Астрофизика в ЕГЭ по физике

Среди разделов физики астрофизика единственный, который почти целиком состоит из фактов, и это определяет, как к ней готовиться. Здесь не нужно выводить формулы и подбирать метод, нужно знать, чем планета-гигант отличается от планеты земной группы, какого цвета горячая звезда и почему красный сверхгигант ярче белого карлика при меньшей температуре. Тема небольшая, и при хорошей памяти её можно выучить за выходные, чего не скажешь о механике или электродинамике.

Астрономии в школе отведено мало места, и к одиннадцатому классу слово «светимость» помнят немногие. К счастью, объём ограничен кодификатором, и учить нужно именно его, а не всю астрономию. Как раздел вписан в экзамен и где стоит задание, смотрите в статье про структуру ЕГЭ по физике и в демоверсии 2027 года.

Как устроено задание

По демоверсиям прошлых лет формат астрофизического задания был таким: в условии дана таблица с характеристиками нескольких объектов, планет или звёзд, и пять утверждений о них, из которых нужно выбрать два верных. Конкретный вид сверьте по демоверсии 2027 года, но общий принцип понятен: данные дают в условии, а знания требуются для оценки утверждений. Например, в таблице указаны температура, светимость и радиус звёзд, а в утверждении сказано, что звезда относится к главной последовательности. Чтобы ответить, надо знать, как главная последовательность выглядит на диаграмме «светимость и температура».

Из формата вытекает практический вывод: заучивать цифры по планетам и звёздам бессмысленно, цифры дадут в таблице. Нужно знать связи: что больше при чём, какой объект горячее, ярче, массивнее, как возраст связан с массой, что бывает после красного гиганта. Для этого хватает качественных представлений плюс умения читать таблицу, а таблица в условии честная: она не подсказывает, но и не прячет ничего, что нельзя найти по своим знаниям.

Солнечная система

Планеты делятся на две группы. Внутренние, Меркурий, Венера, Земля и Марс, небольшие, каменные, с твёрдой поверхностью и небольшим числом спутников или вовсе без них. Внешние, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, это гиганты с огромной массой и малой средней плотностью, с кольцами и десятками спутников. Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, Уран и Нептун иногда выделяют как ледяные гиганты. Плутон теперь относится к карликовым планетам, к ним же принадлежит Церера в поясе астероидов.

Атмосферы планет различаются сильнее, чем можно ожидать. У Венеры плотная атмосфера из углекислого газа, из-за парникового эффекта поверхность там горячее, чем на Меркурии, ближайшем к Солнцу. У Марса атмосфера очень разрежена, у Меркурия её практически нет. Для утверждений вида «самая горячая планета» это знание важнее расстояния до Солнца.

Малые тела тоже важны. Пояс астероидов расположен между орбитами Марса и Юпитера, пояс Койпера лежит за Нептуном. Комета состоит из ядра изо льда и пыли, вокруг ядра вблизи Солнца образуется атмосфера, кома, а хвост всегда направлен от Солнца, поскольку его отталкивают солнечный ветер и давление света, и от направления движения кометы это не зависит. Многие ошибаются именно на этом: рисуют хвост позади кометы, как у самолёта. Метеор виден в атмосфере, метеорит упал на землю: в этих терминах легко запутаться.

Звёзды: светимость, температура, радиус

Центральная схема раздела — диаграмма, на которой по одной оси отложена температура поверхности (в обратном порядке, горячие слева), а по другой светимость. Большинство звёзд лежит на диагональной полосе, которая называется главной последовательностью: чем горячее звезда, тем она ярче. Выше неё находятся красные гиганты и сверхгиганты, холодные, но огромные, поэтому очень яркие. Ниже находятся белые карлики, горячие, но крошечные, поэтому тусклые. Радиус тут не отложен, но он следует из закона Стефана и Больцмана: светимость пропорциональна квадрату радиуса и четвёртой степени температуры. Если у двух звёзд температуры одинаковы, а светимость у одной в сто раз больше, то радиус у неё больше в десять раз.

Спектральные классы идут в порядке убывания температуры: O, B, A, F, G, K, M. Горячие звёзды голубые и белые, холодные красные. Солнце относится к классу G и обычно называется жёлтым карликом: оно находится на главной последовательности и сжигает водород в ядре. Запомнить порядок букв помогают мнемонические фразы, и они действительно нужны, потому что логики в буквах нет, она осталась в истории астрономии.

Жизнь звезды зависит от массы. Чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует топливо, поэтому массивные звёзды живут недолго, а лёгкие горят миллиарды лет. Звезда типа Солнца заканчивает жизнь так: становится красным гигантом, сбрасывает оболочку и превращается в белый карлик. Более массивные звёзды взрываются сверхновой, и остаток либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра. Эта схема нужна как логическая цепочка, а числа масс, при которых происходят те или иные превращения, вам дадут или спрашивать не будут.

Звёздная величина — величина, которая сбивает с толку тем, что устроена наоборот: чем меньше число, тем ярче звезда. Разница в пять звёздных величин соответствует различию блеска в сто раз. Для сравнения двух звёзд хватает правила: пять единиц разницы дают сто раз по блеску, одна единица около двух с половиной раз.

Расстояния и разбор одного утверждения

Расстояния в астрономии меряют единицами, которые нужно различать. Астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца. Световой год — путь, который свет проходит за год, и это единица длины, а не времени, хотя название вводит в заблуждение. Парсек — расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду, и в парсеках расстояние до звезды равно единице, делённой на её параллакс в угловых секундах. У звезды с параллаксом одна десятая секунды расстояние десять парсеков. Чем больше параллакс, тем звезда ближе.

Теперь пример разбора, как проверяют утверждение. Звезда имеет низкую температуру поверхности, порядка трёх с половиной тысяч кельвинов, и светимость в тысячи раз больше солнечной. Низкая температура означает красный цвет, класс M. Высокая светимость при такой температуре возможна, только если поверхность огромна, потому что каждый квадратный метр излучает мало. Значит, это красный сверхгигант, и утверждение «звезда принадлежит главной последовательности» неверно. Три шага рассуждения заменяют выученную карточку, и этот ход удобнее заучивания.

Ускорение свободного падения на поверхности планеты определяется массой и радиусом: оно пропорционально массе и обратно пропорционально квадрату радиуса. Планета с большей массой не обязательно притягивает сильнее, если она к тому же больше по размеру. Утверждения такого рода встречаются в условиях регулярно.

Солнце, орбиты и Вселенная

Солнце состоит в основном из водорода, примерно на три четверти по массе, остальное в основном гелий. Источник энергии — термоядерный синтез в ядре, где водород превращается в гелий, и в этом месте раздел перекликается с квантовой физикой: энергия выделяется потому, что масса продуктов меньше массы исходных ядер. От центра к краю идут ядро, зона лучистого переноса, конвективная зона, затем атмосфера: фотосфера, хромосфера, корона. Тёмные пятна на Солнце холоднее окружающей фотосферы, и их число меняется с периодом около одиннадцати лет.

Третий закон Кеплера связывает период обращения и большую полуось орбиты: отношение квадрата периода к кубу полуоси одинаково для всех планет. Если измерять период в годах, а расстояние в астрономических единицах, то для Солнечной системы квадрат периода просто равен кубу расстояния. Планета на расстоянии четыре астрономических единицы обращается за восемь лет. Расчёт делается в одну строку, и его уместно помнить как маленький подарок раздела. Второй закон Кеплера утверждает, что планета быстрее движется вблизи Солнца, чем вдали: радиус-вектор за равные промежутки времени описывает равные площади. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием, самая далёкая афелием, и у комет с вытянутыми орбитами разница скоростей в этих точках огромна.

Теперь о масштабах побольше. Млечный Путь — спиральная галактика с перемычкой, Солнце находится в рукаве, далеко от центра. Галактики по виду делят на спиральные, эллиптические и неправильные. Скопления галактик, как Местная группа, в которую входит Млечный Путь, образуют самые крупные структуры.

Закон Хаббла утверждает, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас: скорость пропорциональна расстоянию. Галактика вдвое дальше удаляется вдвое быстрее, и коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла. Признак удаления в спектре — красное смещение: линии сдвигаются в сторону больших длин волн. Расширение Вселенной и её возраст порядка четырнадцати миллиардов лет вытекают из этого закона, а реликтовое излучение считается подтверждением Большого взрыва. На экзамене достаточно знать эти связи и не путать красное смещение с цветом объекта.

Как учить и нужен ли репетитор

По-моему, астрофизика единственный раздел физики, который можно выучить без репетитора. Учебник, карточки и собственная таблица ключевых различий, которую вы составляете на листе, решают дело. Спросите себя, как объяснить сверстнику связь между цветом звезды и её температурой, и если не получается, значит, пробел в этом месте.

Подход тот же, что у всех разделов, построенных на запоминании: короткие повторения каждый день вместо одного длинного занятия. Рабочая схема выглядит так: в первую неделю вы читаете материал и составляете листы с различиями (внутренние и внешние планеты, классы звёзд, стадии эволюции), потом возвращаетесь к ним через день, через неделю и перед пробником. Каждый раз достаточно десяти минут, а проверять себя нужно вслух, без подглядывания.

К заданиям из банка ФИПИ переходите после первого круга. Решайте их с таблицей перед глазами и после каждого неверного ответа выписывайте, какой факт не знали. Через двадцать-тридцать таких записей собственный список ошибок станет лучшим конспектом, и в нём окажется ровно то, что нужно именно вам, а не усреднённому ученику. Так же учатся окислительно-восстановительные реакции в химии, и если вы сдаёте оба предмета, разбор окислительно-восстановительных реакций подскажет, как организовать повторение. Общий порядок школьных разделов описан в статье разделы школьной физики, а место астрофизики во всей работе показывает обзор что входит во вторую часть ЕГЭ по физике и химии. Если нужна помощь с физикой в целом, начните с каталога:

• репетиторы по физике для подготовки к ЕГЭ
• все репетиторы для подготовки к ЕГЭ

Вопросы и ответы

Нужно ли знать массы и расстояния до планет наизусть? Нет. В заданиях данные приведены в условии.

Откуда узнать, будет ли астрофизика в моём варианте? Из демоверсии и кодификатора года экзамена: состав работы определяют они, и от года к году перечень заданий менялся. Проверьте обоих, прежде чем тратить время. Если задание есть, ждать от него сложных вычислений не стоит: оно проверяет знание связей между характеристиками объектов.

Чем светимость отличается от звёздной величины? Светимость — полная мощность излучения звезды, собственное свойство объекта. Звёздная величина описывает блеск, то есть то, как звезду видит наблюдатель, и зависит от расстояния до неё.