Для чего используют телескоп астрономия 11 класс
2. Телескопы
Основным прибором, который используется в астрономии для наблюдения небесных тел, приёма и анализа приходящего от них излучения, является телескоп. Слово это происходит от двух греческих слов: tele — далеко и skopéo — смотрю.
Телескоп применяют, во-первых, для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от исследуемого объекта, а во-вторых, чтобы обеспечить возможность изучать его мелкие детали, недоступные невооружённому глазу. Чем более слабые объекты даёт возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. Возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.
Количество света, собираемого объективом, возрастает пропорционально его площади (квадрату диаметра) (рис. 1.4). Диаметр зрачка человеческого глаза даже в полной темноте не превышает 8 мм. Объектив телескопа может превышать по диаметру зрачок глаза в десятки и сотни раз. С помощью телескопов и современных приёмников излучения возможно обнаружить звёзды и другие объекты, которые в 100 млн раз слабее объектов, видимых невооружённым глазом.
Чем меньше размер изображения светящейся точки (звезды), которое даёт объектив телескопа, тем лучше его разрешающая способность. Если расстояние между изображениями двух звёзд меньше размера самого изображения, то они сливаются в одно. Вследствие дифракции изображение звезды будет не точкой, а ярким пятном — дифракционным диском, угловой диаметр которого равен
где λ — длина световой волны, a D — диаметр объектива телескопа, 206 265 — число секунд в радиане. У школьного телескопа, диаметр объектива которого составляет 60 мм, теоретическая разрешающая способность будет равна примерно 2″. Напомним, что это превышает разрешающую способность невооружённого глаза (в среднем) в 60 раз. Реальная разрешающая способность телескопа будет меньше, поскольку на качество изображения существенно влияет состояние атмосферы, движение воздуха.
Если в качестве объектива телескопа используется линза, то такой телескоп называется рефрактором (от лат. refracto — преломляю), а если вогнутое зеркало, — то рефлектор (reflecto — отражаю).
Помимо рефракторов и рефлекторов в настоящее время используются различные типы зеркально-линзовых телескопов, один из которых — менисковый — представлен на рисунке 1.5.
У небольших телескопов объективом, как правило, служит двояковыпуклая собирающая линза. Как известно, если предмет находится дальше двойного фокусного расстояния, она даёт его уменьшенное, перевёрнутое и действительное изображение. Это изображение располагается между точками фокуса и двойного фокуса линзы. Расстояния до Луны, планет, а тем более звёзд так велики, что лучи, приходящие от них, можно считать параллельными. Следовательно, изображение объекта будет располагаться в фокальной плоскости.
Построим изображение Луны, которое даёт объектив 1 с фокусным расстоянием F (рис. 1.6). Объектив строит изображение объекта, линейные размеры которого определяются фокусным расстоянием F и угловыми размерами а объекта на небе. Воспользуемся теперь ещё одной линзой — окуляром 2, поместив её от изображения Луны (точка F1) на расстоянии, равном фокусному расстоянию этой линзы — ƒ. Фокусное расстояние окуляра должно быть меньше, чем фокусное расстояние объектива. Построив изображение, которое даёт окуляр, мы убедимся, что он увеличивает угловые размеры Луны: угол β заметно больше угла α.
Если изображение, даваемое объективом, находится вблизи фокальной плоскости окуляра, увеличение, которое обеспечивает телескоп, равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра:
Телескоп увеличивает видимые угловые размеры Солнца, Луны, планет и деталей на них, но звёзды из-за их колоссальной удалённости всё равно видны в телескоп как светящиеся точки.
Имея сменные окуляры, можно с одним и тем же объективом получать различное увеличение. Поэтому возможности телескопа в астрономии принято характеризовать не увеличением, а диаметром его объектива. При визуальных астрономических наблюдениях обычно используют увеличения не более 100 раз. Применять большие увеличения мешает атмосфера Земли. Движение воздуха, незаметное невооружённым глазом (или при малых увеличениях), приводит к тому, что мелкие детали изображения становятся нерезкими, размытыми. Это мешает и современным наблюдениям с фотоэлектронными приёмниками света. Поэтому астрономические обсерватории, на которых используются крупные телескопы, размещаются в районах с хорошим астроклиматом: большим количеством ясных дней и ночей, с высокой прозрачностью и стабильностью атмосферы, на высоте нескольких километров над уровнем моря.
Современный телескоп представляет собой сложное устройство, которое имеет предельно точную оптику малых и больших размеров, наилучшие из существующих приёмники излучения и обширный комплекс научной и обслуживающей аппаратуры. Все наиболее крупные современные телескопы — это телескопы-рефлекторы.
Крупнейший в России телескоп-рефлектор (рис. 1.7) имеет зеркало диаметром 6 м, отшлифованное с точностью до долей микрометра. Фокусное расстояние зеркала 24 м. Его масса около 40 т. Масса всей установки телескопа более 850 т, а высота 42 м. Управление телескопом осуществляется с помощью компьютера, который позволяет точно навести телескоп на изучаемый объект и длительное время удерживать его в поле зрения, плавно поворачивая телескоп вслед за вращением Земли. Телескоп входит в состав Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук и установлен на Северном Кавказе (близ станицы Зеленчуке кая в Кабардино-Балкарии) на высоте 2100 м над уровнем моря.
Для чего используется телескоп в астрономии: пояснения и примеры
Содержание:
В самом начале кратко расскажем, что такое телескоп. В узком смысле телескопом принято называть оптический прибор, который применяется для наблюдения за объектами, расположенными на значительном расстоянии от наблюдателя. Такое определение является не до конца точным, так как телескоп необязательно должен быть оптическим. Более точно – это прибор, работа которого основана на сборе электромагнитных волн. Видимый свет является их разновидностью. Если рассматривать весь спектр электромагнитного излучения, то следует отметить, что кроме оптических существуют:
История появления и развития
Первым, кто стал наблюдать небесные тела через подзорную трубу, стал итальянец Галилео Галилей в 1609 году. Его оптический прибор давал лишь трехкратное увеличение. С его помощью он впервые в истории человечества смог рассмотреть лунные кратеры, спутники Юпитера и неизвестные на то время звезды из Млечного пути.
Знаменитый физик И. Ньютон прославился тем, что в 1668 году построил первый телескоп, в котором вместо выпуклой линзы использовалось выпуклое зеркало. Такая схема позволила добиться существенного улучшения качества изображения при 40-кратном увеличении.
Первые фотографии, сделанные с использованием телескопа, появились еще в позапрошлом веке, тогда же английскому ученому У. Хаггинсу впервые удалось объединить в одно устройство телескоп и спектроскоп. Так стали возможными исследования спектра звездных излучений.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили телескопы с зеркальной системой. Их конструкции непрерывно совершенствуются. Самый большой в мире астрономический телескоп, установленный на Канарских островах, имеет зеркало диаметром 10,4 м.
Для чего используют телескопы при астрономических наблюдениях
В наши дни телескопы находятся уже не только на земной поверхности. Так в 1990 году учеными из Европы и Америки был создан космический телескоп «Хаббл». Для чего используется космический телескоп в астрономии? По сути дела, он представляет собой целую обсерваторию, которая находится на околоземной орбите и позволяет вести наблюдение в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Его длина превышает 13 м, а диаметр вместе с солнечными батареями составляет 7,1 м. Благодаря «Хабблу» удалось сделать целый класс новых открытий, а также впервые в истории сфотографировать планету, которая расположена за пределами солнечной системы.
Астрономия представляет собой науку, которая формирует общефизическое мировоззрение о строении, развитии и будущем не только нашей планеты, но и космоса в целом. Поэтому урок астрономии призван дать человеку необходимые знания не только для того, чтобы выполнить домашнее задание и сдать тест, но и стать толчком для развития самопознания окружающего материального мира, формирования философского отношения к научным дисциплинам в школьной программе.
Телескопы
Телескоп — главный инструмент ученых-астрономов. Название «телескоп» происходит от греческих слов «теле» — «далеко» и «скопео» — «смотрю». Такое название предложил в 1611 г. греческий математик Иоаннис Димисианос. Телескоп — прибор, который собирает электромагнитное излучение (например, видимый свет) и позволяет наблюдать отдаленные объекты.
История телескопа насчитывает несколько столетий. Первые чертежи простого телескопа с линзами составил еще Леонардо да Винчи. Но только в 1608 г. голландец Ханс Липперсгей продемонстрировал в Гааге свой экземпляр подзорной трубы. Правда, в то время другие мастера тоже делали подобные приборы.
Однако превратил подзорную трубу в телескоп Галилео Галилей.
Он направил ее в небо и получил первые научные данные. Это произошло в 1609 г. Первая зрительная труба работы Галилея имела трехкратное увеличение, вторая — восьмикратное. Третий его телескоп давал уже 32-кратное увеличение.
Конструктивно телескоп представляет собой трубу, установленную на монтировке и снабженную осями для наведения на объект наблюдения. У визуального телескопа есть объектив и окуляр. Окуляр может заменяться фотопленкой или другим приемником излучения, и тогда телескоп превращается в астрограф.
Для исследования космических объектов в радиодиапазоне применяют радиотелескопы, снабженные принимающей антенной и радиометром. Для увеличения разрешающей способности телескопов их объединяют в интерферометры, причем в единую сеть могут входить телескопы, находящиеся в разных областях земного шара.
Атмосфера неоднородна, и постоянные ветры искажают изображение. Еще одним недостатком в использовании земных телескопов является их низкое разрешение, ограниченное значением приблизительно в 1 угловую секунду. Кроме того, атмосфера пропускает излучения только в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах. Но чем меньше длина волны, тем хуже восприятие, и наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах возможны только в космосе. Поэтому на околоземных орбитах сегодня работают спутники-обсерватории.
Современные телескопы
Современные оптические телескопы и другие приборы на их основе — спектрографы, солнечные телескопы, астрографы — изменились до неузнаваемости по сравнению с инструментами Галилея и Ньютона.
Зеркальные телескопы нового поколения имеют главные зеркала диаметром 8—10 м и способны самостоятельно устранять помехи, возникающие в атмосфере. Рекордсмены среди этих гигантов по разрешающей способности — 10 метровые телескопы Кек I и Кек II (США), 9,2-метровый телескоп Хобби-Эберли и 8-метровые телескопы Джемини и Субару, телескоп VLT Европейской южной обсерватории, а также находящийся в стадии постройки Большой бинокулярный телескоп LBT в штате Аризона (США).
С помощью современных радиотелескопов можно принимать большинство видов космических излучений, которые возникают в результате различных процессов, происходящих в веществе Вселенной при определенных условиях. Многие из них можно использовать не только в качестве «приемников», но и «передатчиков» мощных сигналов. Посылая импульсы излучения, телескоп улавливает их отражение от небесных тел, что позволяет получать изображения поверхности планет, скрытых плотной атмосферой, и изучать глубины таких «газовых гигантов», как Сатурн и Юпитер. Антенны радиотелескопов используются также для осуществления связи с космическими аппаратами, отправленными в странствия к границам Солнечной системы. С помощью радиотелескопов были открыты такие неизвестные в недалеком прошлом объекты, как нейтронные звезды, квазары, реликтовое излучение Вселенной.
Еще более необычные инструменты познания — инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-телескопы — настолько чувствительны и сложны, что просто не могут работать в земных условиях. Чтобы защитить их от «земных помех» и получить новую важную информацию о глубинах мироздания, эти приборы устанавливают на борту орбитальных астрономических обсерваторий-автоматов.
Большой Канарский телескоп
Крупнейшие астрономические обсерватории мира соревнуются между собой, создавая все более крупные инструменты и наращивая размеры их зеркал. Современный телескоп-рефлектор занимает целое здание, им управляет множество компьютеров. Самый мощный телескоп в Евразии построен в России — он находится на Северном Кавказе близ станицы Зеленчукской. Диаметр его главного зеркала — 6 м. Зеркало имеет массу около 70 т, а процесс его изготовления занял более двух лет. Но «королем» всех астрономических инструментов, расположенных на Земле, сегодня является Большой Канарский телескоп, построенный на Канарских островах по проекту ученых Мексики, Испании и США. Его зеркало имеет диаметр 10,4 м, он способен различать в межзвездном пространстве объекты в миллиард раз более слабые, чем человеческий глаз.
Какие существуют телескопы
Известны следующие виды телескопов для различных диапазонов электромагнитного спектра:
Классификация телескопов по оптической системе
Телескопы
Урок 3. Астрономия 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Телескопы»
На протяжении тысячелетий астрономы изучали положения небесных объектов на звёздном небе и их взаимное перемещение с течением времени. Конечно же древним астрономам приходилось очень нелегко, так как они имели возможность наблюдать за звёздным небом лишь невооружённым глазом. И в основном благодаря лишь своей железной логике, силе мысли и математическому расчёту Николай Коперник сделал свои гениальные открытия.
Настоящий переворот в астрономии произошёл в 1608 году, после того как голландский мастер по изготовлению очков Иоанн Липперсгей обнаружил, что две линзы, расположенные на одной прямой, могут увеличивать предметы. Так была изобретена зрительная труба.
Этой идеей сразу же воспользовался Галилей. В 1609 году он сконструировал свою первую зрительную трубу с трёхкратным увеличением и направил её в небо. Так зрительная труба превратилась в телескоп.
Кстати, название «телескоп» происходит от двух греческих слов: «теле» — далеко, и «скопео» — смотреть. Оно было предложено в 1611 году греческим математиком Иоаннисом Димисианосом для одной из зрительных труб Галилея.
Телескопы применяют для того, чтобы собрать как можно больше света, идущего от изучаемого объекта, и чтобы получить возможность изучать его мелкие детали, которые недоступны невооружённому глазу. Чем более слабые объекты даёт возможность увидеть телескоп, тем больше его проницающая сила. А возможность различать мелкие детали характеризует разрешающую способность телескопа. Обе эти характеристики телескопа зависят от диаметра его объектива.
Разрешающая способность телескопа — это наименьший угол между такими двумя близкими звёздами, когда они уже видны как две, а не сливаются зрительно в одну.
Проще говоря, чем меньше размер изображения светящейся точки (в нашем случае, звезды), которое даёт телескоп, тем больше его разрешающая способность.
Разрешающая способность телескопа для видимого света определяется по формуле:
где «D» — это диаметр объектива в миллиметрах, а «α» — угловое разрешение в угловых секундах.
Конечно же, таким образом мы находим разрешающую способность идеального телескопа для идеальных условий наблюдения. В реальности разрешающая способность будет гораздо меньше, так как на качество изображения будут существенно влиять состояние атмосферы и движение воздуха.
Вам конечно же известно, что любой оптический телескоп состоит из объектива и окуляра. Так вот, если в качестве объектива телескопа использовать линзу, то телескоп будет называть рефра́ктором (от латинского слова «преломляю»). Если же в качестве объектива используется вогнутое зеркало, то это телескоп называется рефле́ктором (от латинского «отражаю»).
Помимо рефлекторов и рефракторов в настоящее время широкое применение нашли различные типы зеркально-линзовых телескопов.
У небольших и самых простых телескопов объективом, как правило, выступает двояковыпуклая собирающая линза. Из курса физики вам известно, что если предмет находится за двойным фокусом линзы, то она даёт его уменьшенное, действительное и перевёрнутое изображение. Так как расстояния до небесных тел очень велики, то лучи света, идущие от них, можно считать параллельными. В этом случае изображение небесного объекта будет располагаться в фокальной плоскости объектива.
Из построения видно, что угловых размеров наблюдаемого объекта объектив телескопа не изменяет. Поэтому, чтобы получить увеличенное изображение, мы должны воспользоваться окуляром — ещё одно линзой (собирающей или рассеивающей). При этом фокусное расстояние окуляра должно быть меньше, чем фокусное расстояние объектива. Если расположить окуляр так, чтобы изображение предмета, даваемое объективом телескопа, находилось в его главном фокусе и провести необходимые построения, то мы убедимся, что он увеличивает угловые размеры наблюдаемого объекта. Это увеличение мы можем легко рассчитать, как отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра.
Конечно же первые телескопы были размером с небольшую подзорную трубу, увеличивали в несколько десятков раз и не отличались высоким качеством изображения. Однако вскоре было обнаружено, что количество света, собираемого объективом телескопа, возрастает пропорционально его площади. Поэтому со временем размеры и мощности этих приборов увеличивались. Так в 1845 году британский астроном Уильям Парсонс построил в своём графском замке телескоп «Левиафан». Масса этого аппарата составляла более 150 тонн, длина трубы — 17 метров, а зеркало имело диаметр 183 сантиметра.
В наше время изготавливаются ещё более крупные оптические телескопы. Так, например, крупнейшим телескопом в Евразии является «Большой телескоп азимутальный» (сокращённо БТА). Располагается он в научно-исследовательском институте Российской академии наук, расположенном на Северном Кавказе у подножия горы Пастухова в Зеленчукском районе Карачаево-Черкесской Республики. Его главное монолитное зеркало имеет диаметр 605 сантиметров. Этот телескоп считался крупнейшим в мире почти 18 лет.
В настоящее время самым крупным оптическим телескопом считает Большой южноафриканский телескоп, открытый в 2005 году. Находится он в Южноафриканской астрономической обсерватории, расположенной вблизи города Сатерленд в полупустынном регионе Кару Южно-Африканской Республики. Главное зеркало этого телескопа имеет размеры 11 м х 9,8 м и состоит из 91 одинакового шестиугольника со стороной 1 метр.
Примечательно, что изготовлением сегментов главного зеркала и их первичной обработкой занималось приборостроительное предприятие, расположенное в городе Лыткарино Московской области. А калибровка зеркала происходила при участии специалистов Всероссийского научно-исследовательского института метрологии имени Дмитрия Ивановича Менделеева.
Но и это не предел. В 2015 году произошла церемония закладки первого камня будущего Европейского чрезвычайно большого телескопа. Его главным инструментом станет сегментное зеркало диаметром в 39,3 метра.
Конечно же астрономы уже давно не ведут визуальных наблюдений. В середине XIX века им на смену пришла фотография. В настоящее же время фотографию заменили электронные приёмники света. Наибольшее распространение получили полупроводниковые приборы с зарядовой связью, сокращённо ПЗС. Матрицы ПЗС, которые применяются в современных цифровых фотоаппаратах, по своему устройству аналогичны тем, которые используются в астрономии. Важнейшим их качеством является высокая чувствительность: они способны реагировать практически на каждый попавший на них фотон. Особенно ПЗС незаменимы для тех телескопов, которые работают в автоматическом режиме. В частности, это касается знаменитого телескопа «Хаббл», который обращается вокруг земли на расстоянии примерно в 560 километров от её поверхности. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа составляет всего 0,1’’, что почти в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле. За 15 лет работы телескопа на Землю было передано свыше 1 миллиона 22 тысяч высококачественных изображений различных космических объектов. В их числе изображения самых далёких галактик, расположенных более чем в 13 миллиардах световых лет.
Сейчас мы называем астрономию всеволновой, так как наблюдения за космическими объектами ведутся во всех диапазонах электромагнитных волн, а не только в его видимой части спектра. Однако лишь радиоволны могут достичь поверхности Земли без значительного поглощения. Поэтому телескопы, предназначенные для изучения остального спектра волн, устанавливаются на орбитальных станциях и космических кораблях.
Для приёма же радиоизлучения от различных космических объектов используются земные радиотелескопы. Антенны радиотелескопов, чаще всего, представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических рефлекторов. Но собирают они не свет, а радиоволны. Радиотелескопы принято разделять на телескопы с заполненной и незаполненной апертурой.
Антенны с заполненной апертурой похожи на зеркала оптических телескопов и являются наиболее простыми и привычными в использовании. Самым крупным наземным радиотелескопом с заполненной апертурой является телескоп «Фаст» — «Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой», расположенный на юге Китая в провинции Гуйчжоу. Его строительство было завершено 25 сентября 2016 года.
Но возможности радиотелескопов существенно возрастают, если их антенны объединить в одну систему и использовать для изучения одного и того же объекта. Такие антенны получили название антенн с незаполненной апертурой. Например, система, которая состоит из 27) антенн диаметром 25 метров каждая, расположенных в определённом порядке, позволяет достичь углового разрешения в 0,04″. А это соответствует возможностям радиотелескопа с антенной, диаметром 35 километров.
Крупнейший наземный радиотелескоп с открытой апертурой — РАТАН-600 — располагается в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук.
18 июля 2011 года был реализован масштабный международный проект с ведущим российским участием «Радиоастрон». На основе выведенного на околоземную орбиту радиотелескопа «Спектр-Р» (диаметр антенны — 10 метров) и радиотелескопов, расположенных на всех континентах земного шара, создаётся единая наземно-космическая система для изучения различных объектов Вселенной в радиодиапазоне. Двигаясь по вытянутой эллиптической орбите, «Спектр-Р» может удаляться от Земли на расстояние до 350 тысяч километров. Таким образом, создаваемая система по своим возможностям соответствует радиотелескопу с антенной такого колоссального размера.
Реализация проекта «Радиоастрон» позволило начать изучение таких явлений и процессов, как нейтронные звезды и сверхмассивные черные дыры, строение и динамику областей звёздообразования в нашей Галактике, а также проблемы, связанные с эволюцией Вселенной.