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高考申論題 105年 [天文] 近代物理

第 一 題

📖 題組:
太陽的半徑為7.0×10⁸m,其表面溫度為5.8×10³K,如果將太陽視為黑體,試問:
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

求其輻射的總功率為何?(10分)

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看到「黑體」、「表面溫度」求「總功率」,應直覺聯想到斯特凡-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)。將太陽視為球體計算出表面積後,直接代入公式 P = σAT⁴ 即可求解,過程中需特別小心科學記號的次方運算與斯特凡-波茲曼常數的引用。

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【解題思路】利用斯特凡-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)計算球形黑體的輻射總功率。 【詳解】 已知:

小題 (二)

太陽至地球的距離為1.5×10¹¹m,地球的半徑為6.4×10⁶m,則地球接收太陽的輻射功率為何?(5分)

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本題核心在於「能量守恆」與「幾何截面」概念的結合。首先需利用斯特凡-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)計算太陽的表面輻射強度,接著由距離平方反比定律求出地球軌道處的輻射強度。最後,務必注意地球攔截輻射的有效面積為其迎光面的「圓截面積(πR²)」而非球體表面積。

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【解題思路】結合斯特凡-波茲曼定律計算太陽總輻射功率,並利用能量守恆(距離平方反比定律)求得地球處的太陽輻射強度,最後乘上地球的有效截面積即可得出接收總功率。 【詳解】 已知條件整理:

小題 (三)

太陽輻射最強的波段是在 475 nm,如果太陽的表面溫度增加 1000 K,則輻射最強的波段為何?(5分)

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看到「黑體輻射最強波段」與「溫度」的關係,應立即想到「維恩位移定律(Wien's Displacement Law)」。利用最大輻射波長與絕對溫度成反比的特性(λ_max × T = 常數),透過比例式即可求得新波長。

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【解題關鍵】根據維恩位移定律(Wien's Displacement Law),黑體輻射最強波段的波長與其表面絕對溫度成反比,即 $\lambda_{max} T = \text{常數}$。 【解答】 計算:

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