При наблюдении звезды замечают что она поднимается все выше и выше
Звездное небо разных широт
При хороших условиях наблюдения невооруженным глазом на небе видно одновременно около 3000 звезд, независимо от того, где мы находимся — в Индии или в Лапландии. Но картина звездного неба зависит как от широты места, так и от времени наблюдения.
В течение суток звезды описывают на небе круги с центром в полюсе. Чем ближе к полюсу звезда, тем круг меньше. Может оказаться так, что весь круг лежит над горизонтом: звезда никогда не заходит. К таким незаходящим звездам в наших широтах относится, например, Ковш Большой Медведицы, который виден в северном полушарии в любое время года. Другие светила, более удаленные от полюса, восходят в восточной стороне горизонта и заходят в западной. Те, что расположены вблизи небесного экватора, восходят вблизи точки востока и заходят возле точки запада. Восход некоторых светил южного полушария небесной сферы наблюдается у нас на юго-востоке, а заход — на юго-западе. Они описывают невысокие дуги над южным горизонтом.
Чем южнее звезда на небесной сфере, тем короче ее путь над нашим горизонтом. Следовательно, еще дальше к югу имеются невосходящие светила, суточные пути которых полностью лежат под горизонтом. Чтобы их увидеть, надо двигаться на юг. В Москве, например, можно наблюдать Антарес — яркую звезду в созвездии Скорпион. «Хвост» Скорпиона, опускающийся круто к югу, в Москве никогда не виден. Однако стоит нам переместиться в Крым — на десяток градусов широты южнее — и в летнее время над южным горизонтом можно будет разглядеть всю фигуру небесного Скорпиона. Полярная же звезда в Крыму располагается гораздо ниже, чем в Москве.
Напротив, если из Москвы двинуться на север, Полярная звезда, вокруг которой ведут свой хоровод остальные светила, будет подниматься все выше и выше. Есть теорема, точно описывающая эту закономерность: высота полюса мира над горизонтом равна географической широте места наблюдения. На Северном полюсе, географическая широта которого 90°, полюс мира имеет высоту 90°, т. е. расположен прямо над головой — в зените. Светила описывают суточные круги вокруг этой точки и движутся параллельно горизонту, с которым совпал небесный экватор. Ни одно из них не восходит и не заходит. Доступны наблюдению лишь звезды северного полушария небесной сферы, т. е. примерно половина небосвода.
В Москве, географическая широта которой около 56° (Москва вытянута с севера на юг почти на 50 км, а это разница почти в полградуса), высота полюса мира 56°, он расположен в северной части небосвода. Здесь видны некоторые звезды южной полусферы, среди них много ярких: Сириус, Ригель, Спика, Антарес, Фомальгаут.
На экваторе (широта 0°) полюс мира расположен на горизонте, а в противоположной точке горизонта располагается и другой полюс мира. Половина суточной параллели любого светила лежит над горизонтом, т. е. оно в принципе наблюдаемо. Именно находясь на экваторе можно было бы насчитать все те 6000 звезд, которые доступны наблюдению невооруженным глазом, и нет такой звезды, которая там не поднималась бы над горизонтом.
Звездное небо Луны
Вид неба на Луне существенно отличается от земного. Причина тому — полное отсутствие атмосферы у нашего спутника. Небо на Луне выглядит черным, а не голубым, а у Солнца видны внешние слои атмосферы — солнечная корона (на Земле корональное излучение видно только во время солнечных затмений). Звезды на Луне сияют днем так же ярко, как и ночью, хотя и имеют несколько иной вид. Они светят ровным немигающим светом и спускаются прямо к горизонту. На Луне нет зорь и сумерек, яркость освещенных Солнцем мест ослепительна, а тени очень темные. Полутонов на Луне нет. Так что отсутствие атмосферы очень сильно меняет пейзаж. Очертания созвездий на Луне выглядят так же, как и на Земле. Расстояние от Земли до Луны, которое кажется нам большим, по космическим меркам абсолютно ничтожно, так что видимое с Земли взаимное расположение звезд не изменилось бы даже при наблюдении звездного неба с Солнца или с небесного тела на окраине Солнечной системы.
При наблюдении звезды замечают что она поднимается все выше и выше
Однако на протяжении большей части истории цивилизации информация о движениях светил на небе имела важное значение для выживания человека.
Люди заметили, что в течение года высота Солнца над горизонтом и его положение меняются. Так же меняется положение и видимость звезд. На основании этих наблюдений был сделан вывод, что Солнце перемещается по небу и при этом переходит из одного созвездия в другое, совершая полный оборот за год. Эти созвездия, на фоне которых происходит движение Солнца, называли зодиакальными, а круг небесной сферы, по которому происходит движение Солнца — эклиптикой.
За один день Солнце проходит 1/365 часть дуги окружности, то есть примерно 1°. Примерно за месяц оно пересекает одно из зодиакальных созвездий. Считается, что их 12, хотя на самом деле эклиптика пересекает ещё созвездие Змееносца, которое находится между Скорпионом и Стрельцом.
Вот такой порядок зодиакальных созвездий:
Перемещение Солнца на фоне звезд кажущееся, оно происходит из-за обращения Земли вокруг Солнца. Поскольку ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66°34‘, то угол между эклиптикой (плоскостью орбиты Земли) и земным экватором 23°26‘.
Эти две плоскости имеют 4 особые точки: две точки пересечения плоскостей (дни весеннего и осеннего равноденствия) и две точки наибольшего удаления (летнего и зимнего солнцестояния).
В дни ♈ весеннего и ♎ осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) Солнце находится на небесном экваторе и имеет склонение 0°.
Оба полушария Земли освещаются одинаково: граница дня и ночи проходит точно через полюса, и день равен ночи во всех пунктах Земли.
В день ♋ летнего солнцестояния (22 июня) Земля повёрнута к Солнцу своим Северным полушарием. Здесь стоит лето, на Северном полюсе – полярный день, а на остальной территории полушария дни длиннее ночи.
Солнце поднимается над плоскостью земного (и небесного) экватора на 23°26´.
В день ♑ зимнего солнцестояния (22 декабря), когда Северное полушарие освещается хуже всего, Солнце находится ниже небесного экватора на угол 23°26´.
В зависимости от дня года меняется положение Солнца на эклиптике и его высота над горизоном в полдень, в момент наивысшего подъёма. Высота над горизонтом, широта местности и склонение Солнца в этот день связаны формулой:
h = 90° – φ + δ
Движение Солнца и звезд на различных широтах выглядит по-разному.
Вот какие движения можно наблюдать в течение года в северных широтах:
При наблюдении звезды замечают что она поднимается все выше и выше
5-6 классы
Решение: 1960 год — високосный, т. е. тогда в феврале было 29 дней. Если 29 февраля было понедельником, то и 1 февраля было понедельником.
Решение: Так как в фазе полнолуния поверхность Луны, обращённая к Земле, полностью освещена Солнцем, то в это же время поверхность Земли, обращённая к Луне, отвёрнута от Солнца. Следовательно, астронавт видит «новоземелие», т. е. полностью неосвещённую Землю.
Решение: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
7-8 классы
Решение: Солнце движется по небу за счёт вращения Земли вокруг своей оси. Так как Земля совершает полный оборот в 360° за 24 часа, то и Солнце проходит 360° за 24 часа. Следовательно, дугу в 5° Солнце пройдёт за (5/360)·24·60=20 минут.
Решение: Юный астроном на Земле и астронавт на Луне смотрят в противоположные стороны. Следовательно, астронавт видит Землю в созвездии, противолежащем на небе Овну. Это созвездие Весов.
Решение: Если Юпитер наблюдался на юге в полночь (когда Солнце на севере), то в этот момент он находился ближе всего к Земле (см. рис.). Это значит, что в этот момент расстояние между Юпитером и Землёй было в 5-1=4 раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца. Известно, что свет от Солнца до Земли идёт 500 с. Следовательно, изменение в атмосфере Юпитера юный астроном заметил через 4·500 = 2000 с (т. е. чуть более получаса) после того, как оно произошло.
9 класс
Решение: Так как Солнце только что зашло, а Штирлиц смотрит на восток, угловое расстояние от Солнца до планеты в данный момент около 180°. Венера, как внутренняя планета, не может отходить на небе далеко от Солнца (максимум примерно на 47°). Следовательно, Штирлиц увидел Юпитер.
Решение: Звёзды неподвижны на земном небе, а Солнце смещается за счет годичного движения Земли вокруг Солнца. За то время, пока Земля делает один оборот вокруг своей оси, она успевает немного сместиться по своей орбите. Направление на далёкие «неподвижные» звезды при этом не меняется, а направление на Солнце меняется. Чтобы направление на Солнце из той же точки Земли стало таким же, как и «оборот назад», т. е. чтобы завершить оборот вокруг своей оси относительно Солнца, Земле необходимо «довернуться» ещё на небольшой угол, около 1° (т. к. полный оборот 360° вокруг Солнца Земля совершает примерно за 365 дней). Следовательно, звёздные часы идут быстрее (т. к. полный оборот относительно звёзд, т. е. звёздные стуки, заканчивается раньше). 1° соответствует примерно 4 минутам времени (полный оборот 360° вокруг оси совершается за 24 часа). Таким образом звёздные часы «спешат» относительно солнечных примерно на 4 минуты в сутки.
3. Перечислите все естественные спутники планет земной группы.
Решение: Луна — спутник Земли; Фобос и Деймос — спутники Марса. Другие планеты земной группы (Венера и Меркурий) естественных спутников не имеют.
10 класс
Решение: По определению звёздной величины звезда n-й величины ярче звезды (n+1)-й величины в 100 1/5 ≈ 2.5 раза. Две звезды 19 величины ярче одной звезды 19 же величины только в 2 раза. Следовательно, такая двойная слабее, чем звезда 18 величины, и телескопу недоступна.
Решение: Точка на экваторе Земли за счёт суточного вращения движется со скоростью 0.5 км/с (2πRЗ/(24·3600)). Радиус параллели на широте φ меньше радиуса экватора в (cos φ) раз. Таким образом, длина параллели 60° в 2 раза меньше, чем длина экватора. Следовательно, линейная скорость движения Петербурга в 2 раза меньше, чем скорость точки на экваторе, т. е. 0.25 км/с.
Решение: Как известно, северный магнитный полюс расположен среди островов Канадского Арктического архипелага, т. е. на территории Канады. Полярные сияния наблюдаются тем чаще, чем ближе место наблюдения расположено к магнитному полюсу, поэтому ответ — в Уайтхорсе.
11 класс
Решение: Атмосфера Земли поглощает свет звезд. Поглощение тем больше, чем более «толстый» слой атмосферы проходит свет. Чем выше поднимается звезда над горизонтом, тем меньший путь в атмосфере проходит ее свет, следовательно тем меньше света поглощается и звезда «ярчеет».
2. Астероид обращается вокруг Солнца по круговой орбите за 8 лет. Чему равен радиус его орбиты?
3. До какой температуры нужно нагреть поверхность Луны без изменения всех других её параметров, чтобы она светила на земном небе также ярко, как Солнце?
Решение: Угловые размеры Луны и Солнца на небе практически совпадают, поэтому поверхность Луны надо нагреть до температуры поверхности Солнца, т. е. примерно 6000 К.
Задания и критерии оценивания школьного этапа всероссийской олимпиады по астрономии
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 7 класс
Время выполнения работы – 1 час
В каждом случае А), Б), В), Г) уберите одно лишнее слово с точки зрения астрономии. Объясните свой выбор.
А) Марс, Юпитер, Солнце, Земля
Б) Рак, Орион, Близнецы, Весы
В) Комета, астероид, Галактика, Сатурн
Г) Радуга, Луна, полярное сияние, солнечное затмение
2. Какие доказательства шарообразности Земли могли быть известны древним ученым?
3. Предположим, что вдоль экватора Земли проложена дорога. Два поезда выехали с одинаковой скоростью на запад и восток от одной и той же станции в момент захода Солнца. Пассажиры какого из поездов раньше встретят рассвет?
4. Во время мощных вспышек на Солнце выбрасываются облака горячей плазмы, скорость которых достигает 1500 км/с. Через сколько часов выброшенные облака плазмы достигнут Земли? Расстояние от Земли до Солнца 150000000 км.
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 8 класс
Время выполнения работы – 1 час
1. Осенней ночью охотник идёт в лес по направлению на Полярную звезду. Сразу после восхода Солнца он возвращается обратно. Как должен ориентироваться охотник по положению солнца? 
Юный астроном принёс на занятие кружка отчёт о проведённых
наблюдениях в виде рисунка. Его товарищи сразу поняли, что наблюдений он не
проводил. Как они об этом догадались?
3. Меркурий и Титан (спутник Сатурна) имеют почти одинаковую массу. Объясните, почему Титан смог сохранить свою атмосферу, а Меркурий — нет.
4. На Солнце произошла мощная вспышка, за которой последовал выброс массы. Через двое суток на Земле наблюдались мощные полярные сияния. С какой средней скоростью двигалось вещество Солнца? (1 а.е. – 150 млн.км). Рассматривать прямолинейную траекторию движения.
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 9 класс
Время выполнения работы – 2 часа
1. Радуга, заря, комета, солнечное затмение. Что можно наблюдать, находясь на Луне? Объясните свой выбор.
2. Как изменится вид полной Луны, если закрыть правую половину объектива телескопа?
3. Петр заметил, что за время ожидания сигнала, который должны были подать из окна напротив, Солнце по небу успело пройти дугу в 5°. Сколько времени прождал нужный сигнал Петр?
4. Масса и размер Луны и Тритона (спутника Нептуна) приблизительно одинаковы. Почему на Луне не может быть атмосферы, а у Тритона она есть?
5. Зачем раз в четыре года в феврале вводят дополнительный день? Будет ли в 2020 году добавлен этот день? (Ответ дайте с пояснением, как Вы это определили).
6. Свет от Солнца достигает Земли за 500 секунд, свет от ближайшей к Солнечной Системе звезды Проксима в созвездии Центавра – за 4,22 года. Во сколько раз Проксима дальше Солнца?
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 10 класс
Время выполнения работы – 2 часа
Астроном на Земле наблюдает полное лунное затмение. Что в это время может наблюдать космонавт на Луне?
2. Почему звезда становится ярче по мере того, как поднимается над горизонтом?
В некотором году 1 сентября пришлось на четверг. На какие дни недели может выпасть 1 сентября в следующем году? 
4. На рисунке показана, с соблюдением пропорций, орбита искусственного
спутника Земли. Воспроизведите этот рисунок и дополните его, начертив
(с учетом масштаба) векторы ускорений спутника в точках 1, 2 и 3. Учесть, что
двигатели спутника выключены.
Турист, путешествуя по экватору Земли, может обойти Землю за 3 года. Сколько времени потребовалось бы ему, чтобы такими же темпами добраться от Земли до Луны? Диаметр Земли равен 12 800 км, расстояние от Земли до Луны – 384 400 км.
6. Как изменится вид полной Луны, если закрыть левую половину объектива телескопа?
Всероссийская олимпиада школьников по физике 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 11 класс
Время выполнения работы – 2 часа
1.Справедливы ли следующие утверждения (да или нет, приведите пояснение):
А) В декабре Солнце удаляется на максимальное расстояние от Земли
Б) Звезды продолжают формироваться в нашей Галактике и в настоящее время
В) Красные звезды самые горячие
Г) Полярные сияния наблюдаются только в морозную погоду
На рисунке показана, с соблюдением пропорций, орбита искусственного
спутника Земли. Воспроизведите этот рисунок и дополните его, начертив (с учетом
масштаба) векторы ускорений спутника в точках 1, 2 и 3. Двигатели спутника
3. Во время солнечного затмения в центре видимого диска Солнца произошла вспышка. Кто раньше сможет зарегистрировать вспышку – наблюдатели на Земле или астронавт, находящийся на невидимом с Земли полушарии Луны? Ответ поясните рисунком.
4. Высота звезды, находящейся на небесном экваторе в момент её верхней кульминации равна 30. Какова высота Полюса Мира в месте наблюдения?
5. В конце XIX в. некоторые ученые полагали, что источником энергии Солнца является химические реакции горения, в частности, горения угля. Приняв, что удельная теплота сгорания угля q = 10 7 Дж/кг, масса Солнца 2 * 10 30 кг, а светимость 4 * 10 26 Вт, приведите доказательства неправильности этой гипотезы.
6. Известно, что продолжительность суток увеличивается на 0,02 секунды за 1000 лет. Когда (приблизительно) в сутках станет 25 часов?
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 7 класс.
Каждая задание оценивается от 0 до 8 баллов.
Доказательства шарообразности Земли, известные древним ученым:
округлая форма края земной тени на диске Луны во время лунных затмений;
постепенное появление и исчезновение судов при их приближении и удалении от берега;
изменение высоты Полярной звезды при перемене широты места наблюдения;
удаление горизонта по мере подъёма вверх, например, на вершину маяка или башни.
Суточное движение поверхности Земли за счет осевого вращения направлено с запада на восток. Поэтому скорость поезда, отправившегося на восток, сложится со скоростью суточного вращения, что уменьшит наблюдаемую с поезда продолжительность солнечных суток. Пассажиры этого поезда встретят рассвет раньше пассажиров другого поезда, который поехал в западном направлении, и на котором солнечные сутки будут длиться более 24 часов.
t= 150000000 км/1500 км/с = 100000с
100000 с:3600 = 27,8 часов
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 8 класс.
Каждая задание оценивается от 0 до 8 баллов.
Охотник шёл в лес на север. Возвращаясь, он должен двигаться на юг. Поскольку Солнце осенью вблизи равноденствия, оно восходит недалеко от точки востока. Следовательно, нужно идти так, чтобы Солнце было слева.
Луна не может быть видна в созвездии Большой Медведицы
Размер Луны значительно преувеличен
Звезда не может наблюдаться между «рогами» месяца
Звезды показаны одинаковыми по яркости
Титан и Меркурий имеют сходную массу и размеры, но Меркурий находится значительно ближе к Солнцу и получает от него намного больше тепла. В разогретой атмосфере частицы имеют большие скорости и легче уходят от планеты. Поэтому Меркурий не удержал атмосферу. Холодная атмосфера Титана значительно более устойчива.
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 9 класс.
Каждая задание оценивается от 0 до 8 баллов.
Половина объектива строит изображение так же, как и целый объектив, но собирает вдвое меньше света. Поэтому изображение Луны не изменится, лишь станет вдвое менее ярким.
Солнце движется по небу за счет вращения Земли вокруг своей оси. Так как Земля совершает полный оборот в 360° за 24 часа, то и Солнце проходит 360° за 24 часа. Следовательно, дугу в 5° Солнце пройдёт за (5/360)·24·60=20 минут.
Масса и размер Тритона и Луны не сильно различаются, поэтому гравитационное действие у этих объектов тоже одинаковое. Атмосфера у космического объекта (планеты, спутника, астероида) удерживается за счет действия силы всемирного тяготения. Но Луна находится ближе к Солнцу, поэтому тепловые скорости молекул газов, образующих атмосферу, на расстоянии Луны гораздо больше, чем на расстоянии Тритона. И эти скорости сравнимы с космическими скоростями Луны. Поэтому даже если атмосфера у Луны образуется, молекулы очень скоро улетят от своей «хозяйки».
Календарный год содержит в себе целое количество дней, а период обращения Земли вокруг Солнца (тропический год) – дробное. Разница близка к 6 часам (0,25 суток). За 4 года накапливаются полные сутки. Для компенсации этого сдвига вводится дополнительный день в феврале (29 февраля). 2020 год будет високосным, и в феврале появится дополнительный день. Правило определения високосного года – номер года должен нацело делиться на 4 (это правило не относится к годам, в которые начинаются новые столетия).
Расстояние до Проксимы во столько раз больше расстояния до Солнца, во сколько раз 4,22 года больше, чем 500 с. 4,22 × 365 × 24 × 60 × 60/500 = 266 тыс. раз.
Всероссийская олимпиада школьников по астрономии 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 10 класс.
Каждая задание оценивается от 0 до 8 баллов.
Атмосфера Земли поглощает свет звезд. Поглощение тем больше, чем более «толстый» слой атмосферы проходит свет. Чем выше поднимается звезда над горизонтом, тем меньший путь в атмосфере проходит ее свет, тем меньше света поглощается и звезда кажется более яркой.
Критерии оценивания: 
Движение спутника происходит под действием одной силы – силы тяжести (орбита спутника является достаточно высокой, атмосфера на такой высоте отсутствует). Поэтому вектор ускорения во всех точках траектории должен быть направлен к центру Земли. Модуль ускорения обратно пропорционален квадрату расстояния до центра Земли. Т.к. расстояния в точках 1,2,3 относятся как 1 : 1,5 : 2, то длины векторов ускорений на чертеже должны относиться как 4 : 16/9 : 1.
Половина объектива строит изображение так же, как и целый объектив, но собирает вдвое меньше света. Поэтому изображение Луны не изменится, лишь станет вдвое менее ярким.
Всероссийская олимпиада школьников по 2017-2018 учебный год
Школьный этап. 11 класс.
Каждая задание оценивается от 0 до 8 баллов.
Движение спутника происходит под действием одной силы – силы тяжести (орбита спутника является достаточно высокой, атмосфера на такой высоте отсутствует). Поэтому вектор ускорения во всех точках траектории должен быть направлен к центру Земли. Модуль ускорения обратно пропорционален квадрату расстояния до центра Земли. Т.к. расстояния в точках 1,2,3 относятся как 1 : 1,5 : 2, то длины векторов ускорений на чертеже должны относиться как 4 : 16/9 : 1.
Раньше вспышку зарегистрирует астронавт на Луне.
Запасы тепла без учета кислорода составляют Q = qM = 2*10 37 Дж. Этого запаса хватит на время t = Q:L = 2 *10 37 /( 4* 10 26 )= 5 * 10 10 с = 1700 лет. Юлий Цезарь жил более 2000 лет назад, динозавры вымерзли около 60 млн. лет назад, так, что за счет химических реакций Солнце светить не может. (Если кто-то скажет о ядерном источнике энергии, то это будет здорово.)
Нужно, чтобы продолжительность суток увеличилась на 1 час, т.е. на 3600 секунд. Для этого должно пройти примерно 3600/(0.02) = 180·10 3 раз по 1000 лет, т.е. 180 млн. лет.