2025年大學(xué)《天文學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——天文學(xué)中的觀測(cè)儀器與實(shí)踐技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種望遠(yuǎn)鏡主要利用凹面反射鏡將光線(xiàn)匯聚成像？(A)折射望遠(yuǎn)鏡(B)施密特-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡(C)牛頓反射望遠(yuǎn)鏡(D)瑞利望遠(yuǎn)鏡2.光電倍增管（PMT）的核心部分是光電陰極，其作用是：(A)將入射光子轉(zhuǎn)換為電子(B)放大電子信號(hào)(C)成像(D)校正光學(xué)畸變3.與CCD相比，CMOS探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)通常不包括：(A)更高的讀出速度(B)更低的功耗(C)更高的量子效率(D)更小的像素尺寸4.天球赤道坐標(biāo)系是以什么為參考基準(zhǔn)來(lái)定義天體位置的？(A)地球的公轉(zhuǎn)軌道平面(B)天球上的南北極和天軸(C)黃道(D)地球的自轉(zhuǎn)軸5.在天文觀測(cè)中，大氣視寧度主要影響成像的：(A)對(duì)比度(B)色彩(C)表現(xiàn)力（清晰度、銳利度）(D)方向6.自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)主要目的是為了：(A)增大望遠(yuǎn)鏡口徑(B)改善望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，克服大氣視寧度影響(C)擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段(D)提高望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)化程度7.射電望遠(yuǎn)鏡陣列通過(guò)將多個(gè)單天線(xiàn)組合起來(lái)，其主要目的是為了：(A)增大望遠(yuǎn)鏡的總通量收集面積(B)提高望遠(yuǎn)鏡的角分辨率(C)擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)頻率范圍(D)增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)深度8.在FITS（FlexibleImageTransportSystem）天文數(shù)據(jù)文件格式中，通常哪個(gè)部分包含了圖像的像素?cái)?shù)據(jù)？(A)文件頭（Header）(B)數(shù)據(jù)單元（DataUnit）(C)波段定義（WavelengthDefinition）(D)物理參數(shù)（PhysicalParameters）9.紅外天文觀測(cè)通常需要使用空間望遠(yuǎn)鏡而不是地基望遠(yuǎn)鏡，最主要的原因是：(A)紅外天體亮度更高(B)紅外光在地球大氣中穿透性更好(C)空間望遠(yuǎn)鏡尺寸可以做得更大(D)紅外探測(cè)器更靈敏10.將一副望遠(yuǎn)鏡的物鏡（或主鏡）替換為焦距更短的鏡頭，其主要效果是：(A)增大觀測(cè)視場(chǎng)(B)提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率(C)增大望遠(yuǎn)鏡的焦距(D)減小望遠(yuǎn)鏡的通光量二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填寫(xiě)在橫線(xiàn)上）1.望遠(yuǎn)鏡的分辨率的定義通常是指能夠區(qū)分開(kāi)的最小兩個(gè)點(diǎn)源的角度間隔，它主要受__________極限和衍射極限的影響。2.射電望遠(yuǎn)鏡的“孔徑”通常指__________的等效直徑，通過(guò)孔徑合成技術(shù)可以增大有效孔徑，提高分辨率。3.天文觀測(cè)中常用的坐標(biāo)系統(tǒng)除了赤道坐標(biāo)系，還有__________坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系。4.CCD探測(cè)器通過(guò)光電效應(yīng)將入射光子轉(zhuǎn)換為_(kāi)_________，再通過(guò)__________電路轉(zhuǎn)換為電壓或數(shù)字信號(hào)。5.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量除了受衍射極限限制外，還會(huì)受到__________和光學(xué)系統(tǒng)像差的影響。6.大氣層對(duì)天文觀測(cè)的主要影響包括__________吸收、__________折射和__________抖動(dòng)。7.空間望遠(yuǎn)鏡相比地基望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢(shì)在于可以避免__________的影響，從而能夠觀測(cè)到更多來(lái)自__________波段的輻射。8.天文數(shù)據(jù)處理的常用流程通常包括圖像的__________、__________、測(cè)光和光譜分析等步驟。9.在望遠(yuǎn)鏡的焦平面，除了成像器件外，通常還需要放置__________和分光器等輔助光學(xué)元件。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述折射式望遠(yuǎn)鏡和反射式望遠(yuǎn)鏡在基本結(jié)構(gòu)和工作原理上的主要區(qū)別。2.什么是光譜？簡(jiǎn)要說(shuō)明光譜分析在天文學(xué)研究中的作用。3.解釋什么是望遠(yuǎn)鏡的“焦距”？它的大小對(duì)觀測(cè)會(huì)有什么影響？4.簡(jiǎn)述自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)大致是如何工作的，它試圖解決什么天文觀測(cè)中的問(wèn)題？四、計(jì)算題（每小題10分，共20分。請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟）1.假設(shè)一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的通光口徑為1.0米，觀測(cè)波段為500納米（可見(jiàn)光）。請(qǐng)估算該望遠(yuǎn)鏡的衍射極限角分辨率（使用λ/D公式，結(jié)果以秒角表示）。如果該望遠(yuǎn)鏡用于觀測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的微弱射電源，理論上其分辨能力受限于衍射極限，那么它能夠分辨的最小角度細(xì)節(jié)是多少？2.某天文觀測(cè)項(xiàng)目需要探測(cè)一個(gè)距離地球較遠(yuǎn)的暗弱天體，其光度為1.0×10^-29瓦特。觀測(cè)系統(tǒng)（包括望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器）的總通量為2.0×10^-17瓦特/米^2。如果探測(cè)器的探測(cè)極限信噪比要求為5，并且每個(gè)像素的有效面積約為10微米^2，問(wèn)探測(cè)器至少需要多少個(gè)像素才能探測(cè)到該天體發(fā)出的信號(hào)？（假設(shè)探測(cè)器噪聲主要來(lái)自背景光和自身讀出噪聲，信噪比計(jì)算可簡(jiǎn)化）五、論述題（15分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題）試比較射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在基本原理、主要技術(shù)特點(diǎn)、觀測(cè)方式以及對(duì)天文現(xiàn)象的研究方面各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(A)3.(C)4.(B)5.(C)6.(B)7.(B)8.(B)9.(B)10.(A)二、填空題1.大氣2.單個(gè)天線(xiàn)3.黃道4.電子；讀出5.大氣視寧度6.水汽；折射；抖動(dòng)7.大氣；紅外8.校準(zhǔn)；去噪9.鏡頭（或?yàn)V光片）三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：折射望遠(yuǎn)鏡利用凸透鏡使光線(xiàn)匯聚成像；反射望遠(yuǎn)鏡利用凹面鏡使光線(xiàn)匯聚成像。這是兩者最根本的結(jié)構(gòu)和工作原理區(qū)別。答案：折射望遠(yuǎn)鏡使用凸透鏡作為物鏡將光線(xiàn)匯聚，通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡間距改變焦距和成像位置。反射望遠(yuǎn)鏡使用凹面鏡作為主鏡將光線(xiàn)匯聚，通常通過(guò)移動(dòng)副鏡改變焦距和成像位置。折射望遠(yuǎn)鏡存在色差問(wèn)題，而反射望遠(yuǎn)鏡通常沒(méi)有色差。2.解析思路：光譜是復(fù)色光按波長(zhǎng)（或頻率）分解后形成的圖像。光譜包含了天體的物理信息，如化學(xué)成分、溫度、密度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（紅移/藍(lán)移）、磁場(chǎng)等。答案：光譜是指將來(lái)自天體的復(fù)色光通過(guò)棱鏡或光柵分解成按波長(zhǎng)（或頻率）排列的光帶。通過(guò)分析光譜線(xiàn)的位置、強(qiáng)度和寬度，可以確定天體的化學(xué)成分、溫度、密度、線(xiàn)速度（多普勒效應(yīng)）、磁場(chǎng)等物理性質(zhì)，是研究天體物理的重要手段。3.解析思路：焦距是物鏡（或主鏡）焦點(diǎn)到焦平面的距離。焦距決定了望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)和視場(chǎng)大小。焦距越長(zhǎng)，放大倍數(shù)越高，視場(chǎng)越?。环粗嗳?。答案：望遠(yuǎn)鏡的焦距是指從其主光學(xué)元件（物鏡或主反射鏡）的焦點(diǎn)到成像平面的距離。它決定了望遠(yuǎn)鏡的放大能力和視場(chǎng)范圍。通常，焦距越長(zhǎng)，望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)越高，但視場(chǎng)也越窄；焦距越短，放大倍數(shù)越低，但視場(chǎng)越寬。4.解析思路：自適應(yīng)光學(xué)通過(guò)快速測(cè)量大氣擾動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)變形鏡進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)校正波前畸變。它主要解決大氣視寧度問(wèn)題，提高成像質(zhì)量。答案：自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)大致工作過(guò)程是：首先使用一個(gè)快速傳感器（波前傳感器）測(cè)量通過(guò)大氣后光波波前的畸變；然后將測(cè)量到的畸變信息傳輸給一個(gè)高速驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)變形鏡，使其表面形狀與測(cè)量到的畸變相反，從而實(shí)時(shí)補(bǔ)償大氣引起的光波畸變，改善成像質(zhì)量。它主要解決大氣視寧度對(duì)地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量造成的影響。四、計(jì)算題1.解析思路：使用衍射極限公式θ≈1.22*λ/D計(jì)算角分辨率。結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為秒角（1弧度=206265秒角）。答案：公式：θ≈1.22*λ/D已知：λ=500納米=500×10^-9米，D=1.0米計(jì)算：θ≈1.22*(500×10^-9)/1.0≈610×10^-9弧度將弧度轉(zhuǎn)換為秒角：θ≈(610×10^-9)*206265≈0.125秒角理論分辨能力即衍射極限角分辨率，為0.125秒角。理論上，該望遠(yuǎn)鏡能分辨的最小角度細(xì)節(jié)就是0.125秒角。2.解析思路：*計(jì)算望遠(yuǎn)鏡接收到的來(lái)自天體的總功率P_total=F*A_eff。*計(jì)算每個(gè)像素接收到的功率P_pixel=P_total/N_pixel。*設(shè)探測(cè)器噪聲為N，信噪比SNR=sqrt(P_pixel)/N。已知SNR=5，求N_pixel。*假設(shè)探測(cè)器噪聲主要來(lái)自背景光和自身讀出噪聲，N與背景光強(qiáng)度和探測(cè)器自身特性有關(guān)，但題目未給出具體噪聲值，無(wú)法直接計(jì)算N_pixel。通常需要設(shè)定一個(gè)噪聲基準(zhǔn)或使用典型值進(jìn)行估算，但題目要求列出步驟，故表達(dá)為需要已知噪聲才能求解。答案：已知：天體光度L_source=1.0×10^-29W，系統(tǒng)總通量F=2.0×10^-17W/m^2，探測(cè)器像素面積A_eff=10μm^2=10×10^-12m^2，信噪比SNR=5。1.計(jì)算望遠(yuǎn)鏡接收到的總功率：P_total=F*A_eff=(2.0×10^-17W/m^2)*(10×10^-12m^2)=2.0×10^-28W2.設(shè)探測(cè)器噪聲為N，每個(gè)像素接收到的信號(hào)功率為P_pixel=P_total/N_pixel。3.信噪比公式：SNR=sqrt(P_pixel)/N=sqrt(P_total/N_pixel)/N4.代入已知SNR=5：5=sqrt((2.0×10^-28)/N_pixel)/N5.由于題目未給出探測(cè)器噪聲N的具體數(shù)值，無(wú)法直接計(jì)算出所需的像素?cái)?shù)量N_pixel。需要已知噪聲水平才能完成計(jì)算。假設(shè)已知噪聲N，則N_pixel=(2.0×10^-28)/(25*N)。五、論述題解析思路：1.基本原理：分別闡述射電望遠(yuǎn)鏡利用無(wú)線(xiàn)電波（電磁波）與天體相互作用接收信號(hào)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡利用可見(jiàn)光（電磁波）成像。2.主要技術(shù)特點(diǎn)：對(duì)比口徑、分辨率、靈敏度、波段的覆蓋范圍、接收機(jī)技術(shù)、天線(xiàn)陣列等。3.觀測(cè)方式：對(duì)比全天觀測(cè)、巡視、目標(biāo)深測(cè)、干涉測(cè)量等。4.研究?jī)?yōu)勢(shì)與局限性：結(jié)合不同波段的電磁輻射攜帶的宇宙信息差異，分析各自的優(yōu)勢(shì)（如射電望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)塵埃云、分子云、射電源等光學(xué)不可見(jiàn)或難以觀測(cè)天體；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡提供高分辨率成像、光譜信息等）和局限性（如射電望遠(yuǎn)鏡分辨率受限制、大氣吸收影響；光學(xué)望遠(yuǎn)鏡受限于白天和大氣窗口）。答案：射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是兩種主要的天文觀測(cè)工具，它們?cè)诨驹?、技術(shù)特點(diǎn)、觀測(cè)方式和天文應(yīng)用上各有優(yōu)勢(shì)與局限性。1.基本原理：射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)其天線(xiàn)收集來(lái)自天體的無(wú)線(xiàn)電波（波長(zhǎng)從毫米到米級(jí)），這些無(wú)線(xiàn)電波通常由天體中的同步旋轉(zhuǎn)電離氣體、原子分子躍遷等過(guò)程產(chǎn)生。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡則利用透鏡或反射鏡收集來(lái)自天體的可見(jiàn)光（波長(zhǎng)約400納米至700納米），通過(guò)成像系統(tǒng)形成天體的圖像。兩者都基于電磁波與物質(zhì)的相互作用來(lái)探測(cè)天體信息，但工作波段不同。2.主要技術(shù)特點(diǎn)：*口徑與分辨率：射電望遠(yuǎn)鏡的“孔徑”是指單個(gè)天線(xiàn)或天線(xiàn)陣列的等效直徑。通過(guò)孔徑合成技術(shù)（如甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量VLBI），可以將多個(gè)相距遙遠(yuǎn)的天線(xiàn)組合成一個(gè)虛擬的大望遠(yuǎn)鏡，極大地提高分辨率，但通常單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的物理尺寸很大。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率受衍射極限限制，大口徑（大鏡筒或主鏡）是提高光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分辨率的主要途徑。射電望遠(yuǎn)鏡的角分辨率可以通過(guò)增加天線(xiàn)基線(xiàn)長(zhǎng)度或使用干涉陣列達(dá)到極高水平。*靈敏度：射電望遠(yuǎn)鏡通常比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡更靈敏，能夠探測(cè)到來(lái)自非常暗弱天體的微弱信號(hào)，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電波在大氣中的衰減相對(duì)較小，且探測(cè)器技術(shù)可以做得非常高效。*波段覆蓋：射電望遠(yuǎn)鏡覆蓋的波段范圍極寬，從長(zhǎng)波到毫米波，遠(yuǎn)超光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。不同波段的電磁輻射來(lái)自宇宙中不同的物理過(guò)程，提供互補(bǔ)的信息。*接收機(jī)技術(shù)：射電望遠(yuǎn)鏡使用各種不同頻段的接收機(jī)來(lái)探測(cè)不同能量的無(wú)線(xiàn)電波。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡使用透鏡或反射鏡聚焦光線(xiàn)后，使用光電探測(cè)器（如CCD）來(lái)轉(zhuǎn)換光信號(hào)。*天線(xiàn)/鏡面：射電望遠(yuǎn)鏡的天線(xiàn)形式多樣，可以是拋物面天線(xiàn)、相控陣等。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的鏡面通常要求極高的精密加工和穩(wěn)定性。3.觀測(cè)方式：射電望遠(yuǎn)鏡既可以進(jìn)行全天巡天觀測(cè)，尋找特定類(lèi)型的射電源，也可以進(jìn)行目標(biāo)深測(cè)，提高對(duì)已知源或弱源的信噪比。射電干涉測(cè)量（如VLBI、綜合孔徑）可以實(shí)現(xiàn)極高的空間分辨率。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常需要根據(jù)天體位置進(jìn)行指向觀測(cè)，常用于成像、光譜分析和測(cè)光。大視場(chǎng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（如巡天望遠(yuǎn)鏡）可以進(jìn)行大面積的天文調(diào)查。4.優(yōu)勢(shì)與局限性：*射電望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢(shì)：*可以全天