2025天文學(xué)專業(yè)705天文學(xué)基礎(chǔ)練習(xí)卷考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪個(gè)定律描述了行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌道？A.牛頓第二定律B.開普勒第三定律C.玻爾茲曼分布D.霍普金斯定律2.天文觀測(cè)中，將物體亮度降低的主要原因是？A.物體自身發(fā)光減弱B.星際介質(zhì)吸收能量C.觀測(cè)儀器分辨率降低D.觀測(cè)者與物體距離變遠(yuǎn)3.恒星光譜分類中，spectralclassO的恒星通常具有最高的？A.溫度B.亮度C.質(zhì)量D.半徑4.標(biāo)志著主序星結(jié)束其生命階段的重要物理過程是？A.核聚變開始B.核燃料耗盡C.外層物質(zhì)被吹散D.白矮星形成5.以下哪項(xiàng)不是衡量星系旋轉(zhuǎn)速度的常用方法？A.視差測(cè)量B.多普勒效應(yīng)C.譜線輪廓寬展D.光度測(cè)量6.宇宙大爆炸理論的主要證據(jù)之一是？A.宇宙膨脹B.恒星形成活動(dòng)C.星系團(tuán)聚集D.沙普利-克勞特發(fā)現(xiàn)7.能夠描述理想黑體輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化規(guī)律的定律是？A.斯蒂芬-玻爾茲曼定律B.維恩位移定律C.普朗克定律D.玻爾茲曼分布8.星際塵埃對(duì)可見光的影響主要是？A.反射B.散射C.吸收D.負(fù)折射9.赫羅圖（H-Rdiagram）主要用來區(qū)分哪種類型的恒星？A.按顏色分類B.按質(zhì)量分類C.按距離分類D.按亮度分類10.下列哪項(xiàng)不是宇宙學(xué)中的基本參數(shù)？A.紅移（z）B.宇宙膨脹速率（H?）C.暗物質(zhì)密度D.重子物質(zhì)密度二、填空題（每空2分，共30分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.天文學(xué)上衡量天體距離的基本單位是__________。2.光在真空中傳播的速度約為__________千米/秒。3.恒星的能量來源是其核心發(fā)生的__________過程。4.光譜中，吸收線（暗線）的出現(xiàn)表明介質(zhì)存在__________。5.質(zhì)量大于太陽(yáng)8倍左右的恒星，其最終演化結(jié)局可能是__________。6.星系按形狀可分為旋渦星系、橢圓星系和__________。7.描述宇宙膨脹的動(dòng)力學(xué)方程通常包含哈勃常數(shù)__________和宇宙學(xué)常數(shù)__________。8.天體力學(xué)中，開普勒第三定律的數(shù)學(xué)形式為P2∝a3，其中P代表軌道周期，a代表__________。9.星際介質(zhì)的主要成分是__________和少量塵埃顆粒。10.熱力學(xué)定律中，能量守恒定律常表述為“能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式__________為另一種形式，或者從一個(gè)物體__________到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變?！比⒚~解釋（每題3分，共15分。請(qǐng)給出簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義。）1.視差2.黑體輻射3.主序星4.星系團(tuán)5.宇宙微波背景輻射四、計(jì)算題（每題5分，共20分。請(qǐng)寫出必要的公式、演算步驟和結(jié)果。）1.假設(shè)一顆恒星的視星等m=+5.0，距離地球d=4.24光年。試計(jì)算其絕對(duì)星等M（已知1光年約等于9.46×101?米，1秒差距約等于3.26光年，1秒差距對(duì)應(yīng)的絕對(duì)星等為0.0）。2.已知某行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的半長(zhǎng)軸a=1.5天文單位（AU），公轉(zhuǎn)周期T=1年。根據(jù)開普勒第三定律，計(jì)算該行星公轉(zhuǎn)的平均速度v（提示：1年=365.25天，1AU=1.496×1011米）。3.一個(gè)理想黑體在其溫度T?=6000K時(shí)，峰值輻射波長(zhǎng)λ?=5000?（埃）。如果溫度升高到T?=12000K，試根據(jù)維恩位移定律，計(jì)算其峰值輻射波長(zhǎng)λ?，并說明峰值波長(zhǎng)如何隨溫度變化。4.一顆恒星的光譜型為B0V，其表面有效溫度T_eff≈30000K。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，估算該恒星單位表面積的總輻射功率（σ=5.67×10??Wm?2K?）。五、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分。請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述開普勒三大定律的主要內(nèi)容。2.解釋什么是視差法，并說明其測(cè)量天體距離的原理和局限性。3.恒星內(nèi)部發(fā)生核聚變需要克服哪些主要的物理障礙？恒星如何克服這些障礙？4.簡(jiǎn)述星系的主要類型及其基本特征。5.什么是宇宙膨脹？有哪些主要證據(jù)支持宇宙膨脹？六、論述題（每題10分，共20分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行較為全面的闡述。）1.試述恒星從主序階段演化到其最終階段（白矮星、中子星或黑洞）的主要過程及其背后的物理機(jī)制。2.論述測(cè)量宇宙年齡的主要方法及其面臨的挑戰(zhàn)和不確定性。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.B5.A6.A7.C8.B9.B10.A二、填空題1.光年(或秒差距，或parsec)2.299792.458(或約3×10?)3.核聚變(或核反應(yīng))4.吸收粒子(或原子)5.中子星(或黑洞)6.不規(guī)則星系(或Irr)7.H?,Λ(或大小字母均可)8.半長(zhǎng)軸(或semi-majoraxis)9.氫氣(或HII區(qū)氣體)10.轉(zhuǎn)化(或transform),轉(zhuǎn)移(或transfer)三、名詞解釋1.視差：由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，從不同位置觀察近處恒星，其視線方向產(chǎn)生的年際變化量。2.黑體輻射：理想物體（黑體）在任何溫度下都會(huì)按照其溫度輻射電磁波，且輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)分布遵循特定規(guī)律（普朗克定律）。3.主序星：處于主序階段恒星是恒星演化中最長(zhǎng)階段的階段，在此階段，恒星核心主要進(jìn)行氫核聚變形成氦，其能量輸出和結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，位于赫羅圖的主序帶。4.星系團(tuán)：由多個(gè)星系（包括橢圓星系、旋渦星系、不規(guī)則星系等）以及大量星系團(tuán)際氣體和暗物質(zhì)組成的gravitationallybound天體系統(tǒng)。5.宇宙微波背景輻射：大爆炸理論預(yù)言的殘余熱輻射，是一種遍布整個(gè)宇宙、溫度極低（約2.7K）的blackbody輻射，是宇宙學(xué)的重要證據(jù)。四、計(jì)算題1.解：利用絕對(duì)星等與視星等、距離的關(guān)系式m-M=5log(d/pc)+5，其中d=4.24光年≈4.24/3.26pc≈1.3pc。M=m-5log(d/pc)-5=5.0-5log(1.3)-5=5.0-5(0.114)-5=5.0-0.57-5=-0.57(或-0.6，取決于對(duì)數(shù)精度和保留位數(shù))。答：絕對(duì)星等M≈-0.57。2.解：開普勒第三定律P2=a3，其中P=1年，a=1.5AU。平均軌道速度v=2πa/P。將a=1.5AU×1.496×1011m/AU=2.244×1011m，P=1年×365.25天/年×24小時(shí)/天×3600秒/小時(shí)≈3.15576×10?秒。v=2π×2.244×1011m/3.15576×10?s≈4.49×101?m/3.15576×10?s≈1.42×10?m/s。答：平均速度v≈1.42×10?m/s。3.解：根據(jù)維恩位移定律λ?T?=λ?T?。λ?=λ?T?/T?=5000?×6000K/12000K=2500?。峰值波長(zhǎng)隨溫度升高而減小。答：峰值輻射波長(zhǎng)λ?=2500?。峰值波長(zhǎng)隨溫度升高而減小。4.解：根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律R=σT?，其中σ=5.67×10??Wm?2K?，T=30000K。R=5.67×10??×(30000)?≈5.67×10??×8.1×101?≈4.6×10?W/m2。答：?jiǎn)挝槐砻娣e總輻射功率約4.6×10?W/m2。五、簡(jiǎn)答題1.開普勒第一定律（橢圓定律）：所有行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。開普勒第二定律（面積定律）：行星與太陽(yáng)的連線在相等時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等，即行星運(yùn)動(dòng)速度與其到太陽(yáng)的距離成反比。開普勒第三定律（周期定律）：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比(P2∝a3)。該定律也適用于其他中心天體繞行的天體。2.視差法是通過測(cè)量天體在一年中相對(duì)于更遙遠(yuǎn)背景天體的角位移（視差）來計(jì)算其距離的方法。其原理是基于地球公轉(zhuǎn)：測(cè)量同一時(shí)刻該天體相對(duì)于背景星的角距離，然后根據(jù)地球繞日公轉(zhuǎn)的基線長(zhǎng)度（1個(gè)天文單位）和測(cè)得的角距離（弧秒），利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出天體的距離（以秒差距為單位）。局限性主要在于：只有距離很近的天體（如近距離恒星）才有足夠大的視差角（角秒級(jí)）能被精確測(cè)量；隨著距離增大，視差角迅速減小，難以精確測(cè)量。3.恒星內(nèi)部核聚變需要克服的主要物理障礙包括：*庫(kù)侖斥力（電磁力）：原子核都帶正電，相互之間存在強(qiáng)大的靜電排斥力。*核結(jié)合能的束縛：需要提供足夠的能量使原子核能夠克服庫(kù)侖斥力，足夠接近以發(fā)生核反應(yīng)。恒星克服這些障礙的方式主要是利用其巨大的引力。恒星內(nèi)部極高的壓力（由自身引力引起）將原子核壓縮到極小的體積，使得它們靠得足夠近，使得強(qiáng)大的核力（強(qiáng)相互作用力）能夠克服庫(kù)侖斥力，從而發(fā)生核聚變。同時(shí)，核心需要達(dá)到極高的溫度（數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)度），為原子核提供足夠的動(dòng)能，使其能夠克服庫(kù)侖勢(shì)壘。這種引力壓力和核心高溫的平衡狀態(tài)稱為流體靜力學(xué)平衡。4.星系主要可分為：*橢圓星系（EllipticalGalaxies）：形狀呈橢圓形，從扁球狀到近球狀，通常沒有明顯的旋臂結(jié)構(gòu)或塵埃帶，顏色偏藍(lán)或偏紅，金屬豐度較低，星系活動(dòng)（如星系核活動(dòng)）較少。按扁率分為不同等級(jí)（E0-E7）。*旋渦星系（SpiralGalaxies）：具有明顯的旋臂結(jié)構(gòu)，旋臂呈螺旋狀延伸，通常中心有一個(gè)突出的核球（有時(shí)包含活躍星系核），塵埃和年輕恒星分布明顯，顏色偏藍(lán)，金屬豐度較高。按旋臂緊致程度和核球大小分為不同類型（Sa-Sd）。*不規(guī)則星系（IrregularGalaxies）：沒有明顯的規(guī)則形狀或結(jié)構(gòu)，形態(tài)混亂，通常包含大量年輕恒星、星團(tuán)和星云，活動(dòng)性強(qiáng)，金屬豐度通常也較低。可能是旋渦星系或橢圓星系的碎片，或經(jīng)歷過劇烈相互作用。5.宇宙膨脹是指宇宙空間本身隨時(shí)間擴(kuò)張，導(dǎo)致星系之間相互遠(yuǎn)離的現(xiàn)象。其原理是宇宙從一個(gè)高溫高密狀態(tài)演化至今，空間本身在不斷伸展，將其中的星系帶離。主要證據(jù)包括：*哈勃定律：觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系的光譜存在紅移（多普勒效應(yīng)），且星系的紅移量（或退行速度v）與其距離d成正比（v=H?d），表明宇宙在膨脹。*宇宙微波背景輻射（CMB）：是大爆炸留下的“余暉”，均勻地分布在宇宙空間中，溫度極低（約2.7K），是宇宙早期熾熱狀態(tài)的直接證據(jù)。*元素的豐度：宇宙早期核合成理論預(yù)言了輕元素（如氫、氦、鋰）的豐度，與宇宙模型計(jì)算結(jié)果吻合得很好，而這些元素豐度與宇宙的膨脹速率和年齡密切相關(guān)。*大尺度結(jié)構(gòu)的形成：宇宙微波背景輻射中的微小溫度起伏，經(jīng)過漫長(zhǎng)的演化，通過引力作用形成了我們今天觀測(cè)到的星系、星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)，其形成模式也支持宇宙膨脹的模型。六、論述題1.恒星的演化是其核心核燃料消耗和自身引力平衡狀態(tài)被打破后的自然過程。對(duì)于質(zhì)量小于約8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星：*它們?cè)谥餍螂A段消耗氫核聚變形成氦。*氦耗盡后，核心收縮升溫，當(dāng)溫度和壓力足夠高時(shí)，開始進(jìn)行氦核聚變（氦閃），形成碳和氧。*氦殼層外部可能還存在氫殼層繼續(xù)聚變。*氦聚變結(jié)束后，核心再次收縮升溫，若質(zhì)量足夠（通常大于約0.7倍太陽(yáng)質(zhì)量），會(huì)依次點(diǎn)燃碳、氧等更重的元素，直到形成鐵。*鐵核無(wú)法通過聚變釋放能量，反而吸收能量，當(dāng)核心質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限（約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量）時(shí)，引力無(wú)法支撐，核心會(huì)突然崩潰，引發(fā)超新星爆發(fā)（TypeII）。*爆發(fā)后，核心殘骸會(huì)塌縮成中子星（密度極高，由中子組成）。*對(duì)于質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限但大于約0.23倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，超新星爆發(fā)不會(huì)摧毀整個(gè)恒星，外層物質(zhì)被拋射到星際空間，留下一個(gè)致密的白矮星（主要由碳氧核組成，體積小，密度大，依靠電子簡(jiǎn)并壓力支撐）作為最終歸宿。對(duì)于質(zhì)量大于約8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星：*其演化過程與低質(zhì)量恒星類似，會(huì)經(jīng)歷主序、氦序、碳序、氧序等階段，依次合成更重的元素，直至核心形成鐵。*鐵核心的崩潰引發(fā)超新星爆發(fā)（TypeIb/c或TypeIc），但這次爆發(fā)威力更大，能量足以將整個(gè)核心徹底摧毀。*爆發(fā)后留下的殘骸是密度極高的黑洞（引力如此強(qiáng)大，連光也無(wú)法逃脫）。2.測(cè)量宇宙年齡的主要方法及其挑戰(zhàn)和不確定性包括：*基于標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）的方法：*方法：利用宇宙微波背景輻射（CMB）的偏振信息精確測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)（如奧米克戎值Ω<0xE2><0x82><0x98>，暗能量密度參數(shù)w<0xE2><0x82><0x99>），結(jié)合哈勃常數(shù)H?和減速參數(shù)q?（或暗能量方程ofstate參數(shù)w<0xE2><0x82><0x99>），通過解宇宙動(dòng)力學(xué)方程推算宇宙的年齡t?（約等于當(dāng)前哈勃時(shí)間H?1?，但需考慮宇宙的曲率）。這是目前理論上最精確的方法。*挑戰(zhàn)與不確定性：對(duì)哈勃常數(shù)H?的測(cè)量存在顯著系統(tǒng)不確定性和爭(zhēng)議（“哈勃張力”）；對(duì)暗能量性質(zhì)（特別是w<0xE2><0x82><0x99>）的認(rèn)識(shí)尚不完全；需要精確的宇宙學(xué)初始條件等。*基于造父變星（CepheidVariables）的方法：