Раздел 2. Развитие инструментов и методов исследований
2.1. Назовите древнейший астрономический инструмент.
2.2. Какой астрономический прибор держит в руках античный астроном (см. рис.)?
К задаче 2.2.
2.3. У древних греков это слово означало дневники событий. У современных астрономов оно означает целеуказания для наблюдений небесных тел. Назовите термин.
2.4. Солнечные часы, как правило, имеют плоский циферблат, расположенный в экваториальной, горизонтальной или вертикальной плоскостях. Однако древние астрономы широко использовали солнечные часы с циферблатами в форме чаши - скафис (см. рис.).
К задаче 2.4. Солнечные часы в г. Осло (фото П. Г. Куликовского, 1953 г.).
Какие преимущества имеют солнечные часы с такой формой циферблата?
2.5. Древнегреческие учёные Аристилл и Тимохарис (III в. до н. э.) при наблюдениях Солнца использовали прибор, называемый экваториальным кольцом. Он представлял собой полый невысокий цилиндр, верхний и нижний края которого ориентировались точно в плоскости небесного экватора. Тень от южной половины цилиндра на внутренней стороне северной половины оставляла узкую полоску света в верхней или нижней части цилиндра. Для каких целей использовался этот прибор?
2.6. Профессор С. П. Глазенап (1848–1937) изобрёл так называемое солнечное кольцо. Прибор представляет собой цилиндрическое кольцо, расположенное в вертикальной плоскости. На угловом расстоянии 45° от вершины кольца сделано небольшое отверстие, через которое проходит луч Солнца. На внутренней поверхности кольца, куда падает луч, наклеена градусная шкала. Для какой цели предназначен этот широко использовавшийся в своё время прибор?
2.7. Как древние наблюдатели могли догадаться, что за голубым маревом дневного неба находятся ночные светила?
2.8. В астрономии с древних времён используются звёздные карты и глобусы. В чём состоит принципиальное различие между изображениями звёздного неба на глобусах и картах, а также их отличие от реального неба?
2.9. Каково принципиальное отличие изображения звёздного неба в планетарии от реального звёздного неба?
2.10. Место, где регулярно проводятся наблюдения за небесными светилами, называется астрономической обсерваторией. Всегда ли астрономические обсерватории имели традиционные башни с куполами и соблюдается ли неуклонно этот "архитектурный стиль" сейчас?
2.11. Как известно, Галилей с помощью телескопа одним из первых открыл пятна на Солнце. Объясните, каким образом он мог наблюдать поверхность Солнца в свой телескоп, имевший в качестве окуляра отрицательную линзу. Существует версия, что к старости Галилей ослеп оттого, что смотрел на Солнце глазом в окуляр. Согласны ли вы, что для него это был единственный способ наблюдать солнечные пятна?
2.12. Основы теории простых оптических инструментов, применяемых в астрономии, разработал Кеплер. Однако в своих исследованиях он использовал закон преломления в приближённой форме α/β=п, где α - угол падения, β - угол преломления, n - относительный показатель преломления. Почему, несмотря на то, что Кеплер пользовался приближённым законом для диоптрических систем, он получил правильные результаты?
2.13. Какой принципиальный оптический недостаток объективов телескопов - рефракторов подтолкнул Исаака Ньютона к исследованиям, приведшим его в 1672 г. к открытию дисперсии света?
2.14. Почему телескопы- рефракторы конца XVII века имели огромную длину, достигавшую 64 метров?
К задаче 2.14. Телескоп - рефрактор Яна Гевелия (конец XVII века).
2.15. Почему "мода" на телескопы - рефракторы, продержавшаяся три столетия, сменилась в XX веке "модой" на телескопы - рефлекторы?
2.16. Борьба за размеры и качество телескопов - рефракторов и рефлекторов привела не только к победе рефлекторов, но и к специализации обоих видов телескопов для различных астрономических наблюдений.
Для каких видов наблюдений предпочтительны рефракторы, а для каких - рефлекторы?
2.17. Какое преимущество имеет труба Кеплера по сравнению с трубой Галилея при астрометрических измерениях?
2.18. Тихо Браге был основоположником точной астрометрии. Свои наблюдения он преимущественно проводил при помощи прибора, изображённого на рисунке в заголовке этого раздела. Как называется этот прибор? Как называется современный астрометрический прибор, выполняющий те же функции, что и прибор Тихо Браге?
К задаче 2.14. Телескоп - рефрактор конца XVII века.
2.19. Измерения положений небесных тел, сделанные Тихо Браге и Улугбеком, имели точность 1–2'. Примерно такую же точность дают современные компактные оптические угломерные инструменты - теодолиты. Каким образом астрономы той эпохи достигали относительно высокой точности угломерных измерений, не имея оптических приборов?
2.20. Все телескопы XVII‑XVIII вв. и многие крупные телескопы первой половины XIX в. имели альт-азимутальную монтировку, т. е. могли поворачиваться вокруг вертикальной и горизонтальной осей, причём их подвижность вокруг горизонтальной оси была весьма ограниченной: области неба вблизи горизонта и зенита были им, как правило, недоступны (вспомните, как выглядят телескопы Гевелия, Ньютона, Гершеля, Росса). Изобретение фотографии и начало её применения в астрономии потребовало длительного и точного ведения телескопа за избранным участком неба. Повсеместное распространение получила экваториальная монтировка, на которой телескоп может следить за звездой, вращаясь лишь вокруг одной, полярной оси. Различные модификации этой монтировки - немецкая, английская, вилочная, подковообразная - полностью вытеснили к концу XIX в. альт - азимутальную, которая сохранилась лишь у астрометрических пассажных инструментов. Однако в последние десятилетия XX в. альт- азимутальная монтировка неожиданно стала вновь широко использоваться. Почему?
2.21. Какое техническое приспособление, предложенное в первой половине XVII века, позволило существенно повысить точность астрометрических измерений без изменения параметров самого телескопа?
2.22. Наблюдатели, работавшие в XIX веке на крупных телескопах - рефракторах Ликской и Йеркской обсерваторий испытывали большие трудности при наблюдениях планетарных туманностей. Почему при фотографических наблюдениях нужно было заметно сдвигать пластинку для получения резкого изображения либо ядра, либо самой туманности?
2.23. Какие функции выполнял телескоп в XVII и XVIII веках и какую новую функцию он стал выполнять в XIX веке?
2.24. Почему Бернар Лио, изобретатель коронографа (инструмента, позволяющего наблюдать солнечную корону вне затмений), использовал для своего прибора в качестве объектива простую линзу, а не сложный ахроматический объектив? Как при этом была решена проблема хроматической аберрации?
2.25. Определить географическую долготу точки на Земле значительно сложнее, чем широту. Чтобы найти широту, достаточно измерить высоту полюса мира или высоту Солнца в момент его полуденной кульминации. А для определения долготы из астрономических наблюдений необходимы точные часы, хранящие время нулевого меридиана. Определив по таким часам, например, момент кульминации
Солнца в точке наблюдения, мы узнаём, на сколько часов в точке наблюдения полдень наступает раньше или позже, чем на нулевом меридиане, а значит, определим свою долготу.
Для определения долготы наземных пунктов пригодны часы не очень высокого качества, которые были созданы уже к концу XVII в. С ними можно было неоднократно путешествовать между пунктами наблюдения, определяя поправку часов и таким образом постепенно уточняя разницу долгот. Но гораздо большие трудности испытывали моряки, которым, чтобы не пройти мимо цели, например, небольшого острова или порта, требовалось определять долготу "с первого захода". Чтобы создать точные часы, выдерживающие правильный ход в течение нескольких месяцев, а то и лет, в условиях морской качки и смены температуры, потребовалось большое искусство механиков: хорошие морские хронометры были созданы лишь к концу XVIII века. Но до этого момента предлагались и другие способы определения долготы без использования часов на корабле.
Один из таких методов - "координатную службу" - предложили английские математики Уильям Уистон (1667–1752) и Хемфри Дит- тон (1675–1714). Для экономии средств предполагалось создать её не по всей акватории Мирового океана, а лишь вдоль важнейших торговых путей (Хауз, 1983, с. 61):