.2 Phương pháp xác định khoảng cách thị sai 1.3.1.3 Xác định khoảng cách theo cấp 12 1.3.2 Xác định khoảng cách đến thiên thể xa (ngoài dải Ngân Hà) 13 1.3.2.1 Phổ sai (Spectroscopic parallax) 13 1.3.2.2 Định luật Hubble 14 1.3.2.3 Xác định khoảng cách qua biến quang 15 1.3.2.4 Xác định khoảng cách qua hiệu ứng Doppler 15 1.3.3 Các đơn vị đo khoảng cách thiên văn học 16 1.4 Xác định kích thước thiên thể 17 1.4.1 Xác định kích thước thiên thể gần 17 1.4.2 Xác định kích thước thiên thể xa 18 1.5 Đo khoảng cách đỉnh kính lục phân 19 1.5.1 Kính đo góc 19 1.5.2 Đo khoảng cách đỉnh kính lục phân 20 1.6 Xác định nhiệt độ 22 1.6.1 Bức xạ nhiệt 22 1.6.2 Bức xạ vật đen tuyệt đối 22 1.7 Xác định thành phần cấu tạo 23 1.8 Xác định khối lượng 24 1.9 Xác định từ trường 25 1.10 Phương pháp để tìm ngoại hành tinh năm gần 26 1.10.1 Sử dụng biến quang 26 1.10.2 Kính thiên văn Kepler 27 1.10.3 Kính thiên văn hồng ngoại Spitzer 27 Chương MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CÁC PHÉP ĐO CƠ BẢN 28 2.1 Ví dụ xác định tọa độ địa lí 28 2.2 Ví dụ đo thời gian, đồng hồ Mặt Trời 28 2.3 Ví dụ đo khoảng cách thiên thể 31 2.4 Ví dụ xác định kích thước thiên thể 33 2.5 Ví dụ đo khoảng cách đỉnh kính lục phân 34 Chương HỆ THỐNG CÁC BÀI TẬP DỰA TRÊN CÁC PHÉP ĐO TRONG THIÊN VĂN 36 3.1 Đề 36 3.2 Lời giải 38 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng thống kê số nguyên tố hóa học phổ biến vũ trụ, lấy chuẩn số Hiđrô 1000000) 24 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Thiên văn học số môn khoa học coi đời sớm nhân loại với mơn khoa học tốn học, triết học … Đối tượng nghiên cứu Thiên văn học mở rộng từ khái niệm “thiên thể” ban đầu hiểu vật thể bầu trời, mở rộng ra, cụ thể hơn, đa dạng hơn: Mặt Trời, Mặt Trăng, chổi, thiên thạch … đến vệ tinh nhân tạo, thiên hà …, có vật thể phát khoảng thời gian gần như: Lỗ đen, neutron, quaza, … Trong có tượng thấy mắt thường, hay có tượng phải dùng kính thiên văn tính tốn hỗ trợ Do đó, việc nghiên cứu phương pháp đo đạc cần thiết, đáp ứng nhu cầu đời sống xác định thời gian, xác định toạ độ địa lí, xác định phương hướng … phục vụ nhu cầu phát triển khoa học xác định khoảng cách tới thiên thể, xác định kích thước chúng Vì vậy, em chọn đề tài “Các phép đo thiên văn học” làm đề tài khố luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu phép đo thiên văn học - Tìm hiểu dụng cụ sử dụng phép đo thiên văn Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Các phép đo số ví dụ phép đo Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sở lí thuyết phép đo thiên văn học - Các ví dụ phép đo tập liên quan Phương pháp nghiên cứu - Đọc tra cứu tài liệu - Tổng hợp phân tích Cấu trúc khố luận Ngồi phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, khoá luận gồm chương: Chương Một số phép đo thiên văn học Chương Một số ví dụ phép đo Chương Hệ thống tập dựa phép đo thiên văn Chương MỘT SỐ PHÉP ĐO CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC 1.1 Đo toạ độ địa lí 1.1.1 Đo vĩ độ φ Độ vĩ nơi quan sát có giá trị độ cao thiên cực, thiên cực điểm tưởng tượng nên người ta thường xác định độ vĩ qua độ cao thiên thể Phương pháp tổng quát áp dụng công thức chuyển toạ độ [1] cos = sin.sin + cos.coscost (1) (t = s -  với ,  toạ độ xích đạo thiên thể, Z, s khoảng cách đỉnh lúc ta quan sát) Nếu biết khoảng cách đỉnh Z thiên thể có toạ độ xích đạo biết thời điểm xác định, ta xác định độ vĩ φ nơi quan sát Việc xác định độ vĩ φ xác phép đo khoảng cách đỉnh Z xác Phép đo khoảng cách đỉnh xác thiên thể qua kinh tuyến trên, trường hợp góc t thiên thể không, cost = nên: cosZ = sin.sin + cos.cos  hay (3) cosZ = cos( -)  Z (4) Lấy dấu (+) thiên thể qua kinh tuyến phía Nam thiên đỉnh Lấy dấu (-) thiên thể qua kinh tuyến phía Bắc thiên đỉnh Ngồi ra, xác định vĩ độ địa lí và số hiệu u đồng hồ quan sát hai thiên thể khoảng cách đỉnh (cùng độ cao) Nếu hai thiên thể có tọa độ xích đạo tương ứng , và , được quan sát hai thời ’ ’ điểm tương ứng T1 T2 Lúc quan sát khoảng cách đỉnh chúng Suy ra: Tỉ số không đổi, thị sai chân trời p Mặt Trăng thay đổi bán kính góc thay đổi: 2.5 Ví dụ đo khoảng cách đỉnh kính lục phân Từ sở lí thuyết đo khoảng cách đỉnh kính lục phân, ta tự chế tạo dụng cụ đo độ cao thiên thể thiên văn học Độ cao thiên thể đơn vị góc Hãy tưởng tượng bầu trời mái vòm đầu bạn từ chân trời trước mắt bạn độ lên đến đỉnh đầu 90 độ chân trời phía sau lưng 180 độ Vật liệu cần: + bìa Carton cứng (hoặc miếng nhựa tốt) + Sợi dây (hoặc dây nhợ) + vật nặng (có thể viên đất sét, viết, cục tẩy, viên đá, …) + Ống tròn nhỏ (có thể lấy ống viết bi làm giấy) + Băng keo keo dán + Compa, thước kẻ, thước đo độ, viết, kéo Cách làm: +) Dùng Compa vẽ đường tròn Carton (Đường kính khoảng từ 15 – 30 cm vừa), sau dùng thước kẻ chia vòng tròn làm hai Sau vẽ xong, dùng kéo cắt lấy vòng tròn +) Lấy thước chia độ viết để đánh dấu chia độ nửa vòng tròn cắt Lưu ý chia từ – 180 độ thước đo độ mà điểm cung tròn nửa vòng tròn điểm Và từ điểm ấy, hai bên độ tăng 90 (hai điểm mép nửa vòng tròn) Sau chia độ xong vẽ đường nối tâm đến điểm đánh dấu để dễ sử dụng +) Tiếp theo, nối sợi dây chuẩn bị với vật nặng, sau đục lỗ tâm nửa vòng tròn Nối đầu sợi dây vào lỗ đục +) Cuối gắn ống tròn vào mép dụng cụ keo Lưu ý hai ống phải gắn thật thẳng hàng với Cách sử dụng: Đo độ cao Thiên thể: Xác định đối tượng quan sát (sao, trăng, hành tinh…) Đặt dụng cụ đo lên mắt ngắm vật thể cho vật thể xuyên qua hai lỗ tròn (nghĩa tia nhìn đến vật thể lúc trùng với mép dụng cụ đo) Cố gắng giữ cho dụng cụ vng góc với mặt đất Lúc xem vị trí mà sợi dây độ, độ cao thiên thể đo Lưu ý phải vừa ngắm vật thể vừa xem kết nên khó, có người dễ dàng Xác định vĩ độ nơi ở: Ngồi cơng dụng để đo độ cao Thiên thể, sử dụng dụng cụ để xác định vĩ độ nơi Chương HỆ THỐNG CÁC BÀI TẬP DỰA TRÊN CÁC PHÉP ĐO TRONG THIÊN VĂN 3.1 Đề Câu 1: Tìm góc độ phương thiên đỉnh (Z) h Câu 2: Sao Chức Nữ có xích kinh 18 34 ph, xích vĩ 38 Hỏi điểm Xuân phân qua kinh tuyến phương bầu trời người quan sát Hà Nội có độ vĩ = 21 Tính góc (t) Chức Nữ lúc Câu 3: Một phương Bắc qua kinh tuyến có khoảng cách ’ ’’ ’ ’’ đỉnh 68 42 , qua kinh tuyến 69 47 42 Ngôi sao gì? Xích vĩ bao nhiêu? Tính độ vĩ nơi quan sát Câu 4: Cắm que thẳng vng góc với mặt đất quan sát bóng que mặt đất để xác định: a) Vị trí đường kinh tuyến (đường Bắc – Nam) nơi quan sát b) Độ cao độ phương Mặt Trời lúc qua kinh tuyến Lặp lại việc quan sát số ngày rút kết luận Câu 5: Ngày Thu phân bóng que thẳng đứng mặt phẳng nằm ngang lúc trưa 0, 374 độ dài que Xác định độ vĩ nơi cắm que Câu 6: Giờ Mặt Trời trung bình địa phương nơi có độ kinh  = ’ ’’ h ph s 55 30 21 Đ 10 50 Tìm múi nơi Xác định múi nơi thời điểm nói Câu 7: Tại trạm quan sát thiên văn ( ’ ’’ = 43 19 01 ) người ta phát tiểu hành tinh đo độ cao qua kinh tuyến ’ ’’ h ph s 37 19 55 (Nam) vào lúc 11 54 (giờ sao) Hiệu chỉnh khúc xạ ’ ’’ khí Tính tọa độ xích đạo tiểu hành tinh vào thời điểm qua kinh tuyến trạm quan sát Câu 8: Tính tọa độ xích đạo vệ tnh nhân tạo quan sát nơi h ph ’ s có vĩ độ 10 lúc thời gian 11 11 36 Các tọa độ chân trời vệ tinh ’ quan sát là: z = 49 15 , A = 298 28 Câu 9: Một nhà địa chất ghi nhật kí có đoạn sau: “Độ cao Bắc Cực hai mốt độ ba ba Giữa trưa hướng Bắc, bóng dài thân ta Trước phút mười ba, vắng chuông mười hai tiếng Thời sai trừ chin, tính tọa độ ta” Hãy suy ngày tháng địa điểm ( ) nơi ghi đoạn nhật kí Câu 10: Một thuyền trưởng đo khoảng cách đỉnh Mặt Trời lúc h trưa ngày Đơng chí (22 – 12) 45 Sau 32 ph ơng ta nghe thấy đài phát Hà Nội phát tín hiệu 12 Tính tọa độ nơi ông ta quan sát, lịch thiên văn cho ta biết thời sai hơm - phút Câu 11: Tìm tọa độ chân trời ’ chòm Sư Tử ( h h ph 10 04 , ph 12 18 ) quan sát Cần Thơ ( = 10 ) lúc 23 ’ Câu 12: Sao A có xích vĩ 10 30 Một người quan sát Thành phố Hồ Chí Minh thấy thiên đỉnh sau phút người Hà Nội thấy ’ qua kinh tuyến cách thiên đỉnh 10 30 Nam a) Xác định độ vĩ Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh b) Lập biểu thức xác định khoảng cách theo đường chim bay từ Hà Nội đến Thành phố Hồ Chí Minh Coi Trái Đất có dạng hình cầu bán kính R Câu 13: Thị sai chân trời Hỏa tnh hành tnh xung Mặt Trời gần Trái Đất Khoảng cách từ Hỏa tinh tới Trái Đất lúc 0, 378 đvtv Biết thị sai chân trời Mặt Trời ’’ 80 Câu 14: Bán kính góc Mặt Trăng ’ ’’ = 16 20 thị sai chân trời ’ ’’ = 59 51 Tính bán kính góc Mặt Trăng thị sai chân trời ’ ’’ 34 22 Câu 15: Giả sử bạn có kính thiên văn nhỏ bạn quan sát Mộc tinh vệ tinh cách thường xuyên nhiều năm Bạn chưa biết Mộc tinh trừ bạn quan sát Bạn cần đo đại lượng để xác định khối lượng, bán kính khối lượng riêng hành tnh này? Với giả thiết quỹ đạo mà bạn cần quan tâm đo tròn bạn biết khối lượng Mặt Trời kg, giá trị đvtv km giá trị năm giây 3.2 Lời giải Câu Giải: Góc thiên đỉnh Z khơng Còn độ phương A khơng xác đinh Câu Giải: Sao Chức Nữ điểm Xuân phân qua kinh tuyến (tức vào nửa đêm ngày Thu phân 23 – 9) lưng chừng chân trời Tây Bắc có góc h 26 ph Vẽ thiên cầu với đường chân trời nơi có độ vĩ (Hình15) Hình 15 Từ điểm Xuân phân ( ) kinh tuyến trời ta xác định tọa độ xích ’ kinh ’ Chức Nữ cung ĐX TS ’ ’ ’ Vẽ vòng qua S , từ S tiến lên thiên cực P cung SS xích vĩ Chức Nữ 38 , S vị trí Chức Nữ Góc Chức Nữ góc ts giới hạn kinh tuyến vòng qua Chức Nữ (S) h h ph h ph 24 – 18 = 26 Câu Giải: Là Bắc Cực, độ vĩ Khoảng cách đỉnh lúc qua ’ ’’ ’ ’’ kinh tuyến 68 lúc qua kinh tuyến 69 47 42 cách ’ ’’ ’ ’’ có 50 47 : = 25 23 (Hình 16) Hình 16 Nó gần thiên cực Bắc gọi Bắc Cực, phương Bắc Độ vĩ nơi quan sát có độ lớn cung Và xích vĩ Bắc Cực là: Câu Giải: a Cắm que OG vng góc với mặt đất Khoảng hai trước trưa ta vẽ cung tròn có tâm chỗ cắm que O bán kính OA1 với A1 đầu mút bóng Khoảng hai sau trưa ghi vị trí A2 đầu bóng cung chạm vào cung tròn vẽ Hình17 b OA bóng que lúc trưa ngắn Độ cao Mặt Trời lúc h với Độ phương Mặt Trời không đổi với trường hợp bóng que ngả phía Bắc, 180 trường hợp bóng que ngả phía Nam Bóng que lúc trưa có độ dài thay đổi xích vĩ Mặt Trời thay đổi Câu Giải: Hình 18 Ngày Thu phân xích vĩ Mặt Trời khơng Khi qua kinh tuyến khoảng cách đỉnh độ vĩ Vậy ta có: Câu Giải: h ph s Múi số TMT = 28 48 ’ ’’ Địa phương độ kinh λ = 55 30 21 thuộc múi số – múi có độ kinh ( ) với kinh tuyến 60 , áp dụng định luật: λM – λ = TM – Tm h ph s TM = λM – λ + Tm = 28 48 Câu Giải: Xích kinh tiểu hành tinh là: h ph = s = 11 54 = s – t (vì t < 0) s Tính xích vĩ qua cơng thức chuyển tọa độ: Vì A = nên  = 1, ( =( ’ ’’ Cần tìm z Biết độ cao h = 37 19 55 độ cao chưa hiệu chỉnh khúc ’ ’ ’’ xạ Độ cao thực h = h - = 37 18 52  Vì vậy, = ( = ’ ’ ’’ – (90 – h ) = - 22 Câu Giải: Tính xích vĩ qua cơng thức chuyển tọa độ: ’ ’’ = - 0, 5425 => = - 32 51 15 Tính xích kinh =s–t Cần tính góc vệ tnh lúc theo: ’ h ph s h ph t = - 25 27 hay t = - 41 30 Từ h ph s s h ph s = 11 11 36 + 41 30 = 12 53 65 Câu Giải: Câu đầu cho ta biết độ vĩ = hp = 21 33’ Câu “bóng dài thân” cho biết Mặt Trời độ cao 45 phương Nam Tính ra: ’ Tức - 23 27 Vậy, ngày quan sát ngày Đơng chí Câu “Tháp h ph chuông gõ 12 tiếng” tức báo hiệu múi 12 trước lúc viết 13 Lấy h thời điểm lúc tháp chuông gõ 12 làm mốc thời gian Mặt Trời thực lúc là: Chuyển sang Mặt Trời trung bình địa phương (λ): λ = λM + h h ph h h ph ’ - TM = + 11 38 – 12 = 38 hay 95 30 Đ Câu 10 Giải: Giờ địa phương nơi quan sát là: h T = TMT + ph h = 12 – = 11 51 ph h ph h ph Sau thời điểm quan sát 32 địa phương nơi là: h ph h T = 11 51 + 32 ph = 13 23 Tín hiệu đài phát Hà Nội tn hiệu múi số thuộc kinh tuyến 105 0 h ph h h Ta có: λ = λm + (T – Tm) = 105 + (13 23 – 12 ) = 105 + 32 h ph Đổi 32 độ ta 20 45 0 ’ ph ’ Suy λ = 105 + 20 45 = 125 45 ’ Vì Mặt Trời có khoảng cách đỉnh Z 45 Nam nên: Câu 11 Giải: Dùng cơng thức chuyển tọa độ: Và Trong góc Hay t = - 70 15 ’ Thay trị số , t vào hai công thức ta kết Vì góc t < ->A có giá trị âm ’ ’’ ’ Ta được: z = 68 43 33 A = - 80 35 29 ’’ Câu 12 Giải: a) Sao thiên đỉnh ; độ vĩ thành phố Hồ Chí Minh Đối với Hà Nội thì: b) Khoảng cách hai kinh tuyến qua Hà Nội TP Hồ Chí Minh phút thời gian , áp dụng công thức lượng giác cầu loại hai vào hai tam giác có đỉnh địa cực, tọa độ hai thành phố ta tính khoảng cách góc (a) từ Hà Nội đến TP Hồ Chí Minh: Và khoảng cách tính đơn vị độ dài là: Câu 13 Giải: Khi xung đối thiên thể Hỏa Tinh (H), Trái Đất (TĐ), Mặt Trời (MT) ’ nằm đường thẳng (Hình 21) Từ hai tam giác ĐK M, ĐKH: ’ R = (d – d ) R = d Hình 19 ’ Từ đó: (d – d ) Suy ra: Câu 14 Giải: Từ hình 20 ta có: = d Hình 20 Suy ra: Tỉ số không đổi, thị sai chân trời p Mặt Trăng thay đổi bán kính góc thay đổi: Câu 15 Giải: Phải quan trắc bốn đại lượng, xác định chu kì Mộc tinh quanh Mặt Trời (TMT) Với định luật Kepler tính khoảng cách từ Mặt Trời đến Mộc Tinh (TM = aM ) Đo khoảng cách góc tinh Mộc tinh ( v) Đã biết aM v ta tính av theo km Xác định chu kì (Tv) vệ tinh quanh Mộc tinh Dùng định luật Kepler III ta tnh tỉ số khối lượng Mặt Trời khối lượng Mộc tinh, từ tính khối lượng Mộc tinh Đo đường kính góc Mộc tnh ( M), biết khoảng cách Mộc tinh (do biết khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất Mộc tinh) tính bán kính R Mộc tinh từ tính khối lượng riêng: Tóm lại: Cần kiên trì để - Xác định chu kì Mộc tinh (TM) - Đo khoảng cách góc vệ tinh ( v) - Xác định chu kì vệ tinh (Tv) - Đo đường kính góc Mộc tnh ( M) sử dụng định luật biết tnh khối lượng, bán kính khối lượng riêng Mộc tinh KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu đề tài: “Các phép đo thiên văn học”, đề tài đạt kết sau: Nghiên cứu sở lí thuyết phép đo thiên văn học Đưa ví dụ phép đo thiên văn học tập liên quan giúp sinh viên có thêm kênh tham khảo học chương “Một số phép đo thiên văn bản” Có thể phục vụ cho học ngoại khóa trải nghiệm sáng tạo: “chế tạo kính thiên văn quan sát bầu trời” đối tượng học sinh phổ thông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Viết Trinh – Nguyễn Đình Nỗn (1986), Giáo trình thiên văn, Nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn Hữu Tình (2012), Giáo trình thiên văn, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Trần Quốc Hà (2003), Giáo trình thiên văn học đại cương, Tài liệu lưu hành nội [4] Donat G Wentzel – Nguyễn Quang Riệu – Phạm Viết Trinh – Nguyễn Đình Nỗn – Nguyễn Đình Hn (2007), Thiên văn vật lí Astrophysics, Nhà xuất Giáo dục [5] Phạm Viết Trinh (2003), Thiên văn phổ thông, Nhà xuất Giáo dục [6] http://www thienvanvietnam org ... Chương Một số phép đo thiên văn học Chương Một số ví dụ phép đo Chương Hệ thống tập dựa phép đo thiên văn Chương MỘT SỐ PHÉP ĐO CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC 1.1 Đo toạ độ địa lí 1.1.1 Đo vĩ độ φ... Các phép đo thiên văn học làm đề tài khoá luận tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu phép đo thiên văn học - Tìm hiểu dụng cụ sử dụng phép đo thiên văn Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Các. .. thiên văn Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Các phép đo số ví dụ phép đo Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu sở lí thuyết phép đo thiên văn học - Các ví dụ phép đo tập liên quan Phương pháp nghiên cứu -