2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星科學(xué)專業(yè)師資培訓(xùn)計劃考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、試述太陽系形成的主要理論及其關(guān)鍵假設(shè)。比較不同理論在解釋太陽系觀測特征（如行星軌道共面性、同向性、元素豐度等）方面的異同。二、簡述板塊構(gòu)造理論的主要內(nèi)容，并說明其在解釋大陸漂移、造山運動、火山活動及地震分布等方面的作用。結(jié)合一個具體實例，說明如何利用地質(zhì)證據(jù)推斷板塊運動歷史。三、描述行星大氣的垂直結(jié)構(gòu)。解釋大氣分層的主要依據(jù)（如溫度變化、成分差異等）。以地球或火星為例，分析其大氣層的主要成分、物理化學(xué)性質(zhì)及其對行星表面環(huán)境（如氣候、天氣、表面溫度）的影響。四、介紹遙感技術(shù)在行星科學(xué)探測中的應(yīng)用。選擇一種具體的遙感探測手段（如雷達、光譜成像、磁力探測等），闡述其工作原理，并列舉一至兩個該手段在探測特定行星（非地球）表面特征或內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的成功案例。五、說明“水手號”計劃、“海盜號”計劃、“旅行者”計劃、“伽利略”號探測器、“火星探路者”號、“勇氣號”與“機遇號”火星車、“好奇號”火星車、“卡西尼-惠更斯”號探測器、“新視野”號探測器等重大行星探測任務(wù)的主要科學(xué)目標及其主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。選擇其中一個任務(wù)，分析其關(guān)鍵技術(shù)特點及其對后續(xù)探測任務(wù)的啟示。六、論述行星科學(xué)與其他學(xué)科（至少選擇兩個，如地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、計算機科學(xué)等）的交叉融合之處。結(jié)合具體實例，說明這種交叉融合如何推動了行星科學(xué)的進步和對地球及宇宙的理解。七、設(shè)計一個關(guān)于“系外行星探測方法及其意義”的大學(xué)本科教學(xué)單元（約2-3課時）。請說明單元的教學(xué)目標，選擇并簡述主要教學(xué)內(nèi)容和相應(yīng)的教學(xué)活動（如課堂討論、案例分析、小組報告等），并說明如何評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。八、當前行星科學(xué)研究面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？例如，在技術(shù)、數(shù)據(jù)、理論或國際合作等方面。選擇其中一至兩個挑戰(zhàn)，深入分析其具體表現(xiàn)，并探討可能的應(yīng)對策略或未來發(fā)展方向。試卷答案一、太陽系形成的主要理論：星云假說（nebularhypothesis）。該理論認為，太陽系起源于一個巨大的、旋轉(zhuǎn)的、由氣體和塵埃組成的分子云（原始星云）。關(guān)鍵假設(shè)：1.原始星云在自身引力作用下開始收縮。2.收縮過程中，星云旋轉(zhuǎn)速度增加（角動量守恒）。3.星云逐漸扁平化，形成原恒星盤。4.盤內(nèi)物質(zhì)通過碰撞、吸積等過程，逐漸形成微星體，最終匯聚成行星、衛(wèi)星等天體。與觀測特征的比較：*共面性與同向性：星云假說很好地解釋了行星幾乎在同一平面（黃道面）內(nèi)運動且方向基本一致的現(xiàn)象，這與原始星云的扁平盤狀結(jié)構(gòu)一致。*元素豐度：理論預(yù)測行星形成的物質(zhì)主要來源于星云，其元素豐度（如輕元素相對富集）與太陽的豐度基本一致，也與地殼、隕石等物質(zhì)的觀測結(jié)果吻合。*異同：早期理論難以完全解釋行星質(zhì)量分布的巨大差異（如類地行星與氣態(tài)巨行星質(zhì)量懸殊），以及一些特殊天體（如柯伊伯帶天體）的存在?，F(xiàn)代星云假說結(jié)合了核心accretion和磁盤吸積等詳細機制，并考慮了星際物質(zhì)、其他恒星的影響等因素，能更好地解釋這些觀測特征。二、板塊構(gòu)造理論的主要內(nèi)容：1.地球巖石圈并非整體一塊，而是由若干巨大的、剛性的板塊構(gòu)成。2.這些板塊漂浮在軟流圈之上，并相對運動。3.板塊運動的驅(qū)動力主要來自地球內(nèi)部的熱對流、板塊自身的重力以及潮汐力等。4.板塊邊界是地質(zhì)活動最活躍的地帶，可分為洋中脊（離散型邊界）、海溝-島?。▍R聚型邊界）和轉(zhuǎn)換斷層（轉(zhuǎn)換型邊界）三種類型。作用：*大陸漂移：解釋了大陸的位置變遷歷史。*造山運動：板塊碰撞（匯聚型邊界）導(dǎo)致地殼壓縮、褶皺、抬升，形成山脈。*火山活動與地震：主要發(fā)生在板塊邊界，特別是匯聚型和轉(zhuǎn)換型邊界。俯沖帶（海溝）處發(fā)生火山活動；轉(zhuǎn)換斷層和板塊碰撞帶是地震高發(fā)區(qū)。實例：通過研究南美洲東海岸和非洲西海岸大陸架的形狀和地質(zhì)構(gòu)造的相似性（如巖層連續(xù)性、古生物化石分布），以及大西洋中脊的存在，科學(xué)家利用板塊構(gòu)造理論重建了約2億年前它們曾經(jīng)連接在一起（形成岡瓦納古陸）的歷史。三、行星大氣垂直結(jié)構(gòu)：通常按溫度隨高度的變化分為對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層（或電離層）。分層依據(jù)：*對流層：溫度隨高度升高而降低，大氣垂直運動為主，天氣現(xiàn)象發(fā)生在此層。*平流層：存在臭氧層，吸收大部分紫外線，溫度隨高度升高而升高，大氣以水平運動為主。*中間層：溫度隨高度升高而降低，存在流星燃燒現(xiàn)象。*熱層：溫度隨高度急劇升高，大氣高度電離，可反射無線電波。*外逸層/電離層：大氣粒子能量足以克服引力逃逸，是行星大氣的最外層。以地球為例：*主要成分：氮氣（約78%）、氧氣（約21%），少量氬氣、二氧化碳等。*物理化學(xué)性質(zhì)與影響：*保護作用：大氣層（特別是平流層臭氧）吸收了大部分有害的太陽紫外線輻射，保護地表生命。*氣候調(diào)節(jié)：大氣通過對流、輻射等方式吸收和重新分配太陽能量，維持地球表面溫度適宜。*天氣現(xiàn)象：水汽、塵埃等大氣成分是云、雨、風(fēng)等天氣現(xiàn)象的基礎(chǔ)。*壓力與聲音傳播：大氣壓力支持生命活動，并允許聲音傳播?；鹦谴髿猓?主要成分：以二氧化碳（約95%）為主，非常稀?。ū砻鎵毫H地球的1%左右）。*影響：薄弱的大氣導(dǎo)致火星表面溫度極低、晝夜溫差大，缺乏有效的大氣循環(huán)來調(diào)節(jié)溫度和輸送水汽，表面水難以穩(wěn)定存在。四、遙感技術(shù)在行星科學(xué)中的應(yīng)用：利用各種傳感器（如相機、光譜儀、雷達、磁力計等）從遠處探測和獲取行星及其環(huán)境的信息，無需直接接觸。以雷達遙感為例：*工作原理：向行星表面或大氣發(fā)射電磁波，接收目標反射回來的回波信號，通過分析回波的特征（如強度、相位、頻率等）來獲取目標的信息。對于光學(xué)厚度大、缺乏可見光反照率的行星表面或大氣，雷達尤其有效。成功案例：*火星：“火星勘測軌道飛行器”（MRO）上的高分辨率科學(xué)成像實驗（HiRISE）相機利用光學(xué)成像提供極高分辨率的火星表面圖像，用于研究地質(zhì)構(gòu)造、水蝕特征、沙丘運動等。火星雷達高度計（MARSIS）則利用低頻雷達穿透火星厚冰蓋，探測其下方冰下湖泊和結(jié)構(gòu)。*木衛(wèi)二（歐羅巴）：“伽利略”號探測器上的雷達測高儀和subsurfaceradarsoundingexperiment（SRS）首次提供了木衛(wèi)二冰殼下可能存在液態(tài)水海洋的證據(jù)，顯示了雷達探測冰封衛(wèi)星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強大能力。五、主要科學(xué)目標與發(fā)現(xiàn)：*“水手號”計劃（Mariner）：目標是飛越金星和火星，獲取初步數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)了金星濃厚大氣、表面高溫高壓；證實了火星兩極冰蓋、大氣季節(jié)性變化、表面存在火山和峽谷等。*“海盜號”計劃（Viking）：目標是登陸火星，尋找生命跡象。生物實驗未發(fā)現(xiàn)明確的生命信號，但地質(zhì)和氣象實驗證實了火星存在水冰、干冰，并有火山、峽谷、沙塵暴等，為火星環(huán)境研究奠定基礎(chǔ)。*“旅行者”計劃（Voyager）：目標是飛越木星、土星、天王星、海王星，并飛出太陽系。提供了這些巨行星及其衛(wèi)星（如木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等）的詳細圖像和科學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了環(huán)系、磁層、衛(wèi)星系統(tǒng)等。*“伽利略”號探測器（Galileo）：目標是研究木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)了木星大氣中的閃電、行星環(huán)、木星磁層結(jié)構(gòu)；確認了木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四有液態(tài)水海洋；發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二可能存在活動噴泉。*“火星探路者”號（Pathfinder）&“勇氣號”與“機遇號”火星車（Spirit&Opportunity）：目標是探測火星表面環(huán)境和尋找生命跡象。Pathfinder成功著陸并部署了“索杰納”漫游車。Spirit和Opportunity發(fā)現(xiàn)了古代火星可能存在液態(tài)水的證據(jù)（如沉積巖、硫酸鹽礦物），Opportunity在火星毅力號任務(wù)中繼續(xù)工作多年。*“好奇號”火星車（Curiosity）：目標是調(diào)查蓋爾撞擊坑地區(qū)的古環(huán)境，評估其過去宜居性和生命潛力。發(fā)現(xiàn)了有機物、古代河流湖泊沉積物、硫酸鹽和碳酸鹽等，強烈支持火星過去存在液態(tài)水環(huán)境的結(jié)論。*“卡西尼-惠更斯”號探測器（Cassini-Huygens）：目標是研究土星及其衛(wèi)星系統(tǒng)。提供了土星環(huán)極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)細節(jié)；發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六（泰坦）濃厚大氣和液態(tài)甲烷湖泊；惠更斯探測器成功著陸土衛(wèi)二（恩克拉多斯）并發(fā)現(xiàn)了其冰下海洋和噴泉。*“新視野”號探測器（NewHorizons）：目標是飛越冥王星及其衛(wèi)星系統(tǒng)，并繼續(xù)深入太陽系外圍。首次提供了冥王星的詳細全球圖像，揭示了其氮冰山脈、冰火山、衛(wèi)星（卡戎、尼爾瓦娜、霍尼格等）的特征。選擇“伽利略”號：*關(guān)鍵技術(shù)特點：采用了軌道器與著陸器（反物質(zhì)火箭、降落傘、多波段雷達、相機、光譜儀等）一體化的設(shè)計；具有強大的姿態(tài)控制能力和長壽命電源（放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器RTG）；實現(xiàn)了對多個目標的多任務(wù)探測。*對后續(xù)探測任務(wù)的啟示：證明了長期深空探測的可行性；展示了復(fù)雜空間系統(tǒng)設(shè)計、集成和飛行的能力；其獲取的大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗為后續(xù)的火星、木星探測任務(wù)（如火星勘測軌道飛行器、朱諾號）提供了寶貴的技術(shù)和科學(xué)參考。六、交叉融合之處：1.地質(zhì)學(xué)+行星科學(xué)：地質(zhì)學(xué)理論（如板塊構(gòu)造、火山學(xué)、沉積學(xué)）被廣泛應(yīng)用于解釋行星表面地貌（如山脈、峽谷、隕石坑、火山）、內(nèi)部結(jié)構(gòu)（通過地震學(xué)）和物質(zhì)組成（通過巖石和土壤分析）。行星地質(zhì)勘探（如火星車鉆探）直接借鑒地球地質(zhì)調(diào)查方法。2.物理學(xué)+行星科學(xué)：行星大氣物理學(xué)研究大氣環(huán)流、氣候模型、熱力學(xué)過程；行星磁場物理學(xué)通過磁力探測研究行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)；行星電離層物理學(xué)研究等離子體現(xiàn)象；廣義相對論通過行星軌道精確測量得到驗證。3.化學(xué)+行星科學(xué)：行星化學(xué)分析隕石和行星表層物質(zhì)，確定元素和化合物組成，追溯行星形成和演化歷史；大氣化學(xué)研究行星大氣成分、化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過程；生命化學(xué)在尋找系外行星生命跡象或研究早期地球生命起源時提供理論基礎(chǔ)。4.生物學(xué)+行星科學(xué)：行星生物學(xué)（或稱astrobiology）直接關(guān)注外星生命的可能性，研究行星環(huán)境（溫度、水、大氣、化學(xué)）是否宜居，開發(fā)生命探測技術(shù)，分析隕石中的生物標記物。結(jié)合實例：*實例：利用物理學(xué)中的電磁學(xué)和光學(xué)原理，結(jié)合化學(xué)成分分析，通過望遠鏡觀測系外行星的“凌日法”（當行星穿過其母恒星前方時，導(dǎo)致恒星亮度短暫下降），可以推斷出行星的大小、軌道周期、與恒星的距離等基本參數(shù)，甚至通過分析光變曲線的細微特征（如次級凌日或熱慣性效應(yīng)）來探測行星大氣成分（如水蒸氣、云層）。七、教學(xué)單元設(shè)計：系外行星探測方法及其意義*教學(xué)目標：1.知識目標：了解系外行星的主要探測方法（如凌日法、視向速度法、微引力透鏡法、直接成像法等）的基本原理；掌握當前已發(fā)現(xiàn)的主要系外行星系統(tǒng)的特點（如大小、質(zhì)量、軌道、組成）；理解系外行星探測對認識太陽系形成、行星演化以及生命在宇宙中普遍性（或特殊性）的意義。2.能力目標：能夠分析不同探測方法的優(yōu)缺點和適用范圍；能夠解讀簡單的系外行星觀測數(shù)據(jù)或圖表；能夠就系外行星的宜居性問題進行初步的討論和論證。3.情感態(tài)度與價值觀目標：激發(fā)學(xué)生對宇宙探索的興趣；培養(yǎng)科學(xué)探究精神和批判性思維；認識到人類在探索宇宙中的角色和責(zé)任。*教學(xué)內(nèi)容與活動：1.引入（10分鐘）：播放一段關(guān)于系外行星發(fā)現(xiàn)的紀錄片片段或展示震撼的系外行星藝術(shù)想象圖，提出問題：“我們是否是宇宙中唯一的生命？”引出系外行星探測的主題。2.探測方法介紹（30分鐘）：*講解凌日法（原理：測量恒星亮度變化；應(yīng)用：開普勒太空望遠鏡、TESS）；結(jié)合動畫演示亮度曲線的提取。*講解視向速度法（原理：多普勒效應(yīng)，測量恒星“搖擺”；應(yīng)用：高精度視向速度測量設(shè)備）。*講解微引力透鏡法（原理：大質(zhì)量天體（如恒星）引力使背景星光彎曲放大；應(yīng)用：引力透鏡計劃）。*講解直接成像法（原理：直接拍攝行星反射或發(fā)射的光；應(yīng)用：哈勃太空望遠鏡、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡）。*活動一：小組討論，比較不同方法的原理、所需設(shè)備、探測的行星類型（如氣態(tài)巨行星vs.類地行星）、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。3.發(fā)現(xiàn)與特點（20分鐘）：*介紹目前已發(fā)現(xiàn)的一些代表性系外行星系統(tǒng)（如開普勒-186f、比鄰星b、HD209458b、TrES-1b等），展示其大小、質(zhì)量、軌道周期、與母恒星距離等數(shù)據(jù)。*討論系外行星的多樣性，強調(diào)與太陽系行星的異同。*活動二：分析一張簡單的系外行星亮度曲線圖，估算行星的大小和軌道周期。4.意義與展望（20分鐘）：*討論系外行星探測對理解行星形成和演化的貢獻。*重點討論系外行星的宜居性（定義：是否具備液態(tài)水存在的條件），分析宜居帶、大氣層、液態(tài)水等關(guān)鍵因素。*介紹詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在系外行星探測方面的作用和期待。*活動三：小組辯論：某顆系外行星（如具有液態(tài)水潛力的行星）是否可能存在生命？要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識和資料進行論證。5.總結(jié)（10分鐘）：教師總結(jié)本單元核心內(nèi)容，強調(diào)系外行星探測的前沿性和挑戰(zhàn)性，鼓勵學(xué)生持續(xù)關(guān)注相關(guān)進展。*評估方式：1.課堂參與：觀察學(xué)生在討論、提問、辯論中的表現(xiàn)。2.活動作業(yè)：小組討論記錄、分析圖表的簡要報告、辯論論點陳述。3.單元測驗（可選）：設(shè)計幾道選擇題或簡答題，考察對探測方法原理、關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)和基本概念的掌握程度。八、當前行星科學(xué)研究面臨的主要挑戰(zhàn)：1.技術(shù)挑戰(zhàn)：*觀測分辨率與靈敏度：分辨和探測系外行星（尤其是類地行星）及其大氣細節(jié)、測量其微小的視向速度變化仍然困難。需要更高分辨率的光學(xué)/空間望遠鏡（如詹姆斯·韋伯）和更精確的測速設(shè)備。*直接成像能力：氣態(tài)巨行星的直接成像相對容易，但直接成像類地行星仍極具挑戰(zhàn)，需要克服母恒星強烈的光暈干擾。*探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分：精確解析行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如地核、地幔、地殼）和詳細化學(xué)成分（特別是地表以下和大氣深處）需要更先進的探測手段（如更精密的地震學(xué)、中微子天文學(xué)、光譜分析技術(shù)）。*深空探測的耐久性與成本：發(fā)射復(fù)雜探測器前往其他行星（如火星、木星系統(tǒng)）進行實地考察，面臨長距離、高輻射、能源供應(yīng)、著陸/漫游等技術(shù)難題，成本極高。2.數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)：*海量數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)代探測任務(wù)（如韋伯、火星勘測軌道飛行器）產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如何高效存儲、處理、分析和解讀這些數(shù)據(jù)是一大挑戰(zhàn)。*數(shù)據(jù)融合與整合：需要整合來自不同探測器、不同任務(wù)、不同波段的多樣化數(shù)據(jù)，進行綜合分析，才能獲得更全面的科學(xué)認識。*數(shù)據(jù)標準化與共享：建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，促進全球科學(xué)界的數(shù)據(jù)共享和合作，對于推動科學(xué)發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。3.理論挑戰(zhàn)：*行星形成理論的完善：現(xiàn)有理論（如星云假說）在解釋行星多樣性（如地球-火星質(zhì)量差異、系外行星的極端軌道）方面仍有不足，需要更完善的理論模型。*宜居性標準的普適性：地球是唯一已知生命行星，基于地球經(jīng)驗提出的宜居性標準是否適用于其他行星，其普適性有待驗證。*生