Logo
Logo

Космический телескоп

Разбалловка

A1  0.40 Вычислите диаметр сфокусированного изображения звезды на матрице CCD камеры.

A1. 1 Формула $\frac{d_i}{d_o} = \frac{f}{D_o}$ 0.20
A1. 2 $d_i = (26\pm1) ~\mathrm{\mu м}$ 0.20
A2  0.40 Оцените диаметр дифракционного максимума на матрице CCD камеры. Считайте, что длина волны $\lambda = 800\,\mathrm{нм}$ (наиболее интенсивная длина волны красного гиганта).

A2. 1 Формула $ 1.22 \frac{\lambda f}{\sqrt{A/\pi}}$ 0.10
A2. 2 $D= (5.6 \pm 0.2)~\text{м}$ 0.10
A2. 3 $35~\mathrm{\mu м} \le d_d \le 47~\mathrm{\mu м}$ 0.20
A3  1.00 Если CCD не охлаждается и может терять теплоту только из-за излучения с поверхности матрицы, какая будет установившаяся температура в области изображения красного гиганта? Считайте, что поверхность CCD матрицы является черным телом. Укажите формулу и вычислите.

A3. 1 Мощность источника $P_g = 4 \pi r^2_o \sigma T^4_g$ 0.20
A3. 2 Интенсивность в месте зеркала $I_g = \frac{P_g}{4\pi D_o^2} = \frac{r_o^2}{D_o^2} \sigma T_g^4$ 0.20
A3. 3 Мощность на изображение $P_i = A \frac{r_o^2}{D_o^2} \sigma T_g^4 = A \frac{r_i^2}{f^2} \sigma T_g^4$ 0.20
A3. 4 Площадь изображения с учетом дифракции $a' = \left(\frac{d_i+d_d}{d_i}\right)^2 \pi r_i^2$ 0.10
A3. 5 Формула без дифракции $T_p = \left( \frac{A}{\pi f^2} \right)^{1/4} T_g$
Формула c дифракции $T_p = \left( \frac{A}{2.73 \pi f^2} \right)^{1/4} T_g$
0.10
A3. 6 Ответ без дифракции $T_p \approx 530 \pm 10 \mathrm{~К}$
Ответ с дифракции $T_p \approx 320 \pm 10 \mathrm{~К}$
0.20
B1  0.40 Используя график темнового тока, оцените по порядку температуру удалённого источника фотонов теплового излучения, которые смогут возбудить электроны в пикселях камеры.

B1. 1 наклон графика 0.20
B1. 2 $T_{graph} = 230 \mathrm{~К}$ 0.10
B1. 3 $T_{source} = 1380 \mathrm{~К}$ 0.10
B2  0.40 Получите выражение для погрешности общего количества отсчетов $\sigma_t$, если известны шум считывания (read out noise) $\sigma_r$, темновой ток $i_d$, количество прилетов фотонов в секунду $p$, время экспозиции $\tau$.

B2. 1 погрешность темнового тока $\sigma_d=\sqrt{i_d \tau}$ 0.10
B2. 2 верное количество фотонов $p \tau$ 0.10
B2. 3 полная погрешность как сумма квадратов
$\sigma_t^2 = \sigma_r^2 +(i_d+p)\tau$
0.20
B2. 4 если просто сумма, тогда 0.1
$\sigma_t = \sigma_r + \sqrt{i_d \tau} + \sqrt{p \tau}$
0.10
B3  0.50 Считайте, что рабочая температура $T_{\mathrm{p}} = 7.5\,\mathrm{K}$. Вычислите минимальное количество прилета фотонов в секунду $p$ для случая, когда количество отсчетов фотонов в десять раз больше погрешности.

B3. 1 $i_d = (5\pm1) \mathrm{~e/s}$ 0.20
B3. 2 $1\le i_d \le 10$ 0.10
B3. 3 Формула $P^2 = 100 (\sigma_r^2 +i_d \tau + P)$ 0.10
B3. 4 $0.206 \le p \le 0.25$ 0.20
B3. 5 $0.1 \le p \le 0.3$ 0.10
B4  0.50 Считайте, что все фотоны такие, что их только-только достаточно для возбуждения электронов через энергетический барьер. Чему в этом случае равна интенсивность источника фотонов из пункта B3 на первичном зеркале. Выразите ответ в $\mathrm{Вт/м^2}$.

B4. 1 $E_\lambda = (2\pm 0.1) \times 10^{-20} \mathrm{Дж}$ 0.30
B4. 2 Если ошибка в $\ln 10$ раз -0.10
B4. 3 $I = (1.8 \pm 0.2) \times 10^{-22} \mathrm{~Вт/м^2}$ 0.20
C1  2.40 Выразите равновесные температуры 1-й и 5-й пластин через $I_0$ (интенсивность падающего солнечного излучения) и константы $\alpha$ и $\beta$, а также любые необходимые физические постоянные. Для упрощения выражений можете любые комбинации величин $\alpha$ и $\beta$ обозначать как новые константы.

C1. 1 Суммарный поток в лист 1 (выражение 11) 0.20
C1. 2 "Суммарный" поток из i в j (выражение 12) 0.20
C1. 3 Суммарный поток из листа 5 (выражение 13) 0.20
C1. 4 Суммирование для исключения температур (выражение 20) 0.20
C1. 5 Выражение для потоков энергии (выражение 21) 0.20
C1. 6 Рекурсивная формула для $Q_{ij}$ (выражение 22) 0.20
C1. 7 Поток энергии для листа 1 (выражение 23) 0.20
C1. 8 Поток энергии для листа 5 (выражение 24) 0.20
C1. 9 Упрощенная сумма (выражение 26) 0.20
C1. 10 Найдено $k$ (выражение 27) 0.20
C1. 11 Ответ для $T_1$ (выражение 28) 0.20
C1. 12 Ответ для $T_5$ (выражение 29) 0.20
C2  1.60 Используя геометрические параметры пластин и считая их поглощательную способность равной $\epsilon = 0.05$, получите численные оценки для $\alpha$ и $\beta$.

C2. 1 Площадь зазора (выражение 42) 0.20
C2. 2 Оценка $\alpha$ (выражение 43) 0.20
C2. 3 Оценка $\beta$ (выражение 44) 0.20
C2. 4 Множитель 2 в обоих 0.20
C2. 5 Правильный множитель с испускательной способностью для $A$ в обоих 0.20
C2. 6 Найдено $\alpha$ 0.10
C2. 7 $0.25 \le \alpha \le 0.35$ 0.10
C2. 8 Найдено $\beta$ 0.10
C2. 9 $0.3 \le \beta \le 0.83$ 0.10
C2. 10 Найдено $\beta$ получше 0.20
C3  0.40 Рассчитайте численно температуры 1-й и 5-й пластин. Интенсивность солнечного излучения $I_0 = 1360\,\mathrm{Вт/м^2}$.

C3. 1 $T_1$ получено верно из своей формулы 0.10
C3. 2 $250 \text{ К} \le T_1 \le 400 \text{ К}$ 0.10
C3. 3 $T_2$ получено верно из своей формулы 0.10
C3. 4 $45 \text{ К} \le T_1 \le 200 \text{ К}$ 0.10
D1  1.00 Пусть 1 моль газа проходит через пористую перегородку.

В листе ответов заполните таблицу, сравнив величины, используя знаки >, <, =, или ? (если без дополнительной информации нельзя сравнить величины).

D1. 1 $P_1 > P_2$ 0.20
D1. 2 $U_1 > U_2$ 0.20
D1. 3 $S_1 < S_2$ 0.20
D1. 4 $V_1 < V_2$ 0.20
D1. 5 $T_1\text{ } ? \text{ } T_2$ 0.20
D2  0.60 Через $U$ (внутреннюю энергию), $P$ (давление) и $V$ (объем) выразите величину, которая сохраняется при прохождении 1 моля газа через пористую перегородку. Приведите подтверждающие выкладки.

D2. 1 M1 $W_1 = P_1 V_1$ 0.10
D2. 2 M1 $W_2 = - P_2 V_2$ 0.10
D2. 3 M1 Закон сохранения энергии
$U_2 - U_1 = \Delta U = Q + W_{net} = P_1 V_1 - P_2 V_2$
0.20
D2. 4 M1 Показано, что $U+PV$ сохраняется 0.20
D2. 5 M2 Классическое $\delta W = - p dV$ 0.10
D2. 6 M2 Кинетическая энергия $\delta K = -V dP$ 0.10
D2. 7 M2 Объяснение, куда идёт $\delta K$ ($T dS = - V dP$) 0.10
D2. 8 M2 $d U = T dS - P dV$ 0.10
D2. 9 M2 Интегрирование и ответ $U + PV$ 0.10
D3  1.40 Принимая $V_2 = 0.100\,\mathrm{м^3/кг}$ и $T_2 = 7.5\,\mathrm{K}$ и используя график, рассчитайте численное значение сохраняющейся величины, полученной в пункте D.2. Приведите все необходимые построения на графике.

D3. 1 Давление $P = - \left( \frac{\partial U}{\partial V} \right)_S$ 0.20
D3. 2 Концепция пересечения наклонной 0.40
D3. 3 Первая оценка для $H$ 0.20
D3. 4 Оценка нижней границы по нижней доступной кривой 0.20
D3. 5 Оценка верхней границы по верхней доступной кривой 0.20
D3. 6 Интерполяция 0.20
D3. 7 $40.5 \text{ кДж/кг} < H < 41 \text{ кДж/кг}$ 0.20
D3. 8 $40.2 \text{ кДж/кг} < H < 41.2\text{ кДж/кг}$ 0.10
D4  0.80 Найдите максимально возможную $T_1$. Приведите все необходимые построения на графике.

D4. 1 Линии начинаются из своего значения $H$ 0.20
D4. 2 Линии касаются изоэнтроп 0.20
D4. 3 The isentrope matches max $T_1$ 0.20
D4. 4 Указанная $T_1$ в пределах 0.5 К от той, что следует из построений 0.10
D4. 5 $10 \text{ К} \le T_1 \le 12 \text{ К}$ 0.10
D5  0.20 Рассчитайте значение $P_1$, соответствующее полученному вами в пункте D.4 максимальному значению $T_1$.

D5. 1 $P_1$ согласуется с наклоном графика 0.10
D5. 2 $1.6 \text{ МПа} < T_1 < 2.4 \text{ МПа}$ 0.10