2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——外太陽(yáng)系行星軌道共振機(jī)制考試時(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)的代表字母填涂在答題卡相應(yīng)位置。）1.在行星科學(xué)中，軌道共振通常指兩個(gè)或多個(gè)天體軌道周期存在如下哪種關(guān)系？A.相差固定角度B.半長(zhǎng)軸成簡(jiǎn)單整數(shù)比C.角動(dòng)量守恒D.軌道平面平行2.以下哪個(gè)天體系統(tǒng)是軌道共振機(jī)制研究的典型場(chǎng)所？A.內(nèi)太陽(yáng)系的行星和小行星帶B.木星和其伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)C.海王星和柯伊伯帶天體D.火星的兩顆小衛(wèi)星3.當(dāng)一個(gè)天體與一個(gè)大質(zhì)量行星（如海王星）處于m:n軌道共振時(shí)，意味著其軌道運(yùn)動(dòng)周期大約是海王星周期的多少倍？A.m倍B.n倍C.m/n倍D.n/m倍4.2:1軌道共振最顯著的效果通常是導(dǎo)致共振天體：A.軌道半長(zhǎng)軸顯著增大B.軌道半長(zhǎng)軸顯著減小C.軌道偏心率顯著增大D.軌道傾角顯著增大5.柯伊伯帶中被稱為“門禁效應(yīng)”的主要是由哪種軌道共振造成的？A.2:1共振B.3:2共振C.4:3共振D.5:4共振6.哪種天體被認(rèn)為是目前已知最接近完美2:1軌道共振狀態(tài)的大型天體？A.木星B.天王星C.鬩神星（Eris）D.妊神星（Haumea）7.在解釋海王星如何到達(dá)其當(dāng)前軌道位置的理論中，軌道共振扮演了至關(guān)重要的角色。以下哪項(xiàng)描述是該理論的關(guān)鍵假設(shè)之一？A.海王星在形成后一直保持其初始軌道B.海王星通過(guò)引力捕獲了柯伊伯帶的大量物質(zhì)C.海王星與內(nèi)太陽(yáng)系天體通過(guò)軌道共振進(jìn)行了角動(dòng)量交換D.海王星的軌道從未受到其他大質(zhì)量行星的擾動(dòng)8.軌道共振過(guò)程中發(fā)生的主要物理過(guò)程是：A.引力勢(shì)能的完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能B.通過(guò)引力相互作用進(jìn)行角動(dòng)量的交換C.天體間的直接碰撞D.潮汐力的主導(dǎo)作用9.如果一個(gè)柯伊伯帶天體處于相對(duì)于海王星的3:2共振軌道上，其軌道半長(zhǎng)軸大約是海王星軌道半長(zhǎng)軸的多少倍？A.0.5倍B.1倍C.1.5倍D.2倍10.以下哪項(xiàng)觀測(cè)證據(jù)強(qiáng)烈支持了海王星早期遷移并通過(guò)軌道共振影響柯伊伯帶形成的理論？A.海王星本身軌道的高偏心率B.柯伊伯帶內(nèi)共振天體（如2007OR10）的普遍存在C.海王星家族（ScatteredDiscObjects）中遠(yuǎn)離共振區(qū)域的分布D.內(nèi)太陽(yáng)系小行星帶的規(guī)則分布二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題卡相應(yīng)位置。）1.軌道共振可以通過(guò)改變天體的軌道______或______來(lái)實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量交換。2.n:n型軌道共振中，共振指數(shù)m和n代表的是兩個(gè)天體軌道周期的______。3.柯伊伯帶天體中的______共振區(qū)域大致位于距離太陽(yáng)約30至50天文單位的地方。4.當(dāng)一個(gè)天體與海王星處于2:1共振時(shí)，其軌道周期大約是海王星周期的______。5.在太陽(yáng)系形成早期，外行星通過(guò)與其他天體（包括內(nèi)行星和柯伊伯帶天體）的______作用，發(fā)生了大規(guī)模的軌道遷移。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述軌道共振與軌道攝動(dòng)的區(qū)別與聯(lián)系。2.解釋什么是“散射盤”（ScatteredDisc），以及它與軌道共振機(jī)制有何關(guān)系？3.簡(jiǎn)述3:2共振（尼佩魯共振）是如何穩(wěn)定柯伊伯帶內(nèi)特定區(qū)域天體的軌道的？四、計(jì)算題（共15分。）假設(shè)某柯伊伯帶天體A與海王星（質(zhì)量M_N，軌道半長(zhǎng)軸a_N）處于精確的2:1軌道共振。已知海王星的軌道半長(zhǎng)軸a_N約為30天文單位（AU）。請(qǐng)利用開普勒第三定律（T2∝a3）的標(biāo)度關(guān)系，估算該共振天體A的軌道半長(zhǎng)軸a_A大約是多少天文單位？請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明你的推導(dǎo)過(guò)程。五、論述題（25分。）結(jié)合具體的觀測(cè)證據(jù)和物理機(jī)制，詳細(xì)論述軌道共振機(jī)制在塑造外太陽(yáng)系天體系統(tǒng)（包括柯伊伯帶、散射盤等）的形成和演化過(guò)程中所起的作用。請(qǐng)至少討論兩種不同的共振類型及其效應(yīng)，并提及海王星捕獲或遷移假說(shuō)中共振機(jī)制的關(guān)鍵作用。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.B5.B6.C7.C8.B9.D10.B二、填空題1.半長(zhǎng)軸，偏心率2.整數(shù)比3.3:24.2倍5.引力三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：區(qū)分是共振是兩個(gè)天體周期關(guān)系，是系統(tǒng)內(nèi)部相互作用；攝動(dòng)是引力擾動(dòng)，可以是系統(tǒng)內(nèi)也可以是系統(tǒng)外天體對(duì)某個(gè)天體的作用。聯(lián)系在于攝動(dòng)是產(chǎn)生共振效應(yīng)的物理基礎(chǔ)，共振是特定條件下攝動(dòng)累積的結(jié)果。2.解析思路：散射盤是太陽(yáng)系外圍一個(gè)由被散射出來(lái)的柯伊伯帶天體組成的區(qū)域。共振是散射的主要機(jī)制，例如與海王星的2:1共振導(dǎo)致天體內(nèi)移并散射到更遠(yuǎn)或更扁的軌道。3.解析思路：3:2共振使得位于該共振軌道上的天體難以通過(guò)2:1共振被海王星進(jìn)一步散射內(nèi)移，形成了一個(gè)“門檻”，阻止了物質(zhì)向內(nèi)太陽(yáng)系沉降，從而穩(wěn)定了該區(qū)域的天體分布。四、計(jì)算題估算過(guò)程：根據(jù)開普勒第三定律，對(duì)于同一中心天體（太陽(yáng)），有T2/a3=常數(shù)。設(shè)海王星的周期為T_N，半長(zhǎng)軸為a_N；共振天體A的周期為T_A，半長(zhǎng)軸為a_A。則T_N2/a_N3=T_A2/a_A3。由于天體A與海王星處于2:1共振，有T_A=2*T_N/3（共振天體完成兩圈時(shí)，海王星完成三圈）。將T_A代入開普勒第三定律的比例關(guān)系中：(T_N*2/3)2/a_A3=T_N2/a_N3(4/9)*T_N2/a_A3=T_N2/a_N34/9=T_N2/a_A3*a_N3/T_N24/9=a_N3/a_A3a_A3=9/4*a_N3a_A=(9/4)^(1/3)*a_N計(jì)算(9/4)^(1/3)≈1.316。所以a_A≈1.316*a_N。代入a_N=30AU：a_A≈1.316*30AU≈39.5AU。答案：估算結(jié)果約為39.5天文單位。五、論述題解析思路：從共振的基本原理（角動(dòng)量/能量交換）出發(fā)，結(jié)合具體實(shí)例（2:1共振導(dǎo)致的散射，3:2共振形成的門禁效應(yīng)）說(shuō)明共振如何影響天體軌道