2025年大学《行星科学》专业题库- 行星间碰撞与撞击事件模拟

2025年大学《行星科学》专业题库——行星间碰撞与撞击事件模拟考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪个定律描述了两个物体之间的引力大小？A.开普勒定律B.牛顿万有引力定律C.霍尔定律D.爱因斯坦相对论2.在天体力学中，描述行星绕恒星运动的轨道形状的参数是？A.碰撞参数B.轨道偏心率C.逃逸速度D.惯性离心率3.以下哪种类型的碰撞会导致动能的完全损失？A.弹性碰撞B.非弹性碰撞C.完全非弹性碰撞D.爆炸性碰撞4.撞击坑的直径主要取决于以下哪个因素？A.撞击体的密度B.撞击体的速度C.撞击体的形状D.行星的重力加速度5.以下哪种数值模拟方法适用于模拟流体动力学问题？A.有限元法B.有限差分法C.有限体积法D.元胞自动机法6.在进行撞击事件模拟时，选择合适的时间步长主要需要考虑？A.模拟软件的性能B.模拟的精度要求C.用户的计算能力D.行星的质量大小7.撞击事件发生后，在撞击坑中心下方通常形成的特殊地质构造是？A.透镜体B.环形山C.中央峰D.喷射物锥8.用于模拟天体碰撞的SPH方法指的是？A.有限元方法B.有限差分方法C.有限体积方法D.帕米拉流体动力学方法9.以下哪个事件被认为是导致恐龙灭绝的主要原因？A.地质构造运动B.海底火山喷发C.小行星撞击D.气候变化10.对行星表面进行撞击坑密度统计，可以推断出？A.行星的年龄B.行星的成分C.行星的质量D.行星的自转速度二、填空题1.开普勒第三定律指出，行星绕恒星公转的平方与其轨道半长轴的______成正比。2.碰撞参数是指入射天体轨道在目标天体引力作用下的______与两者中心距离之比。3.撞击坑的形成过程通常可以分为______、膨胀和沉降三个阶段。4.数值模拟中，网格划分的疏密程度会影响模拟结果的______和精度。5.撞击事件可以导致行星表面物质被______到太空，并在其他天体上留下记录。6.在撞击动力学中，动量守恒定律表明，碰撞前后系统的______保持不变。7.研究地球撞击事件的重要地质记录包括______和熔融岩石碎屑。8.对于小行星的防御，目前主要考虑的方案包括______和引力牵引。9.喷射物在行星表面的沉积形成的特殊地貌称为______构造。10.模拟结果的可视化可以帮助我们直观地理解______的过程和特征。三、简答题1.简述开普勒三大定律的主要内容。2.解释什么是弹性碰撞，并说明其特征。3.简述数值模拟在行星科学研究中的作用。4.列举三种常见的撞击事件模拟软件，并简述其特点。四、计算题1.假设一个质量为1x10^10kg的asteroid以30km/s的速度与地球正碰，地球质量为6x10^24kg。假设碰撞为完全非弹性碰撞，求碰撞后地球和asteroid的共同速度。2.假设一个撞击事件产生了直径为100km的撞击坑，如果撞击体的密度为3000kg/m^3，速度为20km/s，估算撞击体的质量（假设撞击为点源撞击）。五、论述题论述撞击事件对行星演化的影响，并举例说明。试卷答案一、选择题1.B2.B3.C4.B5.C6.B7.C8.D9.C10.A二、填空题1.三次方2.最短距离3.碰撞压缩4.收敛性5.喷射6.总动量7.撞击坑8.轨道改变9.中央隆起10.撞击过程三、简答题1.解析思路：回答开普勒三大定律的核心内容：轨道定律、面积定律、周期定律。轨道定律指行星绕恒星运动的轨道是椭圆，恒星位于椭圆的一个焦点上；面积定律指行星与恒星连线在相等时间内扫过的面积相等，即行星近日点运动速度快，远日点运动速度慢；周期定律指行星绕恒星公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。*答：开普勒三大定律的主要内容为：第一定律（轨道定律），行星绕恒星运动的轨道是椭圆，恒星位于椭圆的一个焦点上；第二定律（面积定律），行星与恒星连线在相等时间内扫过的面积相等；第三定律（周期定律），行星绕恒星公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。2.解析思路：解释弹性碰撞的定义，即碰撞前后系统的总动能守恒。说明其特征：碰撞物体间没有机械能的耗散，通常也伴随着动量守恒。*答：弹性碰撞是指碰撞过程中系统的总动能保持不变的碰撞。其特征是碰撞前后系统的总动量守恒，总动能也守恒，即没有机械能转化为热能或其他形式的能量。3.解析思路：说明数值模拟可以帮助解决行星科学中难以通过理论分析解决的问题，例如复杂的碰撞过程、天体内部结构演化等。强调其可以模拟天体运动、碰撞过程、物质分布等，并提供可视化结果帮助理解。*答：数值模拟在行星科学中的作用在于可以模拟天体在复杂引力作用下的运动、碰撞过程、物质分布和演化等难以通过理论分析解决的问题。它能够将复杂的物理过程分解为一系列简单的步骤进行计算，并提供可视化结果，帮助我们理解行星的形成、演化和当前状态。4.解析思路：列举三种常用的撞击事件模拟软件，如SW4（显式动力学）、LS-DYNA（显式动力学）、SPHysics（光滑粒子流体动力学）。简述其特点，例如SW4和LS-DYNA基于有限元或有限差分，适用于固体碰撞，SPHysics基于SPH方法，适用于流体和颗粒材料。*答：三种常见的撞击事件模拟软件包括SW4、LS-DYNA和SPHysics。SW4是一款基于显式动力学的有限元软件，适用于模拟高速碰撞和爆炸现象；LS-DYNA也是一款显式动力学软件，功能强大，适用于各种复杂的碰撞问题；SPHysics是一款基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法的软件，适用于模拟流体、颗粒材料以及流体-固体的耦合碰撞问题。四、计算题1.解析思路：应用动量守恒定律。设asteroid质量为m1，速度为v1；地球质量为m2，速度为v2；碰撞后共同速度为v。根据动量守恒，m1v1+m2v2=(m1+m2)v。由于asteroid与地球正碰，地球初始速度v2=0，代入数据计算v即可。*答：m1v1+m2v2=(m1+m2)v=>m1v1=(m1+m2)v=>v=(m1v1)/(m1+m2)=(1x10^10kg*30km/s)/(1x10^10kg+6x10^24kg)≈5x10^-15km/s2.解析思路：使用撞击坑能量平衡估算公式。撞击能量E≈(1/4)*π*D^2*ρ*v^2，其中D为撞击坑直径，ρ为撞击体密度，v为撞击速度。撞击能量也近似等于撞击体动能(1/2)*m*v^2。假设撞击体为点源，质量m=(1/2)*π*(D/2)^2*ρ=(π/8)*D^2*ρ。将质量代入动能表达式，并与撞击坑能量平衡方程联立，消去ρ和v^2，解出m。*答：撞击能量E≈(1/4)*π*D^2*ρ*v^2=>(1/2)*m*v^2≈(1/4)*π*D^2*ρ*v^2=>m≈(π/8)*D^2*ρ。撞击体质量m=(π/8)*D^2*ρ=(π/8)*(100km)^2*3000kg/m^3≈1.178x10^13kg五、论述题解析思路：从撞击的能量释放、物质喷射与重轰炸期、形成大型天体、改变轨道与毁灭等方面论述撞击事件对行星演化的影响。举例说明，如地球-月球形成撞击、早期太阳系重轰炸期、恐龙灭绝撞击事件等。*答：撞击事件对行星演化产生了深远的影响。首先，高速撞击释放巨大能量，可以熔化甚至汽化行星物质，改变行星的成分和结构。其次，撞击可以喷射物质到太空，形成行星环或影响其他天体的成分，例如早期太阳系的重轰炸期就是由大量小行星