2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的星球及衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述開普勒三大定律在天體運(yùn)動(dòng)中的意義。2.比較雷達(dá)探測(cè)和光學(xué)觀測(cè)在探測(cè)天體方面的主要優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述系外行星幾種主要的探測(cè)方法及其原理。4.闡述空間望遠(yuǎn)鏡相比于地面望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)天體方面具有的優(yōu)勢(shì)。二、論述題（每題10分，共30分）1.詳細(xì)論述影響天體測(cè)量精度的主要因素及其應(yīng)對(duì)措施。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述航天器軌道設(shè)計(jì)的基本原理和考慮因素。3.探討當(dāng)前深空探測(cè)面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。三、計(jì)算題（每題15分，共30分）1.已知某行星繞恒星做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為R，公轉(zhuǎn)周期為T。試用開普勒第三定律推導(dǎo)出該恒星的質(zhì)量M的表達(dá)式，并說明式中各物理量的含義。2.假設(shè)一臺(tái)用于探測(cè)系外行星的雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)射頻率為f，探測(cè)到的目標(biāo)行星回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延遲時(shí)間為Δt。已知電磁波在真空中的傳播速度為c。請(qǐng)推導(dǎo)出目標(biāo)行星與地球之間的距離D的表達(dá)式，并說明式中各物理量的含義。四、綜合應(yīng)用題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)探測(cè)火星表面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，要求說明探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)、選用的探測(cè)器類型及主要科學(xué)儀器、探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)思路以及預(yù)期的科學(xué)成果。試卷答案一、簡(jiǎn)答題答案及解析1.答案：開普勒三大定律精確描述了行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，揭示了天體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，為牛頓萬有引力定律的提出奠定了基礎(chǔ)。第一定律指出行星軌道是橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，解決了地心說和日心說關(guān)于軌道形狀的爭(zhēng)論。第二定律指出行星與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等，表明行星在近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度更快，揭示了行星角動(dòng)量守恒。第三定律指出行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比，將行星運(yùn)動(dòng)與太陽(yáng)質(zhì)量聯(lián)系起來，提供了測(cè)量天體質(zhì)量的方法，具有重要的天體測(cè)量意義。解析思路：考察對(duì)開普勒三大定律核心內(nèi)容的理解和其在天文學(xué)發(fā)展中的重要性。需要回答定律分別描述了什么（軌道形狀、面積速度關(guān)系、周期與半長(zhǎng)軸關(guān)系），以及這些定律的意義（揭示規(guī)律、奠定基礎(chǔ)、解決爭(zhēng)論、揭示守恒、提供測(cè)量方法）。2.答案：雷達(dá)探測(cè)利用電磁波探測(cè)目標(biāo)，可以在白天、全天候工作，不受大氣透明度影響，可探測(cè)距離極遠(yuǎn)，并能獲取目標(biāo)的部分物理參數(shù)（如距離、速度、反射特性），但分辨率相對(duì)較低，且可能受到地球大氣干擾。光學(xué)觀測(cè)利用可見光或紅外線等探測(cè)天體，可以獲取天體光譜信息，分辨率高，能詳細(xì)研究天體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，但受限于大氣透明度，通常只能在夜間進(jìn)行，且對(duì)暗弱天體探測(cè)能力有限。解析思路：考察對(duì)兩種主要探測(cè)手段基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)的比較。需要分別列出雷達(dá)和光學(xué)在探測(cè)條件（時(shí)間、天氣）、探測(cè)距離、分辨率、獲取信息類型等方面的主要不同，并進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。3.答案：系外行星探測(cè)的主要方法包括：凌日法，通過觀測(cè)恒星亮度周期性減弱來探測(cè)行星經(jīng)過恒星前方時(shí)產(chǎn)生的遮擋效應(yīng)；徑向速度法，通過測(cè)量恒星周期性紅移和藍(lán)移來探測(cè)行星引力引起的恒星“晃動(dòng)”；微引力透鏡法，利用遙遠(yuǎn)亮星被前景星系團(tuán)引力透鏡產(chǎn)生的放大效應(yīng)來探測(cè)伴隨星系的行星；直接成像法，通過高分辨率空間望遠(yuǎn)鏡直接拍攝行星影像。這些方法的原理分別基于光度變化、多普勒效應(yīng)、引力透鏡效應(yīng)和光學(xué)成像。解析思路：考察對(duì)系外行星主要探測(cè)技術(shù)的掌握。需要列舉出至少三種主流方法，并準(zhǔn)確說明每種方法的操作原理，即觀測(cè)到什么現(xiàn)象（亮度變化、光譜多普勒shift、背景星光放大、直接影像），以及背后的物理機(jī)制（遮擋、引力作用、引力透鏡、成像）。4.答案：空間望遠(yuǎn)鏡相比于地面望遠(yuǎn)鏡具有顯著優(yōu)勢(shì)：首先，擺脫了地球大氣層的遮蔽和干擾，包括大氣散射導(dǎo)致的背景光增強(qiáng)、大氣抖動(dòng)造成的圖像模糊（視寧度效應(yīng)）、以及大氣吸收導(dǎo)致的特定波段觀測(cè)失敗等，因此空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)分辨率高、信噪比好，尤其在紫外和紅外波段具有地面觀測(cè)不可比擬的優(yōu)勢(shì)；其次，可以連續(xù)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，不受晝夜交替和天氣變化的影響，有利于進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間累積觀測(cè)和精確的天體測(cè)量；此外，空間望遠(yuǎn)鏡指向不受地球自轉(zhuǎn)和大氣層限制，可以方便地進(jìn)行空間掃描和指向變更。解析思路：考察對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡相對(duì)于地面望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢(shì)的理解。需要從大氣影響（分辨率、信噪比、波段）、觀測(cè)連續(xù)性、指向靈活性等方面進(jìn)行比較，并解釋清楚為何存在這些優(yōu)勢(shì)（主要是規(guī)避了大氣層）。二、論述題答案及解析1.答案：影響天體測(cè)量精度的主要因素包括：觀測(cè)儀器性能（如望遠(yuǎn)鏡的分辨率、探測(cè)器靈敏度、測(cè)光精度）、大氣抖動(dòng)和折射（地面觀測(cè)的主要限制因素）、地球自轉(zhuǎn)和大氣層運(yùn)動(dòng)引起的平臺(tái)漂移、目標(biāo)天體的亮度、視運(yùn)動(dòng)速度以及觀測(cè)過程中的系統(tǒng)誤差（如儀器零點(diǎn)漂移、光軸傾斜誤差）等。應(yīng)對(duì)措施包括：使用高精度的觀測(cè)設(shè)備、將望遠(yuǎn)鏡置于空間（如空間望遠(yuǎn)鏡或射電望遠(yuǎn)鏡天線）以規(guī)避大氣影響、采用精密的軌道控制和指向修正技術(shù)、進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝光和多次測(cè)量以平均隨機(jī)誤差、利用已知天體進(jìn)行校準(zhǔn)和誤差改正、采用先進(jìn)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)擬合算法等。解析思路：考察對(duì)天體測(cè)量誤差來源的全面認(rèn)識(shí)以及解決誤差的方法。需要先列出主要的誤差來源（儀器、大氣、平臺(tái)、目標(biāo)、系統(tǒng)誤差等），然后針對(duì)每個(gè)來源提出相應(yīng)的提高精度的技術(shù)手段或策略。2.答案：航天器軌道設(shè)計(jì)的基本原理是牛頓萬有引力定律和天體運(yùn)動(dòng)學(xué)。核心思想是根據(jù)任務(wù)需求（如探測(cè)目標(biāo)、返回地球、科學(xué)觀測(cè)等）選擇合適的軌道類型（如橢圓軌道、拋物線軌道、雙曲線軌道）和參數(shù)（如軌道半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角等）。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮：目標(biāo)天體的引力場(chǎng)特性（如引力參數(shù)）、航天器的運(yùn)載能力、推進(jìn)劑消耗、能量預(yù)算、軌道維持需求、飛越時(shí)間、探測(cè)范圍、通信覆蓋等。例如，對(duì)于行星探測(cè)，通常采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道或更復(fù)雜的軌道設(shè)計(jì)以節(jié)省能量，需要精確計(jì)算軌道插火點(diǎn)、抵達(dá)點(diǎn)和飛越時(shí)間；對(duì)于月球探測(cè)，需要設(shè)計(jì)變軌、制動(dòng)或軟著陸的軌道。解析思路：考察對(duì)航天器軌道設(shè)計(jì)的核心概念和考慮因素的掌握。需要闡述軌道設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)（力學(xué)原理），說明選擇軌道類型和參數(shù)的基本依據(jù)（任務(wù)需求），并列出需要考慮的關(guān)鍵因素（目標(biāo)天體、運(yùn)載、推進(jìn)、能量、時(shí)間、覆蓋等），結(jié)合具體實(shí)例（行星、月球探測(cè)）說明不同任務(wù)下的軌道設(shè)計(jì)特點(diǎn)。3.答案：當(dāng)前深空探測(cè)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：巨大的能量和推進(jìn)劑需求、漫長(zhǎng)的探測(cè)時(shí)間和通信時(shí)延（導(dǎo)致實(shí)時(shí)控制困難）、極端惡劣的空間環(huán)境（輻射、微流星體撞擊、溫度劇變）對(duì)航天器的苛刻要求、高精度自主導(dǎo)航和姿態(tài)控制技術(shù)、復(fù)雜科學(xué)儀器在深空環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、高可靠性的長(zhǎng)壽命電子系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限與海量科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸需求的矛盾等。可能的解決方案包括：發(fā)展高效率推進(jìn)技術(shù)（如電推進(jìn)、核推進(jìn)）、采用低溫燃料、優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)以節(jié)省能量、研制加固抗輻射材料和耐空間環(huán)境器件、開發(fā)智能自主控制系統(tǒng)（人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)）、利用深空網(wǎng)絡(luò)多站協(xié)同觀測(cè)、發(fā)展數(shù)據(jù)壓縮和選擇性傳輸技術(shù)、實(shí)施模塊化、可重構(gòu)的航天器設(shè)計(jì)等。解析思路：考察對(duì)深空探測(cè)面臨的技術(shù)瓶頸的認(rèn)識(shí)以及可能的應(yīng)對(duì)策略。需要首先識(shí)別出幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)領(lǐng)域（能量、時(shí)間、環(huán)境、自主、數(shù)據(jù)等），然后針對(duì)每個(gè)挑戰(zhàn)提出具有前瞻性的技術(shù)解決方案或發(fā)展方向。三、計(jì)算題答案及解析1.答案：推導(dǎo)過程：根據(jù)開普勒第三定律，對(duì)于繞同一中心天體（恒星）運(yùn)行的行星，其公轉(zhuǎn)周期T的平方與軌道半長(zhǎng)軸a的立方成正比，即T2∝a3。用萬有引力定律和向心力公式推導(dǎo)：設(shè)行星質(zhì)量為m，恒星質(zhì)量為M，軌道半徑（近似為半長(zhǎng)軸a）為R，公轉(zhuǎn)角速度為ω。根據(jù)萬有引力提供向心力：GMm/R2=mω2R。由于ω=2π/T，代入得：GMm/R2=m(4π2/T2)R?；?jiǎn)得：GM=4π2R3/T2。因此，恒星質(zhì)量M=4π2R3/(GT2)。解析思路：考察運(yùn)用開普勒定律和牛頓力學(xué)基本原理進(jìn)行推導(dǎo)的能力。要求學(xué)生能夠從開普勒第三定律出發(fā)，或者從萬有引力提供向心力出發(fā)，推導(dǎo)出恒星質(zhì)量M與行星軌道半徑R和公轉(zhuǎn)周期T的關(guān)系式。關(guān)鍵在于正確應(yīng)用相關(guān)公式并進(jìn)行代換。2.答案：推導(dǎo)過程：電磁波在真空中的傳播速度為c。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)到目標(biāo)行星并返回接收器，總行程為2D，其中D為目標(biāo)行星與地球之間的距離。信號(hào)往返的總時(shí)間為Δt。因此，信號(hào)傳播的單程時(shí)間為Δt/2。根據(jù)速度=距離/時(shí)間，目標(biāo)行星與地球之間的距離D=c*(Δt/2)=cΔt/2。解析思路：考察對(duì)雷達(dá)測(cè)距基本原理的理解和基本物理公式的應(yīng)用能力。要求學(xué)生理解雷達(dá)測(cè)距的原理是測(cè)量電磁波往返時(shí)間，并利用速度、距離、時(shí)間之間的關(guān)系式進(jìn)行推導(dǎo)，得出距離D與傳播速度c和往返時(shí)間Δt的表達(dá)式。四、綜合應(yīng)用題答案及解析答案：探測(cè)任務(wù)目標(biāo)：獲取火星表面的高分辨率影像，分析其地形地貌特征，探測(cè)水冰及可能的液態(tài)水活動(dòng)跡象，探測(cè)火星大氣成分及特性。探測(cè)器類型及主要科學(xué)儀器：選用軌道器作為主要探測(cè)平臺(tái)。攜帶高分辨率相機(jī)（如光學(xué)相機(jī)和紅外相機(jī)）用于獲取地形地貌影像和地表溫度信息；攜帶光譜儀（如可見光/近紅外光譜儀和ThermalEmissionSpectrometer,TES）用于分析地表物質(zhì)成分和水冰分布；攜帶次級(jí)離子質(zhì)量分析儀（SAM）用于探測(cè)大氣成分；攜帶雷達(dá)高度計(jì)和激光高度計(jì)用于測(cè)量地形和繪制高程圖。探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)思路：采用近圓形的低火星軌道（如300-500公里），以保證高分辨率觀測(cè)和較短的信號(hào)傳輸時(shí)延。軌道面選擇與火星赤道面有適當(dāng)?shù)膬A角（如10-30度），以覆蓋不同緯度區(qū)域。設(shè)計(jì)任務(wù)周期，使探測(cè)器能夠周期性地飛越感興趣的目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全局覆蓋和重復(fù)觀測(cè)。預(yù)期科學(xué)成果：獲得火星表面清晰詳細(xì)的地形圖，識(shí)別出火山、峽谷、撞擊坑等主要地貌特征；發(fā)現(xiàn)并繪制水冰（如極地冰蓋、地下冰）的分布圖；識(shí)別出季節(jié)性斜坡紋等可能的液態(tài)水活動(dòng)證據(jù)；獲取火星大氣的水汽含量、溫度結(jié)構(gòu)及主要成分（如CO?,N?）的分布信息；為未來的火星著陸和載人探測(cè)任務(wù)提供關(guān)鍵的地理和資源信息。解析思路：考察綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際探測(cè)任務(wù)的能力。需要包含以下要素：1.明確目標(biāo)：清晰闡述探測(cè)的目的（是什么要探測(cè)，達(dá)到什么效果）。2.選擇平臺(tái)與