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INVOL / RESEARCH

天体运动

从经典力学与数值求解出发,探索星系潮汐尾或特洛伊小行星轨道。

自然科学(物理:经典动力学、天体物理、计算物理)

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相互作用的星系与周围星空
独立学术配图 · 摘自原科研海报

课程概览

在天文学中,潮汐尾是指在星系相互作用或合并过程中,由于引力作用而形成的由恒星和气体组成的细长结构。本微科研课题学习微分方程、计算物理、部分天体物理相关知识,然后应用所学知识,计算模拟两个星系相互作用时所产生潮汐尾,通过增加、改变物理参数,学习并理解这些参数对于潮汐尾的影响。

学习目标

  1. 学习微分方程、偏微分方程相关知识
  2. 学习并理解龙格-库塔法数值求解微分方程
  3. 学习大学经典动力学相关内容
  4. 掌握使用 Python 进行龙格-库塔法求解微分方程
  5. a 选项:通过 N-body 模拟两个相互作用的星系,学习星系质量、旋转方向对于形成的潮汐尾的影响,并通过模拟了解暗物质对于相互作用星系的影响。
  6. b 选项:模拟在 L4、L5 拉格朗日点上的小行星轨道,学习小行星的初始运动条件对其轨道的影响。
  7. 提升学术英语写作能力
  8. 构建文书主体段落

逐课课程纲要

01

大学牛顿力学、参照系

运动方程、旋转参照系、虚力

02

圆锥曲线、天体运动轨道

束缚/非束缚轨道、抛物线轨道、双曲轨道等

03

拉格朗日力学

变分法、欧拉-拉格朗日方程

04

常微分方程、偏微分方程

常微分/偏微分方程类型及对应解法

05

计算物理

计算物理的应用场景、龙格-库塔法求解微分方程

06

Python 仿真(可选 a 或 b)

a)通过一些理想化假设进行建模,模拟第一个星系 b)使用龙格-库塔法计算太阳-木星-特洛伊小行星运动轨迹

07

Python 仿真(可选 a 或 b)

a)建模第二个星系并模拟两星系相互作用后的天体运动 b)增加微小扰动,学习特洛伊小行星的轨道变化

08

Python 仿真(可选 a 或 b)

a)学习了解暗物质相关知识 b)通过改变速度初始条件,计算出特洛伊小行星仍在拉格朗日点周围游荡的速度的变化范围

09

Python 仿真(可选 a 或 b)

a)在模型中加入暗物质,并模拟其对星系相互作用的影响 b)将木星质量替换为其它行星,推导出小行星的游荡范围与行星质量之间的关系

10

分析总结

总结实验结果、撰写英文实验报告、后续用于文书主体段落

研究方法与成果表达

  • 理论:经典动力学、微分方程与数值求解。
  • 仿真:在两条研究路径中择一,用 Python 比较物理参数。
  • 表达:分析模拟结果,完成英文学术报告。

EXPLORE / QUESTION / DISCOVER

从一个问题,开始你的研究。

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