Астрономические приборы

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Ярославский педагогический университет имени К. Д. Ушинского»

Кафедра экономики и управления

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Концепции современного естествознания» на тему:

«Астрономические приборы»

 

 

 

 

 

Работу выполнил:

Студент ФМФ з/о гр. ЭК-4

Шифр зач. книжки: 0262

_____________Иванова Н.А

(14.04.2012)

 

Преподаватель:

____________Байдин А.Э.

(__.__.2012)

 

 

 

 

 

Ярославль, 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………...

3-5

  1. Телескоп, виды телескопов (рефракторы, рефлекторы), устройство.

Звёздные интерферометры………………………………………..................

5-10

  1. Виды наблюдений…………………………………………….…………...

11-12

    1. Визуальный
  
  1. Фотографический
  
  1. Спектральный (спектрометрический, спектрофотометрический и др.)
  
  1. Основные открытия, сделанные с помощью телескопов……………....

13-15

Заключение…………………………………………………………………...

15

Список литературы…………………………………………………………..

16

Приложения…………………………………………………………………..

17-18


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью данной работы является: раскрыть сущность телескопа, рассказать, для чего он нужен и в каких сферах используется.

Задачи: раскрыть определение  телескопа, классифицировать на виды, охарактеризовать и рассказать, какие  великие открытия были сделаны с  помощью этого прибора.

Телескоп является, пожалуй, самым основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приема и анализа приходящего от них излучения.

Телескоп - прибор, предназначенный  для наблюдения небесных тел.

Слово это происходит от двух греческих слов: tele - далеко и skopeo - смотрю. Основное назначение телескопов - собрать как можно больше излучения от небесного тела. Это позволяет видеть неяркие объекты. Во вторую очередь телескопы служат для рассматривания объектов под большим углом или, как говорят, для увеличения. Разрешение мелких деталей - третье предназначение телескопов. Количество собираемого ими света и доступное разрешение деталей сильно зависит от площади главной детали телескопа - его объектива. Объективы бывают зеркальными и линзовыми.

Весной 2009 года  в  итальянском  городе Флоренция проходило празднование юбилея одного из величайших открытий мира. 400 лет назад Галилео Галилей  изобрел первый в мире телескоп.  Это изобретение изменило представление  человечества о Вселенной.

Галилей родился 15 февраля 1564 в городе Пиза. Он занимался философией, математикой, физикой, механикой, астрономией, увлекался поэзией. Ученый оказал значительное влияние на науку своего времени, сделал многочисленные научные открытия в этих областях.

Наиболее плодотворный период научной деятельности Галилея был, когда он переехал в город Падуя. Здесь Галилей очень скоро  стал самым знаменитым профессором  в городе. Открытия и изобретения  Галилея заинтересовывали многих: студенты с интересом приходили  на его лекции послушать об идеях профессора,  венецианское правительство непрестанно поручало Галилею разработку разного рода технических устройств, с ним активно переписываются молодой Кеплер и другие научные деятели того времени. В эти годы он написал трактат «Механика», который вызвал некоторый интерес и был переиздан во французском переводе. В ранних работах, а также в переписке, в которой Галилей описывал все свои открытия и изобретения, он дал первый набросок новой общей теории падения тел и движения маятника. Галилей является основателем экспериментальной физики.  

Поводом к новому этапу  в научных исследованиях Галилея  послужило открытие в 1604 году новой  звезды, называемой сейчас сверхновой звездой Кеплера (SN 1604).

Это  великое открытие пробудило всеобщий интерес к  астрономии, и Галилей выступает  с циклом частных лекций. Узнав  об изобретении зрительной трубы  в Голландии, Галилей в 1609 году конструирует собственноручно первый телескоп и  направляет его в небо. Галилей  первым использовал телескоп для  наблюдения за планетами и другими  небесными телами, сделал ряд выдающихся астрономических открытий.  

Впервые Галилей опробовал  свое изобретение во Флоренции.

Оно состояло из куска дерева длиной в один метр и двух кусочков стекла. Позднее ученый усовершенствовал телескоп, увеличение которого стало 30-кратным. Галилей рассмотрел поверхность  Луны и сделал открытие, что на Луне имеются кратеры и хребты. С  помощью телескопа Галилей открыл спутники Юпитера и Млечный путь. После чего написал книгу "Звездный вестник", которая разошлась тиражом  в 550 экземпляров.  

В настоящее время астрономы, используя американский орбитальный  телескоп «Хаббл»  (новейшее изобретение  века), сумели открыть галактики,  образовавшиеся на крайне раннем этапе  развития Вселенной. Британские ученые вели наблюдения за тридцати пятью чрезвычайно отдаленными галактиками. Это великое открытие в астрономии утверждает то, что речь идет о галактиках, сформировавшихся спустя всего 600 млн. лет после Большого взрыва.  

Самым последним изобретением в области изобретений астрономических  телескопов является космический инфракрасный телескоп. Проект за 735 миллионов долларов будет четвертым и заключительным элементом орбитальных "Великих  Обсерваторий НАСА", таких как  Космический телескоп «Хаббл», Обсерватория Гамма – лучей  «Комптон» и  Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра».

Надо отметить еще следующее, что на скалах Альп были обнаружены рисунки с изображением людей, которые  были одеты в галифе, на голове - шляпа. В руках некоторые держали телескоп. Учёные, которые исследуют рисунки на скалах, установили, что этим рисункам 30 с лишним тысяч лет. Такое открытие сделали учёные, занимающиеся исследованием наскальных рисунков. Значит, Галилей не был первым человеком, кто изобрёл телескоп. А, возможно, что эти рисунки сделали люди, жившие до нашей нынешней цивилизации. Но это уже совсем другое открытие.

 

  1. Телескоп, виды телескопов (рефракторы, рефлекторы), устройство

Звёздные интерферометры

Телескоп - инструмент, который собирает электромагнитное излучение удаленного объекта и направляет его в фокус, где образуется увеличенное изображение объекта или формируется усиленный сигнал.

 По мере развития  астрономической техники появилась  возможность изучать объекты  во всем электромагнитном спектре,  для чего были разработаны  специальные системы телескопов  и дополнительных детекторов, позволяющие  работать в различных диапазонах  волн. Термин «телескоп», первоначально означавший оптический инструмент, получил более широкое значение. Однако в телескопах, работающих в видимом, радио- и рентгеновском диапазонах, используются системы и методы, сильно различающиеся между собой.

 Оптические телескопы  бывают двух основных типов  (рефракторы и рефлекторы), отличающиеся  выбором главного собирающего  свет элемента (линза или зеркало  соответственно).

 

 

Виды  телескопов:

Линзовые  телескопы - рефракторы (Приложение №1)

Линзы, так или иначе, всегда используются в телескопе. Но в телескопах-рефракторах  линзой является главная деталь телескопа  - его объектив. Вспомним, что рефракция - это преломление. Линзовый объектив преломляет лучи света, и собирает их в точке, именуемой фокусом объектива. В этой точке строится изображение объекта изучения. Чтобы его рассмотреть используют вторую линзу - окуляр. Она размещается так, чтобы фокусы окуляра и объектива совпадали. Так как зрение у людей разное, то окуляр делают подвижным, чтобы было возможно добиться четкого изображения. Мы это называем настройкой резкости. Все телескопы обладают неприятными особенностями - аберрациями. Аберрации - это искажения, которые получаются при прохождении света через оптическую систему телескопа. Главные аберрации связаны с не идеальностью объектива. Линзовые телескопы (да и телескопы вообще) грешат несколькими аберрациями. Назовем лишь две из них. Первая связана с тем, что лучи разных длин волн преломляются чуть по-разному. Из-за этого для синих лучей существует один фокус, а для красных - другой, расположенный дальше от объектива. Лучи других длин волн собираются каждый в своем месте между этими двумя фокусами. В результате мы видим окрашенные в радугу изображения объектов. Такая аберрация называется хроматической. Второй сильной аберрацией является аберрация сферическая. Она связана с тем, что объектив, поверхностью которого является часть сферы, на самом деле, не собирает все лучи в одной точке. Лучи идущие на разных расстояниях от центра объектива собираются в разных точках, из-за чего изображение получается нечетким. Этой аберрации не было бы, если бы объектив имел поверхность параболоида, но такую деталь сложно изготовить. Чтобы уменьшить аберрации изготавливают сложные, вовсе не двухлинзовые системы. Дополнительные части вводятся для исправления аберраций объектива. Давно держащий первенство среди линзовых телескопов - телескоп Йеркской обсерватории с объективом 102 сантиметра диаметром.

 

 

 

 Зеркальные телескопы - рефлекторы (Приложение №1)

 У простых зеркальных  телескопов, телескопов-рефлекторов,  объектив - это сферическое зеркало,  которое собирает световые лучи  и отражает их с помощью  дополнительного зеркала в сторону  окуляра - линзы, в фокусе которой  строится изображение. Рефлекс  - это отражение. Зеркальные телескопы не грешат хроматической аберрацией, так как свет в объективе не преломляется. Зато у рефлекторов сильнее выражена сферическая аберрация, которая, кстати говоря, сильно ограничивает поле зрения телескопа. В зеркальных телескопах так же используются сложные конструкции, поверхности зеркал, отличные от сферических и прочее.

 Зеркальные телескопы  изготавливать легче и дешевле.  Именно поэтому их производство  в последние десятилетия бурно  развивается, в то время как  новых крупных линзовых телескопов  уже очень давно не делают. Самый большой зеркальный телескоп  имеет сложный объектив из  нескольких зеркал, эквивалентный  целому зеркалу диаметром 11 метров. Самый большой монолитный зеркальный  объектив имеет размер чуть  больше 8-ми метров. Самым большим  оптическим телескопом России  является 6-ти метровый зеркальный  телескоп БТА (Большой Телескоп  Азимутальный). Телескоп долгое время  был наикрупнейшим в мире.

 

Общее устройство телескопа

Телескоп любого типа имеет  объектив и окуляр.

Линза, обращенная к объекту  наблюдения, называется объективом, а линза, к которой прикладывает свой глаз наблюдатель - окуляр.

 Может быть дополнительная  лупа, которая позволяет приблизить  глаз к фокальной плоскости  и рассматривать изображение  с меньшего расстояния, т. е.  под большим углом зрения.

 Таким образом, телескоп  можно изготовить, расположив на  одной оси одна за другой  две линзы - объектив и окуляр. Для наблюдений близких земных  предметов суммарное расстояние фокусов должно быть увеличено. Меняя окуляры, можно получить различные увеличения при одном и том же объективе.

Если линза толще посередине, чем на краях, она называется Собирающей или Положительной, в противном  случае - Рассеивающей или Отрицательной.

Прямая, соединяющая центры этих поверхностей, называется Оптической осью линзы. Если на такую линзу попадают лучи, идущие параллельно оптической оси, они, преломляясь в линзе, собираются в точке оптической оси, называемой Фокусом линзы. Расстояние от центра линзы до её фокуса называют фокусным расстоянием. Чем больше кривизна поверхностей собирающей линзы, тем меньше фокусное расстояние. В фокусе такой линзы  всегда получается действительное изображение  предмета.

Телескоп принято характеризовать угловым увеличением γ. В отличие от микроскопа, предметы, наблюдаемые в телескоп, всегда удалены от наблюдателя.

 

 

Характеристики  телескопов

Увеличение  телескопа

Увеличение телескопа  равно отношению фокусных расстояний объектива и окуляра. Если, скажем, фокусное расстояние объектива два  метра, а окуляра - 5 см, то увеличение такого телескопа будет 40 крат. Если поменять окуляр, можно изменить и увеличение. Так астрономы и поступают, ведь не менять же, в самом деле, огромный объектив?!

Выходной  зрачок

Изображение, которое строит для глаза окуляр, может в общем  случае быть как больше глазного зрачка, так и меньше. Если изображение  больше, то часть света в глаз не попадет, тем самым, телескоп будет  использоваться не на все 100%. Это изображение  называют выходным зрачком и рассчитывают по формуле: p=D:W, где p – выходной зрачок, D – диаметр объектива, а W – увеличение телескопа с данным окуляром. Если принять размер глазного зрачка равным 5 мм, то легко рассчитать минимальное  увеличение, которое разумно использовать с данным объективом телескопа. Получим этот предел для объектива в 15 см: 30 крат.

Разрешение  телескопов

В виду того что, свет - это волна, а волнам свойственно не только преломление, но и дифракция, никакой даже самый совершенный телескоп не дает изображение точечной звезды в виде точки. Идеальное изображение звезды выглядит в виде диска с несколькими концентрическими (с общим центром) кольцами, которые называют дифракционными. Размером дифракционного диска и ограничивается разрешение телескопа. Все, что закрывает собою этот диск, в данный телескоп никак не увидишь. Угловой размер дифракционного диска в секундах дуги для данного телескопа определяется из простого соотношения: r=14/D, где диаметр D объектива измеряется в сантиметрах. Упомянутый чуть выше пятнадцатисантиметровый телескоп имеет предельное разрешение чуть меньше секунды. Из формулы следует, что разрешение телескопа всецело зависит от диаметра его объектива. Вот еще одна причина строительства как можно более грандиозных телескопов.

Относительное отверстие

Отношение диаметра объектива  к его фокусному расстоянию называется относительным отверстием. Этот параметр определяет светосилу телескопа, т. е., грубо говоря, его способность  отображать объекты яркими. Объективы с относительным отверстием 1:2 - 1:6 называют светосильными. Их используют для фотографирования слабых по яркости объектов, таких, как туманности.

 

Звёздный  интерферометр

Звёздный интерферометр - астрономический оптический инструмент для измерения чрезвычайно малых углов расстояний (десятые и сотые доли секунды дуги) с использованием явления интерференции света, например расстояний между компонентами тесных двойных звезд и угловых диаметров ближайших звезд (Приложение №2). Применяется в основном для измерения угловых расстояний между компонентами тесных двойных звёзд (с близкими по блеску компонентами) и угловых диаметров звёзд. Различают простой и перископический звёздный интерферометр.

Первый - это обычный телескоп, на объектив которого падет непрозрачный экран с двумя одинаковыми по форме отверстиями, например параллельными щелями. В этом случае на изображении звезды наблюдаются интерференционные полосы, вид которых меняется при изменении расстояния между отверстиями в экране, а в случае двойных звёзд - и от взаимной ориентации линии, соединяющей компоненты двойной звезды и отверстий в экране. Простой Звёздный интерферометр позволяет примерно удвоить разрешающую способность телескопа.

  В периодическом звёздный интерферометр, предложенном А.А.Майкельсоном (США), перед объективом телескопа установлена оптическая система из двух пар плоских зеркал, позволяющая направить в объектив телескопа два более удалённых друг от друга световых луча от измеряемого источника. Эта система увеличивает разрешающую способность телескопа пропорционально расстоянию между крайними зеркалами. В 1920-1921 гг. с помощью перископических звёздный интерферометр были впервые измерены угловые диаметры нескольких звёзд. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Виды наблюдений

Астрономия - это наука о мире вне Земли и о некоторых свойствах самой Земли2. Она является одной из физико-математических наук, которая, используя достижения математики, физики и техники изучает окружающую нас Вселенную, частью которой является наша планета Земля, и множество других космических тел. 

Каким же образом астрономы  получают информацию об изучаемых объектах? Безусловно, основными источниками  информации здесь являются наблюдения. Это обусловлено колоссальной удалённостью космических объектов (к примеру, расстояние до ближайшей звезды - Проксима Центавра составляет около 4,3 светового года),  а также громадной длительностью изучаемых процессов развития космических тел и их систем (миллионы или даже миллиарды лет) по сравнению с длительностью жизни человека.

Поэтому за исключением ряда случаев (например, исследование лунного  грунта, который был доставлен межпланетными станциями с поверхности Луны) непосредственно воздействовать на космические тела с целью их изучения мы пока не можем.

Основными методами исследования в астрономии являются:

  1. Визуальный метод - наблюдения небесных объектов и явлений невооружённым глазом и в телескоп. Приёмником информации является глаз человека. Сюда также можно отнести и позиционные наблюдения, например, определение координат светил. 
  2. Фотографический метод, в котором приёмником излучения является фотографическая пластинка. Применяя длительные экспозиции при фотографировании можно изучать светила, которые в миллионы раз слабее, чем видимые невооружённым глазом.
  3. Спектральный метод основан на разложении в спектр света, излучаемого раскалёнными парами и газами с помощью стеклянной призмы и дифракционной решетки. Этот метод используется при изучении химического состава атмосфер небесных тел, а также даёт сведения о температурах Солнца и звёзд, лучевых скоростях, магнитных полях и вращениях звезд.
  4. Радионаблюдения получили широкое распространение во второй половине XX века и связаны с успешным развитием новой отрасли астрономии - радиоастрономии.
  5. Наблюдения в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма - диапазоне значительно пополнили сведения о небесных телах, полученные  в оптическом и радиодиапазонах. 
  6. Исследования тел Солнечной системы с помощью космических летательных аппаратов (КЛА)
  7. Внеатмосферные наблюдения с помощью орбитальных космических телескопов (например, телескоп имени Хаббла)

Таким образом, наблюдения являются главным источником информации в  астрономии. С развитием наблюдательной техники качество проводимых наблюдений всё время возрастало: от простейшего  созерцания вида звездного неба первобытными людьми до составления точных каталогов Тихо и Гиппарх, в которых ошибка экваториальных координат составила несколько десятысячных секунды дуги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Основные открытия, сделанные с помощью телескопов

Галилео Галилея нередко  называют изобретателем телескопа. Это не так: изобрёл телескоп голландец  И.Липпершей, но тот факт, что великий итальянский учёный усовершенствовал «голландскую трубу», добившись 32-кратного увеличения, и совершил с её помощью немало открытий, в которые долго не верили современники, сомнений не вызывает.

Одно из таких открытий состоялось в 1610 году. Наведя телескоп на ночное небо, астроном увидел возле  Юпитера три светящихся точки, которые  сначала принял за неподвижные звёзды. Но на следующую ночь их положение  изменилось… и на следующую –  тоже. Галилей продолжает наблюдения. Выясняется, что «звёздочки» двигаются! И не просто двигаются, а вращаются  вокруг Юпитера – иными словами, перед нами маленькое подобие  солнечной системы… серьёзный аргумент в пользу теории Н.Коперника, вызывавшей тогда столько споров!

Дальнейшие наблюдения показали, что спутников Юпитера не три, а четыре… четыре сына было у герцога Фердинанда Медичи - покровителя Г.Галилея, умершего в 1609 г., и учёный назвал открытые им объекты «медичийскими звёздами». Позднее утвердилось иное - пожалуй, более справедливое - название: Галилеевы спутники. И общее у них не только то, что их открыл Галилей - и даже не только то, что они самые крупные из 63 спутников Юпитера: они синхронно вращаются, а к Юпитеру все четыре обращены всегда одной стороной, поскольку скорость их вращения вокруг своей оси равна скорости обращения вокруг планеты…

Также уже с помощью первых примитивных телескопов Галилею удалось сделать большое количество открытий (увидеть поверхность Луны, пятна на Солнце).

Одним из известных телескопов, с помощью которого сделано немало открытий, является телескоп Хаббла - это  тяжелый спутник (массой около 11 тонн, приборы, установленные на нем, увеличивают его массу до 12,5 тонн), стабилизированный по трем осям с помощью гироскопов (Приложение №2). Точность ориентации достигает 0,007 угловых секунд.

Несмотря на почтенный  для спутника возраст - телескоп Хаббла  - современный инструмент, регулярно (вплоть до последнего времени) обновлявшийся. Эту сложнейшую задачу удалось решить благодаря модульной конструкции  и обслуживанию телескопа непосредственно  на орбите. Более полутора десятков лет телескоп Хаббла ежедневно передает на Землю от 10 до 15 Гб научной информации. За это время телескоп пролетел более 2600 млрд. миль - это сравнимо с расстоянием  от Земли до Урана. Общее время  ремонтных работ на орбите составило  около 100 часов.

Благодаря космическому телескопу  мы расширили наши представления, пересмотрели предварительные теории и построили новые, более подробно объясняющие астрономические явления. С помощью «Хаббла» был совершен ряд важнейших открытий в астрономии. За последние годы, вместе с другими обсерваториями, «Хаббл» обнаружил три новых спутника Плутона, обширную галактику в очень молодой вселенной, а также спутник с массой планеты у коричневого карлика, весящего ненамного больше самой планеты. Нам удалось уточнить характеристики Вселенной, которые прежде существовали лишь в нашем воображении. Можно сказать, что практически каждый объект на снимках космического телескопа представал перед учеными в новом свете.

Для обработки поступающих  с телескопа Хаббла данных создан специальный институт – Space Telescope Science Institute в г. Балтимор, штат Мариленд. Вот только некоторые из этих открытий:

  • Зафиксированы сезонные изменения на Нептуне;
  • Удалось разглядеть поверхность спутника Сатурна;
  • Удалось определить массу планеты в удаленной звездной системе;
  • Определен возраст нашей галактики;
  • Определен размер планеты Кваоар (Куаоар) – самого крупного небесного тела Солнечной системы, открытого после Плутона;
  • Высококачественные снимки Урана и Нептуна позволили американским ученым впервые установить, что цвета атмосфер этих планет существенно отличаются друг от друга - несмотря на то, что при наблюдении в обычный телескоп они предстают одинаково окрашенными;
  • Открыты сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.

 

Заключение

Современная астрономия дала доказательства того, что уже около 10 млрд. лет тому назад доступная  для астрономических наблюдений Вселенная существовала в виде гигантской системы галактик. Масштабы во времени выросли в 13 млн. раз.

 Но главное, конечно, не в цифровом росте пространственных и временных масштабов, хотя и от них захватывает дыхание. Главное в том, что человек, наконец, вышел на широкий путь понимания действительных законов мироздания.

 Итак, в итоге проведенной  работы можно сделать вывод:  что благодаря телескопам и  другим инструментам астрономической  техники человек за три с  половиной века проник в такие  космические дали, куда свет - самое быстрое, что есть в этом мире - может добраться лишь за миллиарды лет. Это означает, что радиус изучаемой человечеством Вселенной растет со скоростью, в огромное число раз превосходящей скорость света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Список литературы

    1. Мартынов Д. Я., Курс практической астрофизики, 2 изд., М., 1997г.
    2. А.М. Романов «Занимательные вопросы по астрономии и не только», Сборник занимательных вопросов по астрономии, Изд. М., «МЦНМО», 2005г.
    3. Б.И. Фесенко, А.А. Кирсанов «Космос и Земля», Псков 2000
    4. В.П. Цесевич «Переменные звёзды и их наблюдения», Изд. М., «Наука», 1980г.
    5. В. Сурдин «Астрономия любительская»//Энциклопедия «Кругосвет»
    6. Д. Денисенко «Покрытия звезд астероидами. Вопросы и ответы»
    7. В. Д. Григоренко  «Памятка наблюдателю переменных звёзд»
    8. И.И. Моисеев, П.И. Митрофанов «Видимость небесных светил в

светлое время суток»//В  помощь учителю физики и студенту

(выпуск 9), Псков 2003г.

    1. Материалы сайта AAVSO http://www.AAVSO.org
    2. Сайт Астрогалактика  http://www.astrogalaxy.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение №1

 

Линзовый телескоп

Зеркальный телескоп


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение №2

Схема перископического звёздного интерферометра: S1, S2, S3, S4 — плоские зеркала.

 

 

Телескоп Хаббла


 

 

 

1 Мартынов Д. Я., Курс практической астрофизики, 2 изд., М., 1967.

2 Б.И. Фесенко, А.А. Кирсанов «Космос и Земля», Псков 2000

 


Астрономические приборы 📙 Контрольная → 🆔 7687

Астрономические приборы 📙 Контрольная → 🆔 7687

Астрономические приборы