2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星系相對運動對星體光速的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.多普勒效應(yīng)是由下列哪位科學(xué)家提出的？A.愛因斯坦B.牛頓C.多普勒D.開普勒2.當光源遠離觀察者時，觀察者接收到的光波會發(fā)生什么變化？A.頻率變高，波長變短B.頻率變低，波長變長C.頻率不變，波長不變D.頻率變高，波長不變3.在天文學(xué)中，紅移通常用什么符號表示？A.γB.λC.vD.z4.藍移現(xiàn)象通常與哪種天體運動相關(guān)？A.遠離地球的星系B.靠近地球的星系C.自轉(zhuǎn)速度快的恒星D.自轉(zhuǎn)速度慢的恒星5.光譜線的紅移表明該天體正在做什么運動？A.向觀察者靠近B.遠離觀察者C.做圓周運動D.靜止不動6.哪種類型的宇宙模型認為宇宙正在膨脹？A.靜態(tài)宇宙模型B.大爆炸宇宙模型C.平衡宇宙模型D.暴脹宇宙模型7.哈勃定律描述了什么關(guān)系？A.星系亮度與距離的關(guān)系B.星系紅移量與距離的關(guān)系C.星系紅移量與速度的關(guān)系D.星系大小與質(zhì)量的關(guān)系8.以下哪項不是測量天體紅移的方法？A.多普勒效應(yīng)B.光譜分析C.距離測量D.星系分類9.退行速度越快的星系，其紅移量通常如何？A.越小B.越大C.不變D.無法確定10.紅移現(xiàn)象為哪種理論提供了重要證據(jù)？A.萬有引力定律B.狹義相對論C.廣義相對論D.大爆炸理論二、填空題（每空1分，共10分）1.多普勒效應(yīng)是指波源與觀察者相對運動時，觀察者接收到的______發(fā)生變化的現(xiàn)象。2.紅移是指光譜線向______端移動的現(xiàn)象。3.藍移是指光譜線向______端移動的現(xiàn)象。4.紅移量與星系退行速度成正比，這一關(guān)系由______發(fā)現(xiàn)。5.宇宙膨脹的______證據(jù)之一是星系紅移現(xiàn)象。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述多普勒效應(yīng)的原理。2.解釋紅移和藍移現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。3.比較恒星紅移和星系紅移的異同。四、計算題（每題10分，共20分）1.已知某星系的光譜線在實驗室中波長為500納米，在觀測中測得其波長為550納米，計算該星系的退行速度（假設(shè)光速為3x10^8m/s）。2.根據(jù)哈勃定律，星系的紅移量v與距離d成正比，比例系數(shù)為哈勃常數(shù)H0（H0=70km/s/Mpc）。已知某星系的紅移量為0.01，計算該星系的距離（注意單位換算）。五、論述題（15分）探討星系相對運動對星體光速的影響機制，并分析其與狹義相對論的關(guān)系。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.B5.B6.B7.C8.C9.B10.D二、填空題1.頻率2.紅3.藍4.哈勃5.觀測三、簡答題1.解析思路：多普勒效應(yīng)的原理需要解釋波源和觀察者相對運動時，會導(dǎo)致觀察者接收到的波的性質(zhì)發(fā)生變化。具體到光波，就是頻率和波長的變化。需要說明當波源和觀察者相互靠近時，觀察者接收到的頻率會升高，波長會變短（藍移）；當波源和觀察者相互遠離時，觀察者接收到的頻率會降低，波長會變長（紅移）。同時要強調(diào)這是由于相對運動導(dǎo)致接收到的波前密度變化引起的。2.解析思路：解釋紅移和藍移的原因要從光波的發(fā)射和傳播過程入手。當光源和觀察者相對靜止時，觀察者接收到的光波頻率等于光源發(fā)射的頻率。當光源和觀察者相對運動時，光源的運動會影響光波的波前到達觀察者的時間間隔。如果相互靠近，波前會被“擠壓”，導(dǎo)致頻率升高（藍移）；如果相互遠離，波前會被“拉伸”，導(dǎo)致頻率降低（紅移）?？梢杂寐暡ǖ亩嗥绽招?yīng)進行類比，但強調(diào)光是電磁波，沒有介質(zhì)。3.解析思路：比較恒星紅移和星系紅移，首先要明確它們產(chǎn)生的原因不同。恒星紅移主要來源于恒星自身的運動（如視向速度），其紅移量通常較小，一般需要高分辨率光譜儀才能觀測到。星系紅移主要來源于宇宙膨脹導(dǎo)致的星系退行，其紅移量通常較大，與距離成正比，是研究宇宙學(xué)的重要手段。在解釋方法上，恒星紅移測量的是單個譜線的多普勒頻移，而星系紅移測量的是整個光譜系的系統(tǒng)性紅移。在量級上，恒星紅移通常在每秒幾十公里量級，而星系紅移可以達到每秒幾百甚至上萬公里。四、計算題1.解析思路：利用多普勒效應(yīng)公式，首先明確紅移量的定義z=(λ_obs-λ_emitted)/λ_emitted。題目給出λ_emitted=500nm,λ_obs=550nm。計算紅移量z=(550-500)/500=0.1。然后利用紅移與退行速度的關(guān)系公式v=cz，其中c是光速，z是紅移量。將數(shù)值代入，v=3x10^8m/s*0.1=3x10^7m/s。需要將結(jié)果轉(zhuǎn)換為km/s，即3x10^4km/s。2.解析思路：利用哈勃定律v=H0*d。題目給出v=0.01(這意味著v=0.01*c，因為紅移量與光速之比通常很小，這里題目可能簡化了，或者理解為z=0.01)，H0=70km/s/Mpc。如果直接用z=v/c=0.01，則v=0.01*3x10^8m/s=3x10^6m/s=3000km/s。代入哈勃定律，d=v/H0=3000km/s/70km/s/Mpc≈42.86Mpc。注意單位的統(tǒng)一，Mpc是兆秒差距，是天文學(xué)常用的距離單位。五、論述題解析思路：探討星系相對運動對星體光速的影響機制，首先要解釋星系紅移的本質(zhì)是宇宙膨脹，而不是簡單的星系間相對運動（雖然也包含視向速度成分）。宇宙膨脹導(dǎo)致空間本身膨脹，使得光在傳播過程中波長被拉伸，頻率降低，表現(xiàn)為紅移。這時光速c在空間中是恒定的，但光波穿越膨脹的空間時，其傳播的“路徑”在拉長，導(dǎo)致到達觀察者時頻率變低。這與狹義相對論中光速不變原理并不矛盾。狹義相對論的光速不變是指光在真空中的傳播速度對所有慣性觀察者都是恒定的。而星系紅移中的“光速變化”是指光波頻率的變化，這是由于光源和觀察者所在的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化（膨脹），而不是光本身在介質(zhì)