home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Starbase One Astronomy & Space Collection / STARBASE_ONE.ISO / a96 / disk07 / plt.exe / PLTVER41.EXE / ACTIVITY.TXT next >
Text File  |  1993-12-06  |  38KB  |  828 lines

  1.                          An Activity Guide to Accompany
  2.                                  PLANET TRACKER 
  3.                                    Version 4.1
  4.  
  5.                       by David Chandler and Michael Zeilik 
  6.                  (c) 1993 by David Chandler and Michael Zeilik 
  7.  
  8. This software and activity guide are specifically designed to be used with 
  9. CONCEPTUAL ASTRONOMY (by M. Zeilik, 1st edition, 1993), ASTRONOMY: THE EVOLVING 
  10. UNIVERSE (by M. Zeilik, 7th edition. 1994), and ASTRONOMY: THE COSMIC 
  11. PERSPECTIVE (by M. Zeilik and J Gaustad, 2nd edition, 1990), all published by 
  12. John Wiley & Sons. Those using other texts will find it equally useful.
  13.  
  14. Directions for running the program and producing worksheets are provided within 
  15. the program itself. Select "Help Topics / Notes" from the main menu to read 
  16. selected information from the screen or print out all or part of the help file. 
  17.  
  18. All computations in the program are based on Keplerian orbits using mean 
  19. orbital elements as described in Astronomical Algorithms by Jean Meeus. Given 
  20. the small scale of the charts, the algorithms are perfectly adequate for their 
  21. intended purposes. They are not suitable for critical uses such as navigation, 
  22. but they have more than sufficient accuracy for general observational purposes 
  23. well into the next century. For instructional purposes, to illustrate the 
  24. patterns of planetary motion, they may be run for several thousand years. The 
  25. algorithms lose validity and will eventually generate bizarre results if 
  26. allowed to run tens of thousands of years into the future. 
  27.  
  28.  
  29.                                Program Overview
  30.  
  31. The authors of "Planet Tracker" are both teachers of astronomy, and the program 
  32. was designed with the students in mind. "Planet Tracker" is a tool to 
  33. investigate the laws of planetary motion create printed planet charts and 
  34. worksheets in a variety of useful formats. The program is sharply focused on 
  35. concepts of planetary motion that most of our students find difficult to grasp. 
  36.  
  37. You can think of the program as a simulation of the "raw" data from which 
  38. models of planetary motion were derived. The key to the program's usefulness, 
  39. however, is the way it displays this information. It allows us to see planetary 
  40. motion from vantage points that were available to Copernicus and Kepler only in 
  41. their imaginations. You will find that this program is very easy to learn as we 
  42. have been very selective in its capabilities. All screens have instructions at 
  43. the bottom. You can leave any screen by hitting the "ESC" key. 
  44.  
  45. The collection of exercises and activities that follow is presented only to 
  46. suggest a few of the many possibilities. This file (ACTIVITY.TXT) is straight 
  47. ASCII text. You are encouraged to import it into a word processor and modify it 
  48. to meet your own needs. You may also print it out from the "Main Menu" of 
  49. Planet Tracker. The exercises are divided into two categories: those using 
  50. printouts only and those requiring direct student access to computers. We 
  51. envision that this program will be used in a laboratory or small class setting. 
  52. If you have enough computers for a small class, you will want to instruct the 
  53. students in running the animations themselves. In that case, you will need a 
  54. site license to run the program at the same time on multiple machines. For 
  55. information on site licenses, which cost an additional $50, contact David 
  56. Chandler Co., P. O. Box 309, La Verne, CA 91750. However, it is possible to 
  57. develop "short" activities to use in larger classes. I (M.Z.) have done so with 
  58. classes of 200 to 300 students at a time. 
  59.  
  60.  
  61.  
  62.                              Suggested Exercises
  63.                    (Student access to computers NOT required)
  64.  
  65. 1. Planet Calendar
  66.  
  67. Introduction
  68.  
  69. The simplest use of the heliocentric planet charts is to pin them on the 
  70. bulletin board and keep track of the positions of the planets from week to 
  71. week. 
  72.  
  73. Text References
  74.  
  75. Conceptual, Sections 1.2 and 1.3; Evolving, Sections 1.2 and 1.4; Cosmic, 
  76. Sections 1.2 and 1.4. 
  77.  
  78. Procedure
  79.  
  80. Use the heliocentric charts as a bulletin board display and update the planet 
  81. positions daily or weekly. Using transparencies, the orbits can be projected 
  82. onto butcher paper and traced at a larger scale. With the right adjustments, 
  83. both the inner and outer planets can be combined into a single diagram.
  84.  
  85. Key Concepts
  86.  
  87. Through daily contact with this display, your students should learn to: 
  88. => associate the length of a year with the orbit of the earth. 
  89. => become familiar with the relative speed of the solar system orbits. 
  90. => notice the high speed of the inner planets compared to the slow movement of 
  91.    the outer planets. 
  92. => recognize that the planet orbits are not concentric circles. 
  93.  
  94.  
  95. 2. Identifying the Planets in the Sky Using the Zodiac Time Line
  96.  
  97. Introduction 
  98.  
  99. The planets are easy to pick out because they are as bright or brighter than 
  100. any of the stars. Once the planets are found the first time they are easy to 
  101. pick out on subsequent nights and their motions can be followed.
  102.  
  103. Text References
  104.  
  105. Conceptual, Sections 1.2 and 1.3; Evolving, Sections 1.2 and 1.4; Cosmic, 
  106. Sections 1.2 and 1.4. 
  107.  
  108. Procedure
  109.  
  110. Start by locating the zodiac in the sky. One way to do this is to watch the 
  111. moon. It follows the zodiac from one night to the next, although it strays 
  112. farther from the ecliptic than most of the planets. Locate the sun on the 
  113. zodiac chart. The half of the zodiac to the left of the sun (wrapping around if 
  114. need be) is the portion visible in the evening. Identify the bright stars that 
  115. lie along the zodiac. Any bright star out of place in this region of the sky is 
  116. most likely a planet.
  117.  
  118. Venus is the brightest starlike object in the sky, whenever it is visible. 
  119. Jupiter is also brighter than any star. Saturn is about the brightness of the 
  120. brightest stars and is a pale yellow color. Mars can be as bright as Jupiter or 
  121. as faint as a second magnitude star depending on its distance from the earth. 
  122. Mercury is as bright as the brightest stars, but it is usually only visible in 
  123. the twilight. Checking the chart is critical to success in identifying Mercury. 
  124. If several planets are visible in the evening at once, notice that they, along 
  125. with the moon (if it is up), form a line close to the ecliptic.
  126.  
  127. Once the planets are identified they are easy targets for small telescopes. 
  128. Saturn shows its rings in even the smallest telescopes. Jupiter's moons are 
  129. visible in small telescopes or even binoculars, changing positions from one 
  130. night to the next. Mars looks like a tiny orange dot, but still clearly 
  131. different from a star, which appears as a point of bright light. Venus and 
  132. Mercury show phases but no surface details in a telescope. Crescent phases 
  133. occur as they are moving retrograde (left to right on the chart), crossing 
  134. between the earth and the sun. 
  135.  
  136. Key Concepts
  137.  
  138. After completing this exercise, students should be able to 
  139. => gain familiarity with the constellations and bright stars. 
  140. => recognize planets as bright "starlike" objects that progress through the 
  141.    sky. 
  142. => gain experience using a telescope.
  143. => recognize the difference between a star and a planet in a telescope. 
  144.  
  145.  
  146.  
  147. 3. Translating Heliocentric Orbit Diagrams to Earth's Perspective 
  148.  
  149. Introduction
  150.  
  151. The heliocentric view of the solar system is the simplest way to describe 
  152. planetary motion, but at first it seems unrelated to the complex way the 
  153. planets move in the sky from earth's perspective. This exercise helps form a 
  154. bridge between the two. 
  155.  
  156. Text References
  157.  
  158. Conceptual, Sections 2.2 and 2.3; Evolving, Sections 2.4 and 3.2; Cosmic, 
  159. Sections 2.4 and 3.2. 
  160.  
  161. Procedure 
  162.  
  163. Print out a heliocentric orbit chart for the current date. Draw an arrow from 
  164. the earth, passing through the sun, all the way across the page. Mark this 
  165. arrow with heavy lines. Now draw lines from the earth to each of the planets. 
  166.  
  167. Face south and point the sun arrow of the diagram to where the sun is at noon. 
  168. Hold the paper roughly parallel to the ecliptic plane. Each of the other arrows 
  169. should now be pointing at its respective planet, but the planets cannot be seen 
  170. easily in daylight. Now rotate the sheet in the plane of the paper so that the 
  171. sun arrow points toward the western horizon. Any planets to the left of the sun 
  172. will still be up after the sun has set. Continuing to rotate the paper until 
  173. the sun arrow points to the eastern horizon, you can see that any planet to the 
  174. right of the sun should be up in the morning sky. 
  175.  
  176. Key Concepts 
  177.  
  178. Many students keep information about 3-dimensional "space" and their direct 
  179. perceptions of the 2-dimensional "sky" in separate compartments in their minds. 
  180. Any exercise that links the two will help clarify their understanding of both. 
  181.  
  182.  
  183. 4. Relating the Heliocentric Orbit Diagrams to the Time Lines
  184.  
  185. Introduction
  186.  
  187. The previous exercise uses the heliocentric charts to relate the positions of 
  188. the planets in their orbits with where they appear in the sky at night. The 
  189. heliocentric charts can also illuminate the time lines, which in turn clarify 
  190. how the planets move in the sky. 
  191.  
  192. Text References 
  193.  
  194. Conceptual, Sections 1.2, 1.3, and 2.3; Evolving, Sections 1.2, 1.4, and 3.2; 
  195. Cosmic, Sections 1.2, 1.4, and 3.2.
  196.  
  197. Procedure
  198.  
  199. Draw arrows from the earth through the sun and from the earth through each of 
  200. the planets on a heliocentric chart as in the previous exercise. Measure the 
  201. angle of each planetary arrow from the arrow pointing at the sun. This tells 
  202. how many degrees left or right of the sun to look to find each planet. 
  203.  
  204. Find the corresponding date on the solar time line and mark it with a dark 
  205. horizontal line across the page. The total width of the chart represents 360 
  206. degrees wrapped around the sky, so each quarter of the chart represents 90 
  207. degrees. Mark the location of each planet for that date and compare with the 
  208. angles measured from the heliocentric chart. They should agree. 
  209.  
  210. Now compare the positions with the same date on the zodiac time line. The view 
  211. may be shifted, but the positions of the planets relative to the sun should be 
  212. the same. 
  213.  
  214. From the heliocentric chart you can find the distance of a planet from the 
  215. earth, whereas the time lines show the planet's position projected onto the 
  216. sky. From the heliocentric charts, where would you expect Mars to appear it's 
  217. brightest? What is the elongation angle at that point? Where would it be on the 
  218. time lines at that point? Where should you look to find Mars in the sky when it 
  219. is at its brightest? 
  220.  
  221. As a final check, print out a heliocentric chart and block out the data at the 
  222. top of the page. From an extended zodiac or solar time line the student should 
  223. be able to figure out the date of the chart to within a few days. 
  224.  
  225. Key Concepts
  226.  
  227. The different charts present similar information in different forms. The 
  228. heliocentric charts preserve the 3-dimensionality and indicate distances, 
  229. whereas the time lines do not. On the other hand, the times lines better show 
  230. how the planets move with time. These charts illustrate how similar information 
  231. can be represented in very different formats. 
  232.  
  233. 5. Planetary Aspects
  234.  
  235. Introduction
  236.  
  237. The terms conjunction, greatest elongation, quadrature, and opposition are 
  238. called planetary aspects. They have to do with the angle between the sun and a 
  239. planet along the ecliptic. Note: None of Zeilik's textbooks use the term 
  240. "quadrature" in an effort to keep technical terms to a minimum. You may, 
  241. however, want to introduce it in your class. 
  242.  
  243. Text References
  244.  
  245. Conceptual, Sections 1.2, and 2.3; Evolving, Sections 1.4 and 3.2; Cosmic, 
  246. Sections 1.4 and 3.2.
  247.  
  248. Procedure 
  249.  
  250. On a heliocentric chart of the inner solar system, plot the two points where 
  251. Venus would be in line with the sun. When Venus is between the earth and sun it 
  252. is said to be at inferior conjunction. When it is behind the sun it is a 
  253. superior conjunction. Is Mars ever in conjunction with the sun? Is Mars ever at 
  254. inferior conjunction with the sun? Would you ever be able to see any planet at 
  255. either kind of conjunction with the sun? 
  256.  
  257. Opposition occurs when a planet is opposite the sun in the sky. Locate the 
  258. points on the heliocentric chart where Mars would be at opposition. How do you 
  259. expect the viewing of Mars would be in a telescope when it is near opposition 
  260. compared with elsewhere in its orbit? 
  261.  
  262. Is Venus ever at opposition? What would be the aspect of earth as seen from 
  263. Venus (if you could see through the clouds on Venus) when Venus is at inferior 
  264. conjunction? What would be the aspect of earth as seen from Mars when Mars is 
  265. at opposition? 
  266.  
  267. Greatest elongation occurs when the elongation angle of an inferior planet is 
  268. maximum. Locate the points of greatest elongation for Venus. Does the line from 
  269. earth to Venus hit tangent to the orbit of Venus? If not, is there a greater 
  270. angle of elongation for Venus than the one you chose? 
  271.  
  272. Quadrature takes place when the elongation of an outer planet is 90 degrees. 
  273. (The elongations of the inner planets never reach 90 degrees. Why?) Find two 
  274. places on the orbit of Mars when it is at quadrature. If you were on Mars 
  275. looking at the earth, in what aspect would the earth be? In what aspect would 
  276. you see earth from Venus when Venus is at greatest elongation? 
  277.  
  278. Finally, identify on the zodiac time line or the solar time line the points 
  279. where Venus is at superior conjunction, inferior conjunction, and greatest 
  280. elongation. Identify points where Mars is at quadrature and opposition. 
  281.  
  282. Key Concepts
  283.  
  284. Understanding planetary aspects involves spatial perception skills. Some 
  285. students may need coaching to answer how the earth would appear from some other 
  286. point of view. Acting out these relationships with the aid of the heliocentric 
  287. charts can be a significant aid to understanding. 
  288.  
  289. 6. Phases of the Planets 
  290.  
  291. Introduction
  292.  
  293. Planets have phases just like the moon. Phases are caused by the varying angle 
  294. of lighting from the sun. Many students misunderstand the phases of the moon; 
  295. they believe that they are seeing the earth's shadow on the moon (as in a lunar 
  296. eclipse). Introducing the phases of the planets may be an alternative approach 
  297. to the same conceptual problem. 
  298.  
  299. Text References
  300.  
  301. Conceptual, none; Evolving, Section 4.1 (see Figure 4.5); Cosmic, Section 4.1 
  302. (see Figure 4.5). 
  303.  
  304. Procedure 
  305.  
  306. Find a day on the solar time line (or any other resources of the program) when 
  307. Venus is closer to the earth than the sun and Mercury is farther from the earth 
  308. than the sun, or vice versa. Print out a heliocentric chart for that day. For 
  309. each of the two planets, draw a line from the planet to the sun and from the 
  310. planet to the earth and extend those lines across the page so they form an 
  311. angle whose vertex is at the planet. One line represents our line of sight, the 
  312. other represents the direction of lighting. 
  313.  
  314. In a darkened room with a bare light bulb and a tennis ball, place the ball in 
  315. the position of the planet. Place the bulb so it illuminates the planet along 
  316. the line from the sun to the planet. Place your eye at the level of the table 
  317. so that you are looking along the line of sight from the earth toward the 
  318. planet. Sketch the shape of the illuminated portion of the ball from this 
  319. perspective. Repeat for the second planet. Move the ball representing the 
  320. planet to various positions around the bulb representing the sun. When is it 
  321. gibbous and when is it a crescent? Is it ever truly full when it can be seen 
  322. from our point of view? 
  323.  
  324. Ptolemy thought Venus went in a circle centered at a point between us and the 
  325. sun. How would the cycle of phases look if that were the case? Would Venus 
  326. ever have a full phase? Galileo was the first one to observe the phases of 
  327. Venus with a telescope. How could his observations tell if Ptolemy were 
  328. correct? Or wrong!
  329.  
  330. Does Mars have changing phases? (Yes!) Does it go through crescent phase? (No!) 
  331.  
  332. Key Concepts
  333.  
  334. => Phases are not logically limited to the moon, but rather apply to any object 
  335.    illuminated by an outside source where the direction of lighting changes 
  336.    over time. 
  337.  
  338. => Inferior planets
  339.  
  340. 7. Inferior and Superior Planets
  341.  
  342. Introduction
  343.  
  344. Inferior planets are defined as the planets whose orbits lie within the earth's 
  345. orbit. Superior planets lie outside the earth's orbit. This is the determining 
  346. factor in how the planets appear to move in the sky. Note: None of Zeilik's 
  347. textbooks use the terms "inferior" and "superior" in an effort to keep 
  348. technical terms to a minimum. You may, however, want to introduce them in your 
  349. class.
  350.  
  351. Text References
  352.  
  353. Conceptual, Section 1.2; Evolving, Section 1.4; Cosmic, Section 1.4. 
  354.  
  355. Procedure
  356.  
  357. On the heliocentric charts find the largest elongation angle possible for 
  358. Mercury and again for Venus. When a planet is to the left of the sun it remains 
  359. in the evening sky after sunset. Will either Mercury or Venus ever be found in 
  360. the eastern evening sky or in the western morning sky? Will either planet ever 
  361. be visible at midnight? Why are Mercury and Venus referred to as morning and 
  362. evening stars? Does either planet ever go through opposition? Do any of the 
  363. superior planets ever pass in front of the sun? 
  364.  
  365. On the solar time line the paths of the inferior planets behave very 
  366. differently from the paths of the superior planets. The superior planets move 
  367. continuously from left to right, pass behind the sun, and wrap around at the 
  368. opposition point behind the earth. The inferior planets, on the other hand, 
  369. move right to left behind the sun and left to right as they cross back in front 
  370. of it from our point of view on earth. Can you explain why they behave 
  371. oppositely? (Hint: who passes whom in the race among then planets to get around 
  372. the sun?) 
  373.  
  374. Key Concepts
  375.  
  376. => How a planet appears to move depends on whether we view it from outside or 
  377.    inside its orbit. 
  378. => The earth moves faster than the superior planets and slower than the 
  379.    inferior planets. This affects their apparent direction of motion through 
  380.    the sky. 
  381. => Superior planets never pass between the earth and the sun and inferior 
  382.    planets never circle to the far side of the earth from the sun. 
  383.  
  384.  
  385. 8. Regularities of Planetary Motion 
  386.  
  387. Introduction
  388.  
  389. Planetary motion as observed from the earth is well represented by the zodiac 
  390. time line. The regularities in the motions on this chart are clues to the 
  391. motions we would observe from space. 
  392.  
  393. Text References
  394.  
  395. Conceptual, Sections 1.2 and 1.3; Evolving, 
  396. Sections 1.4 and 3.2; Cosmic, Sections 1.4 and 3.2.
  397.  
  398. Procedure
  399.  
  400. Print out a Zodiac Time Line covering at least three years. Find a date when 
  401. one of the superior planets is at opposition and another is behind the sun. 
  402. Print out an outer solar system geocentric and matching heliocentric plot for 
  403. that data. (Use a multiple of ten days as the plotting interval, since the 
  404. zodiac time line is plotted in multiples of ten days.) When does retrograde 
  405. motion occur on the zodiac time line? What is occurring on the heliocentric 
  406. and geocentric charts at that time? When does maximum prograde motion occur? 
  407.  
  408. Note the orbit of Mars in particular. How long does it take to move from behind 
  409. the sun to quadrature (half way to opposition)? How long does it take to move 
  410. from quadrature to opposition? Compare these times for Jupiter and Saturn as 
  411. well. What progression do you observe? Plot the points of quadrature for Mars, 
  412. Jupiter, and Saturn on the heliocentric chart. Are we as off center with 
  413. respect to Jupiter or Saturn as we are for Mars?
  414.  
  415. Speaking of asymmetries, can you explain why the inferior planets take longer 
  416. to go from right to left than from left to right across the sun on the time 
  417. lines? (Consider where the points of greatest elongation are on the 
  418. heliocentric chart.) Why is Venus' path more asymmetric than Mercury's? 
  419.  
  420. 9. Sidereal versus Synodic Periods 
  421.  
  422. Introduction 
  423.  
  424. How long does it take the hands of a clock to move from one alignment to the 
  425. next? Consider their angular rates (the reciprocals of their periods). The fast 
  426. hand moves at 1 rev/h, the slow hand moves at 1/12 rev/h, therefore the fast 
  427. hand gains on the slow hand at a rate of 11/12 rev/h. Taking the reciprocal of 
  428. the relative rate gives 12/11 h/rev, or 65.4545 minutes as the time between 
  429. alignments.
  430.  
  431. If the clock hands were the earth and another planet, the absolute rates would 
  432. be the sidereal rates and the relative rate would be the synodic rate. The 
  433. relation in terms of the periods is 1/Te - 1/Tp = 1/Tsyn for superior planets, 
  434. or 1/Tp - 1/Te = 1/Tsyn for inferior planets. Since our observation point is on 
  435. the earth, one of the planets participating in the race, it is only the synodic 
  436. periods of the planets that are directly observable. Given the synodic period 
  437. of a planet and the sidereal period of the earth (365.25 days), the problem is 
  438. to find the sidereal period of the planet. 
  439.  
  440. Text References
  441.  
  442. Conceptual, Section 2.3; Evolving, Section 3.2 and Focus 3.1; Cosmic, Section 
  443. 3.2. 
  444.  
  445. Procedure
  446.  
  447. Print out either the zodiac or solar time line for several years. Measure 
  448. synodic periods of each planet by counting the number of days from one 
  449. alignment with the sun to the next, preferably averaging over several cycles. 
  450. Calculate the sidereal period for each planet using the formulas above. 
  451.  
  452. As a complementary exercise, use a heliocentric chart generated for the day of 
  453. an alignment between the earth, some other planet, and the sun. Count the days 
  454. until the next alignment by stepping each planet forward the same number of 
  455. days. Compute the synodic period from the two sidereal periods using the 
  456. formula and compare your answer with the direct count. 
  457.  
  458. Key Concepts
  459.  
  460. => The sidereal period of a planet is a fundamental astronomical measurement, 
  461.    but it must be found indirectly from earth-based observations. 
  462. => The measurement of the sidereal period of Mars is the first step in Kepler's 
  463.    method for determining the orbit of Mars. 
  464.  
  465.  
  466.  
  467. 10. Determining the Orbit of Mars
  468.  
  469. Introduction
  470.  
  471. Determining the orbit of Mars is the key in Kepler's discovery of elliptical 
  472. orbits. The method consists of finding the position of Mars on pairs of dates 
  473. 687 days apart, preferably close to opposition. Since the sidereal period of 
  474. Mars is about 687 days, Mars would be at the same point in its orbit on both 
  475. days. The earth, however, would be at different locations on those two dates. 
  476. Constructing the line of sight from the earth to Mars on both dates locates the 
  477. actual position of Mars in space by triangulation. 
  478.  
  479. Text References
  480.  
  481. Conceptual, Section 2.5; Evolving, Section 3.2 (see Figure 3.7); Cosmic, 
  482. Section 3.2 (see Figure 3.9). 
  483.  
  484. Procedure
  485.  
  486. Prepare several time lines (either kind) covering at least two years each 
  487. starting shortly before an opposition of Mars. Pick pairs of dates 687 days 
  488. apart and measure the elongation of Mars on each date. If the first date is 
  489. about 20 to 30 days after an opposition, the other date will be shortly before 
  490. the next opposition. (Use a scale factor of 360 degrees = 6", which converts to 
  491. 2.36 degrees per mm. to measure angles horizontally across the time lines.) 
  492. Make a heliocentric plot of the earth's orbit at five day intervals starting 
  493. January 1. Use a protractor with the earth orbit plot to lay off the elongation 
  494. of Mars for each date. Where the lines intersect is one point on Mars' orbit. 
  495. Repeat for other pairs of dates to find more points on the orbit. Finally, 
  496. compare the plot with another heliocentric chart that contains the orbit of 
  497. Mars. 
  498.  
  499. Key Concepts
  500.  
  501. => This lab exercise uses the time lines to simulate the work of Tycho Brahe, 
  502.    but it presents the information in more concrete visual form. 
  503. => The information that is so neatly summarized in tables of planetary data is 
  504.    often not directly observable. It must be deduced by observations from our 
  505.    earth-based perspective.
  506.  
  507. 11. Determining the Orbit of Mercury 
  508.  
  509. Introduction
  510.  
  511. Not all greatest elongations of Mercury are created equal. By scanning down the 
  512. time lines (the solar time line is best for this exercise) it becomes apparent 
  513. that evening elongations are smallest in the spring and largest in the fall. 
  514. When we are looking at Mercury at greatest elongation we are looking tangent to 
  515. its orbit. If we construct enough tangents to Mercury's orbit, the shape of the 
  516. orbit is revealed. 
  517.  
  518. Text References
  519.  
  520. Conceptual, Section 2.3; Evolving, Section 3.2 (see Figure 3.6); Cosmic, 
  521. Section 3.2 (see Figure 3.8). 
  522.  
  523. Procedure
  524.  
  525. Print out several years worth of solar time line and an orbit of the earth at 5 
  526. or 10 day intervals starting January 1 without the planets. Using the same 
  527. angle measuring techniques as in the Mars orbit lab, find the elongations of 
  528. Mercury at each greatest elongation and plot the lines of sight on the orbit 
  529. diagram. Compare the results with a heliocentric inner planet chart. 
  530.  
  531. Key Concepts 
  532.  
  533. This exercise illustrates another example of using indirect methods to 
  534. determine the nature of our solar system from our limited vantage point on 
  535. earth. 
  536.  
  537.  
  538.  
  539. 12. Kepler's Laws
  540.  
  541. Introduction
  542.  
  543. Kepler introduced three laws of planetary motion: 1) Planets move in elliptical 
  544. orbits with the sun at one focus. 2) A planets sweeps out equal areas in equal 
  545. times. 3) The square of the period of an orbit is proportional to the cube of 
  546. its semi-major axis. 
  547.  
  548. Text References 
  549.  
  550. Conceptual, Section 2.5; Evolving, Section 3.5; Cosmic, Section 3.4. 
  551.  
  552. Procedure
  553.  
  554. Before Kepler, the orbits of the planets were thought to be off-centered, or 
  555. eccentric, circles. Kepler showed that they are actually ellipses, although 
  556. they are close to circular. See how close the circular approximation actually 
  557. is by finding the centers of the orbits and drawing the circular approximations 
  558. to the orbits. To the accuracy of simple drafting tools can you notice a 
  559. discrepancy between the circles and the orbits? Which planets have the worst 
  560. fit? If a is the semi-major axis of the ellipse and c is the distance from the 
  561. center to the focus, the eccentricity is defined by e = c/a. Measure the 
  562. eccentricities of each of the orbits.
  563.  
  564. To test the equal area law, use pairs of days close enough together that the 
  565. curvature of the orbit between them is not significant. Use the radius to one 
  566. point as the base, measure the altitude, and compute the area. Compare for 
  567. different parts of the orbit. How do the "area sweep rates" compare for 
  568. different planets?Kepler's third law can be verified directly using a numerical 
  569. table of orbital elements. An interesting consequence of the third law, 
  570. assuming circular orbits, is that the orbital speed of a planet is inversely 
  571. proportional to its orbital radius. The spacing of the dots lessens 
  572. dramatically with radius in the heliocentric plots. It is simple to check that 
  573. the speeds drop off inversely with the radius. 
  574.  
  575.  
  576.  
  577. 13. Distances to the Planets
  578.  
  579. Introduction
  580.  
  581. The heliocentric charts are scale drawings of the solar system. Distances 
  582. measured on the charts in centimeters are proportional to actual distances. 
  583. Knowing one distance, the distance from the earth to the sun, any other 
  584. distance can be determined. 
  585.  
  586. Text References
  587.  
  588. Conceptual, Section 10.1; Evolving, Section 13.1; Cosmic, Section 8.2 (see 
  589. Figure 8.5). 
  590.  
  591. Procedure
  592.  
  593. Taking the distance from the earth to the sun to be 93 million miles or 150 
  594. million km, find the: a) distances from the sun to the other planets. b) 
  595. closest approach of Venus and Mars to earth. c) range of distances between Mars 
  596. and earth. d) ranges of opposition distances of Mars from the earth. 
  597.  
  598. Key Concepts 
  599.  
  600. This kind of exercise reinforces math skills in proportional thinking, 
  601. scientific notation, and metric units.
  602.  
  603.  
  604.  
  605. 14. How Big Would it Look in a Telescope? 
  606.  
  607. Introduction
  608.  
  609. This question arose in class when I (DC) announced an opportunity to view the 
  610. 1988 opposition of Mars through the telescopes of a local astronomy club. 
  611. Rather than give them the answer, we used the class time to figure it out 
  612. together. 
  613.  
  614. Text References
  615.  
  616. Conceptual, Section 2.3; Evolving, Sections 3.2, 4.1, and Focus 6.1; Cosmic, 
  617. Sections 4.1 and 7.1. 
  618.  
  619. Procedure
  620.  
  621. All you need to know is the distance to the planet and the size of the planet. 
  622. The diameter of a circle (measured in cm) representing a planer compared to the 
  623. distance of the paper it is drawn on (45 cm is typical reading distance) is 
  624. proportional to the actual size of the planet compared to its distance, as long 
  625. as the size and distance of the planet are measured in the same units. The dot 
  626. size computed in this way will be very tiny, as it would appear to the naked 
  627. eye. Multiply by 100 or so to get an idea of the size of a telescopic 
  628. image.
  629.  
  630. Different groups in the class could compute the sizes of various planets under 
  631. different circumstances. A revealing comparison is to calculate the apparent 
  632. size of a star. Assume the diameter of Alpha Centauri is comparable to that of 
  633. the sun, about 1.4 million km. It's distance is about 4.5 light years, and 
  634. light travels 300,000 km/s. From this data, you can be show that the image of 
  635. such a star on a sheet of paper would be about 1 millionth of a centimeter. 
  636. Even at a few hundred power the disk would not be discernible. 
  637.  
  638. Key Concepts
  639.  
  640. Many students who ask simple quantitative questions do not realize that the 
  641. answers are within their own power to compute. Helping a student answer their 
  642. own questions with mathematics they already know can help motivate further 
  643. study of mathematics.
  644.  
  645.  
  646.  
  647.                    Suggested Exercises for a Laboratory Class
  648.                 (Where students have direct access to computers) 
  649.  
  650. Motion Along the Ecliptic
  651.  
  652. 1. Select Mercury and the sun only. Note the dates of several inferior 
  653. conjunctions (left to right crossing of the sun). What is Mercury's motion at 
  654. these times relative to the stars?
  655.  
  656. 2. Select Venus and the sun only. Set the vertical exaggeration to 5. At what 
  657. point in its orbit does Venus stray farthest from the ecliptic? Why? Allow the 
  658. program to run through many years. (You may have to set the interval to 5 days 
  659. or more to speed up the program.) What evidence is there for resonances between 
  660. the orbits of Venus and the earth? Do other planets show similar resonances? 
  661. Hint: try Mercury!
  662.  
  663. 3. Select Mars and the sun only. Watch Mars goes through a retrograde loop and 
  664. note the date when it is in the middle of a loop. What is happening in the top 
  665. view relative to the sun?
  666.  
  667. 4. Starting with Mars, plot one planet at a time. Note how their positions 
  668. relative to the stars correlates with the position of the sun (compare top and 
  669. lower views). Note the sizes, elapsed time intervals, and the amount of drift 
  670. of the retrograde loops across the zodiac. Also note that the shape of a 
  671. retrograde loop is directly related to its position among the background 
  672. stars.
  673.  
  674. 5. Find the synodic period of Mercury (or any other planet) in as many 
  675. different ways as possible. The Julian date makes finding the time interval 
  676. easy. 
  677.  
  678. 6. What happens when the calculation interval is set to 365.25 days? To 365 
  679. days? 
  680.  
  681.  
  682.  
  683. Split Screen Animations
  684.  
  685.  
  686. 1. Apparent Dome of the Sky versus Zodiac as Seen from Earth 
  687.  
  688. Note that in the left display, the sun is fixed. The little white dots 
  689. traveling around the dome represent stars in their seasonal motion with respect 
  690. to the sun. On the right, the stars are fixed. This pairing is almost identical 
  691. to the ecliptic views, but now the sky is wrapped around in a circle. Follow a 
  692. planet such as Mars and note where the sun is when Mars undergoes retrograde 
  693. motion in both views. 
  694.  
  695. 2. Apparent Dome of the Sky versus Earth and Sun Held Stationary 
  696.  
  697. Note the basic similarity of the two views. When you go out every evening at 
  698. sunset, the earth is beneath you and the sun is at approximately the same 
  699. position relative to the horizon. The planetary orbits do NOT retrace 
  700. themselves exactly in the right view. (Why? Because the elliptical orbits are 
  701. rotating as seen from the earth.) The lack of depth in the left view is 
  702. dramatic in this comparison. But note that the angular speeds of the planets on 
  703. the left correlate with their distance from the earth on the right. For the 
  704. outer planets, note the large variation of the distance of Mars from the earth 
  705. compared to the relatively smaller variations of Jupiter and Saturn. That is 
  706. why Mars varies so much in brightness in comparison. 
  707.  
  708.  
  709. 3. Heliocentric versus Geocentric 
  710.  
  711. Run first without trails and note the similarity of the motions. Add the trails 
  712. and note the great difference in the paths. Run Mars alone. Note that the loops 
  713. on the right correspond to oppositions on the left. 
  714.  
  715.  
  716. 4. Zodiac versus Geocentric 
  717.  
  718. Run Mars with a large calculation interval over hundreds of years. Not all the 
  719. oppositions are the same. Find the "most favorable" oppositions in terms of 
  720. time of the year and location among the constellations. Determine the next 
  721. opposition of Mars and the most favorable one within your lifetime.
  722.  
  723.  
  724. 5. Heliocentric versus Earth and Sun Held Stationary
  725.  
  726. The display on the right is a rotating frame of reference. Add trails. The 
  727. inner planets move at slower rate compared to the left view. But the outer 
  728. planets reverse their direction of motion! (Why? Because the earth's angular 
  729. speed is subtracted from that of the other planets. Since the outer planets 
  730. move slower than the earth, as viewed from the sun, in the right view they 
  731. appear to go backwards.)
  732.  
  733. 6. Heliocentric versus Zodiac
  734.  
  735. Note that the "sky dome" appears to rotate synchronously in these views. The 
  736. stars are "fixed", and all local motions are relative to them. Find a time when 
  737. Mars and Mercury are in conjunction with each other. What is happening with 
  738. these planets in the heliocentric view? 
  739.  
  740.  
  741.  
  742.                (Specific example for in-class or lab activities)
  743.  
  744. Note to the Instructor: For this activity, you will need to run a Zodiacal Time 
  745. Line and a Solar Time Line selecting Mercury and Mars for a period of about two 
  746. years each. (To get a continuous chart, note the last date printed at the end 
  747. of the first page and select it as the starting date for the second year. Trim 
  748. the heading from the second chart and fit them together.) Start with the date 
  749. of the class or some other convenient starting date. Be sure that the time span 
  750. includes one retrograde motion of Mars. 
  751.  
  752.  
  753.                                  Astronomy 101
  754.                           Major Motions of the Planets 
  755.                                (c) 1993 M. Zeilik 
  756.  
  757. Name:_______________________________Class/section:______________
  758.  
  759. Purpose: To describe the positions of the sun and selected, naked-eye planets 
  760. along the ecliptic and infer general patterns in their motions from 
  761. graphs.
  762.  
  763. Predictions: Write your responses to these questions on this page before you 
  764. look at the graphs: 
  765.  
  766. 1) In what one way does the motion of the sun along the ecliptic resemble that 
  767. of the planets?
  768.  
  769.  
  770. 2) In what one way does the motion of the sun along the ecliptic differ from 
  771. that of the planets?
  772.  
  773. Materials: Pencil, ruler, calculators, and graphs of planetary positions. 
  774.  
  775. Text references: Section 1.2, Conceptual (1/e); Section 1.4, Evolving (7/e) 
  776.  
  777. Procedure:
  778.  
  779. 1. Examine carefully the graphs of the positions of the planets. They show time 
  780. running down the page, and the dates at the left are given in 10-day intervals 
  781. (the year is given on the right). Their vertical extent covers a little more 
  782. than a year, and their horizontal span is 360 degrees. The bolder line is the 
  783. sun. The angular distance between the sun and a planet on any given date is 
  784. called the planet's elongation.
  785.  
  786. The planetary positions run across the page horizontally through the 
  787. constellations of the zodiac (see the diagram at the top of the page; each 
  788. constellation of the zodiac is drawn and labeled). Once around the zodiac is a 
  789. complete circle of 360 degrees. The solid line through the center of the 
  790. constellations is the path of the sun in the sky relative to the star--the 
  791. ecliptic. The legend is in the upper right corner for the planets plotted and 
  792. the year. Note that east is to the left, and west is to the right.
  793.  
  794. Seek out patterns in the motions you see for Mercury and Mars. Answer the 
  795. following questions on this page:
  796.  
  797. 3) Which planet always appears close to the sun in angle (elongation)? 
  798.  
  799.  
  800.  
  801.  
  802. 4) How frequently does Mercury move from one side of the sun to the other? Is 
  803. this change more or less frequent for Mars? 
  804.  
  805. 5) For Mercury, does its maximum angular distance (maximum elongations) from 
  806. the sun remain constant or does it vary? 
  807.  
  808.  
  809.  
  810.  
  811. 6) How does the sun's motion differ in this plot? In what direction does the 
  812. sun move relative to the stars? How long does it take to move 360 degrees? 
  813.  
  814.  
  815.  
  816. 7) How does the sun's resemble in general that of Mercury and Mars
  817.  
  818.  
  819.  
  820. 8) How does the sun's motion differ from that of Mercury and Mars? 
  821.  
  822.  
  823.  
  824. 9) Note the cases when the planet's motion is toward the right (west) rather 
  825. than to the east. What is happening to the planets in the sky during these 
  826. times? 
  827.  
  828.