Zadanie 8: Rozszerzanie się Wszechświata i prawo Hubble'a-Lemaître'a

Arkusz
CKE Grudzień 2024 · Grudzień · 2024
Punkty
3 pkt
Dział
Fizyka jądrowa · Ewolucja Słońca i innych gwiazd
Trudność
Poziom trudności: średnie
Zadanie dotyczy analizy prędkości oddalania się galaktyk w modelu rozszerzającego się Wszechświata na podstawie diagramów odległości.

Treść zadania

Na diagramie 1. przedstawiono aktualne położenie względne obserwatora O i dwóch galaktyk α oraz β. Odległości między α, β oraz O są rzędu dziesiątek milionów lat świetlnych. Na płaszczyźnie diagramu 1. naniesiono siatkę ukazującą stosunki odległości między α, β oraz O. Długość boku kratki na diagramie 1. odpowiada umownej jednostce odległości. Przyjmij następujące założenia: • prędkości oddalania się galaktyk α oraz β od obserwatora O wynikają jedynie z rozszerzania się Wszechświata (pomijamy ruchy lokalne galaktyk) • Wszechświat rozszerza się tak samo we wszystkich kierunkach • przestrzeń ma euklidesową geometrię. Zadanie 8.1. (0–2) Aktualne prędkości galaktyk α i β względem O oznaczymy odpowiednio jako v⃗α\vec{v}_{\alpha} i v⃗β\vec{v}_{\beta}. Na diagramie 2. narysowano i oznaczono prędkość v⃗α\vec{v}_{\alpha}. Długość boku kratki na diagramie 2. odpowiada umownej jednostce prędkości. Na diagramie 2. narysuj wektor aktualnej prędkości v⃗β\vec{v}_{\beta} galaktyki β względem O. Zachowaj odpowiedni kierunek, zwrot oraz dokładną długość wektora, odpowiadającą wartości aktualnej prędkości v⃗β\vec{v}_{\beta}. Zadanie 8.2. (0–1) Na diagramie 3. przedstawiono położenie galaktyki α w pewnej chwili tpt_p odległej przeszłości. Położenia galaktyki β w chwili tpt_p nie oznaczono. Długość boku kratki odpowiada umownej jednostce odległości – tej samej, co na diagramie 1. Na diagramie 3. oznacz kropką i podpisz jako β(tp)\beta(t_p) położenie galaktyki β w chwili tpt_p. Uwaga! Położenie β(tp)\beta(t_p) znajduje się w punkcie kratowym siatki diagramu.

Odpowiedź i wynik końcowy

W zadaniu 8.1 wektor v⃗β\vec{v}_{\beta} powinien mieć długość dwukrotnie większą niż wektor v⃗α\vec{v}_{\alpha} (wynika to z dwukrotnie większej odległości galaktyki β od obserwatora O na diagramie 1) i być skierowany wzdłuż prostej łączącej O z β. W zadaniu 8.2 punkt β(tp)\beta(t_p) należy wyznaczyć, uwzględniając skalę rozszerzania się przestrzeni w czasie.

Wideo-rozwiązanie krok po kroku

Obejrzyj publiczne rozwiązanie wideo na YouTube