Astronomy 3 Midterm 1 Study Guide PDF

Astronomy  3:  Study  Guide  for  Midterm  #1     Reading:  Chapters  1  -­‐  6     Topics:  Basics     The  Sky     History                ...

Astronomy  3:  Study  Guide  for  Midterm  #1     Reading:  Chapters  1  -­‐  6     Topics:  Basics     The  Sky     History                              Physics  Fundamentals                              Light                              Telescopes                              The  Solar  System,  Overview     1.  Basics   o What  is  scientific  notation  and  how  do  we  use  it?     o What  is  the  definition  of  an  AU?     o What  is  the  definition  of  a  light  year  (recall:  c=3x10^5  km/s)     o How  many  seconds  are  there  in  a  year?     o What  is  the  scale  of  the  solar  system  (in  AU)?       o What  is  the  scale  of  the  Milky  Way  (in  light  years)?     o Example:  calculate  the  distance  in  a  light  year.     2.  The  Sky     o What  is  the  celestial  sphere?     o Define  these  terms  relevant  to  the  celestial  sphere:  right  ascension,   declination,  the  ecliptic,  the  celestial  equator,  equinoxes,  the  north   celestial  pole?     o How  many  degrees  are  there  in  a  circle?     o How  do  we  convert  between  degrees,  arcmninutes,  and  arcseconds?     o Example:  Convert  between  arcseconds  to  arcminutes,  and  arcminutes   to  degrees?  The  full  moon  has  a  diameter  of  0.5  degrees.  Express  this   angular  size  in  arcminutes  and  arcseconds.     o What  is  Polaris?  Where  is  Polaris?      o Define  these  terms  relevant  to  your  local  sky:  altitude,  azimuth,   meridian,  zenith     o What  is  the  cause  of  Earth's  seasons?     o What  is  Earth's  axis  tilt?  What  is  precession?     o What  causes  the  phases  of  the  Moon?     o What  causes  a  solar  eclipse?  A  lunar  eclipse?     o What  is  the  phase  of  the  Moon  during  a  total  solar  eclipse?  A  total   lunar  eclipse?       3.  History   o Who  was  Ptolemy?  Aristarchus?  Eratosthenes?     o What  is  retrograde  motion  of  the  planets?     o What  is  stellar  parallax,  and  what  causes  it?       o Who  was  Copernicus?  Tycho?  Galileo?  Kepler?  Newton?  Why  is  each   of  these  people  famous?     o What  are  Kepler's  3  laws  of  motion?     o Example:  How  long  does  it  take  an  asteroid  at  an  orbit  of  4  AU  to  orbit   the  Sun?       4.  Physics  Fundamentals     o What  are  speed,  velocity,  and  acceleration?     o What  is  the  difference  between  a  vector  and  a  scalar?     o What  is  the  difference  between  mass  and  weight?     o What  are  momentum,  force,  and  angular  momentum?     o What  are  Newton's  three  laws  of  motion?     o Example:  The  same  force,  F,  is  applied  to  M1  and  M2.  M2  is  4  times   more  massive  than  M1.  How  do  the  accelerations  of  M1  and  M2  (a1   and  a2)  compare?      o What  are  three  conserved  quantities  in  a  physical  system  that  is  not   subject  to  any  external  forces?     o Example:  Consider  a  ball  (projectile)  thrown  up  in  the  air.  Describe   the  relative  amounts  of  kinetic  and  gravitational  potential  energy  that   the  ball  has  at  different  points  along  its  trajectory.         o What  are  the  units  of  Kinetic  Energy?     o What  are  the  fundamental  units  of  a  Joule  (in  terms  of  kg,  m,  s)?     o What  is  the  difference  between  temperature  and  heat?     o What  is  the  expression  for  the  gravitational  force  between  two   masses,  M1  and  M2,  separated  by  a  distance,  d?     o Example:  What  happens  to  the  gravitational  force  when  M1  increases   by  a  factor  of  3?  When  M2  decreases  by  a  factor  of  3?  When  d  is  3   times  larger?  3  times  smaller?     o What  is  Newton's  version  of  Kepler's  3rd  law?  What  is  the   approximation  to  this  law  when  M1  is  much  greater  than  M2  (i.e.,  in   the  case  of  Earth  and  a  baseball,  or  the  Sun  and  any  one  of  the  planets   in  the  solar  system)?         o Example:  There  is  a  planet  1  AU  from  a  star.  It  takes  this  planet  3   years  to  complete  one  orbit.  How  does  the  mass  of  the  star  compare   with  the  mass  of  the  Sun?       5.  Light     o What  is  the  wave  /  particle  duality  of  light?     o What  is  the  relation  between  wavelength,  frequency,  and  speed  of   light,  c?     o What  is  the  relation  between  photon  energy  and  frequency,  and   photon  energy  and  wavelength?     o What  are  the  different  regions  of  the  electromagnetic  spectrum?     o Example:  A  blue  photon  has  lambda=400  nm,  while  a  green  photon   has  lambda=500  nm.  How  do  the  frequencies  compare  for  the  blue   and  green  light?  What  about  the  photon  energies?      o What  is  the  difference  between  reflection  and  emission?     o What  are  energy  levels?  What  are  the  energy  levels  of  the  Hydrogen   atom?     o What  are  the  two  laws  of  thermal  radiation  we  discussed  in  class  -­‐-­‐   i.e.,  what  does  Wien's  law  state?  What  about  the  Stefan-­‐Boltzmann   law?     o What  is  the  Doppler  shift?     o Example:  The  rest  wavelength  of  a  certain  emission  line  from  ionized   oxygen  occurs  at  lambda_rest=500.7  nm.    This  feature  is  observed  at   lambda_obs=502.8  nm.  What  can  you  conclude  about  the  motion  of   the  gas  cloud  giving  rise  to  that  observed  emission  line?       6.  Telescopes   o How  does  a  telescope's  collecting  area  scale  with  primary  mirror   diameter?     o Example:  How  does  the  collecting  area  of  a  30  meter-­‐diameter   telescope  compare  with  that  of  a  10-­‐meter  telescope?     o How  does  a  telescope's  angular  resolution  scale  with  primary  mirror   diameter?     o What  are  some  of  the  key  disadvantages  of  ground-­‐based  telescopes   compared  to  those  in  space?       7.  The  Solar  System,  Overview     o What  are  the  relative  masses  of  the  Sun  and  the  other  planets  in  the   Solar  system?     o What  is  the  scale  of  the  solar  system?  What  is  the  separation  between   the  Earth  and  the  Sun  in  terms  of  the  Sun's  diameter?     o What  is  the  average  radius  of  Jupiter's  orbit?  Neptune's?     o Between  which  two  planet's  orbits  is  the  asteroid  belt  located?     o Do  all  planets  orbit  the  Sun  in  the  same  direction?      o Describe  the  relation  between  orbital  and  rotational  motion  for  the   planets  in  the  Solar  System  (think  in  terms  of  the  axis  tilts  of  the   various  planets).     o What  is  the  relationship  between  axis  tilt  and  seasonal  variation?     o Describe  the  key  differences  between  the  families  of  terrestrial  and   Jovian  planets.     o Describe  the  key  phases  of  the  formation  of  the  solar  system  in  the  so-­‐ called  "nebular  theory".     o Which  types  of  conservation  laws  are  relevant  for  describing  the   formation  of  the  solar  system?     o What  is  the  frost  line?     o What  is  the  current  theory  for  how  Earth's  Moon  formed?     o How  do  we  estimate  the  age  of  the  Solar  system?     o What  is  Potassium-­‐40?  What  is  Argon-­‐40?     o What  is  a  half-­‐life?