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1、實驗之一太陽的差動自轉一、實驗目的由觀察太陽表面黑子的移動狀態及吸收光譜的比較 ，計算出太陽模型的重要參數 -差動自轉。二、背景知識說明1. 由黑子變化圖求差動自轉速度太陽表面各緯度自轉速度並不一致，使得磁力線拉長並扭曲纏繞於太陽表面，磁力線扭曲變形處的磁場變化使該處溫度降低，即形成黑子。黑子以其所處的緯度的速度繞太陽旋轉，藉由觀察黑子移動狀態即可求出太陽表面的自轉速度。2. 由連續光譜圖求差動自轉速度The Doppler effect：當一個光源遠離或接近觀察者時，其譜線波長變化率隨著其速度正比於光速的比例改變，即： / = / c將太陽中心與邊緣所得的光譜相互比較即可利用於計算差動自轉。
2、三、實驗方法1.由黑子變化圖求差動自轉速度：黑子群的選擇與分析將黑子動態連續圖中的黑子依據其所處緯度分為 A， B，C，D，E，F 共六群先計算其所在緯度cos =- Y / R = cos-1( - Y / R )即為黑子群所在緯度移動角度計算將太陽表面的黑子依其群落繪出運行軌跡，然後投影至上視圖，計算出相對中心點的夾角及 。黑子運行軌跡求出角位移及時間差，相除即為角速度。太陽赤道 = /t再由角速度計算出週期TT = 1 / 則得到該緯度的自轉週期2.由連續光譜圖求差動自轉速度先計算每 mm 的光譜長度所對應 1800 的波長 , 由此可知 1mm 的譜線位移相當於 0.073A 的波長變
3、化，再代入都普勒效應計算則可得徑向速度的一半，再進一步由徑向速度可求得週期 T。YR5/235/1800四、實驗器材：1.尺(精確度 1mm)，透明紙，黑子連續變化圖，圓規2.尺(精確度 1mm)，太陽吸收光譜圖五、量測數據列表1. 由黑子變化圖求差動自轉速度黑子編號初始角度 (0)末角度 ()角度差時間差角速度 轉動週期緯度0時間 (t)( )( t )()( T )時間 (t )A46.02 度112.89 度66.87 度 4.98 天13.4326.81 天北緯 14.48 度May18.67May23.65度/天B71.37 度109.47 度38.10 度 3.03 天12.572
4、8.63 天南緯 24.62 度May20.62May23.65度/天C71.87 度149.44 度77.57 度 5.99 天12.9527.80 天北緯 21.17 度May26.66June1.65度/天D51.06 度110.05 度58.99 度 4.08 天14.4624.90 天南緯 11.54 度May28.57June1.65度/天E57.20 度108.63 度51.43 度 3.25 天15.8222.76 天北緯 09.59 度June5.58June8.83度/天F40.19 度122.80 度82.61 度 5.83 天14.1725.41 天南緯 13.66 度
5、June 8.83June 14.66度/天2. 由連續光譜圖求差動自轉速度由 /=/ c= c( /) 此時速度為切線速度的一半所以 V= 2 =2 c ( /)週期 T= 2 R / V由波長 6290.971A到波長 6302.502A的距離經量測為 158mm 且同一波長的譜線位移了 1mm = ( 6302.502 - 6290.971 ) / 158 = 0.073A；的平均值為 6300A R 以 672300Km ； C 以 300000Km/s 代入可求得 T = 28.136天六、數據分析與實驗結果討論1. 由黑子變化圖求差動自轉速度將計算所得的週期數據由大至小排列，分別為
6、：B 南緯C北緯A北緯F南緯D 南緯E 北緯24.62 度21.17 度14.48 度13.66 度11.54 度09.59 度28.63 天 27.80 天 26.81 天 25.41 天 24.90 天 22.76 天以 =AB sin；為角速度，為緯度與赤道間夾角A = 14.5，B = 2.9度/ 天的式子來比較 ( 註一 )緯度0 度15 度30 度60 度75 度週期24.6 天25.4 天26.4 天31.0 天33.0 天實驗所得的週期較實際上來的長，可能為高估連續圖中太陽半徑所致。2. 由連續光譜圖求差動自轉速度此方法所求得緯度 15 度處的自轉週期為 28.136 天，比實
7、際值及由黑子變化圖求得的值均來的大。七、問題回答1.太陽自轉速度的量測有何重要性？太陽的表面振動一般均以Doppler effect 來計算，精確知道差動自轉的量才能作為表面振動量的校正，而太陽的表面振動又是探索太陽內部 (日震學 )的重要根據。所以差動自轉實為研究太陽的重要基本參數。2.除了太陽黑子與光譜之外，就所知的物理知識，還有其他的方法可以量測太陽的自轉速度嗎？3.太陽黑子不是一個點源，而且形狀每天都會有一點點改變，如何科學的定出黑子的位置進而計算出每天位置的改變？因為黑子的成因是由於太陽表面的磁力線纏繞扭曲使其成對出現，以可以以磁場的量測來作為黑子位置的參考。由於磁場會影響原子的基本能階，原子在無磁場存在時會吸收某些特定波長的光子，即能獲得其吸收譜線；但若有強磁場存在，原先的單譜線會被分開成較多條細線，分離的程度和磁場的強度有關；本性質稱為 Zeeman Effect。可以試著藉此效應量測黑子附近磁場變化，作為黑子的定位輔助。註一：參考自 FUNDAMANTAL ASTRONAMY3rd editionSpringer出版KARTTUNEN KROGER & POUTANEN DONNER所著
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