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高考申論題 106年 [天文] 天文學

第 一 題

📖 題組:
太陽系中目前已知有八顆行星,五顆矮行星,其中地球這顆行星距離太陽平均 1 AU(一億五千萬公里),公轉週期一年,繞行太陽軌道速度約30 km/s。(每小題5 分,共30 分)
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

土星距離太陽約 10 AU,試估計其公轉週期。

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看到此題應立刻聯想到「克卜勒第三運動定律(調和定律)」。利用週期平方與軌道半長軸三次方成正比的關係,並以地球的參數(1年、1 AU)作為基準比例進行快速換算。

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【解題思路】利用克卜勒第三運動定律(調和定律)計算行星的公轉週期。 【詳解】 已知:

小題 (二)

海王星距離太陽約 30 AU,軌道速度約 5 km/s。試估計從地球看海王星位置每天大約移動多少角秒。

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這是一道典型的天文運動學估測題。解題時需考慮觀測者(地球)與目標(海王星)的相對運動,因為外行星的視運動受地球公轉的影響極大。通常這類題目會假設在觀測最典型且最明顯的「衝(Opposition)」位置,計算其相對橫向速度與距離,再利用弧度換算求出每日的視角位移。

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【解題思路】利用地球與海王星在「衝(Opposition)」時的相對速度與相對距離,估算其在天球上最大(逆行)的相對角速度。 【詳解】 已知:

小題 (三)

比較地球、月球、木星、土星等四個天體,寫出它們平均密度(也就是質量除以體積)由大而小排列的順序。

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本題測驗天體結構與成分對平均密度的影響。解題時應先依天體類型分類:類地行星與岩石衛星(地球、月球)密度較高,氣體巨行星(木星、土星)密度較低,再依據其內部金屬核心比例與組成氣體特性進行細部排序。

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平均密度由大而小的排列順序為:地球 > 月球 > 木星 > 土星。 各天體密度特徵與物理背景如下: (1) 地球(約 5.5 g/cm³):屬於類地行星,主要由高密度的岩石地函與鐵鎳金屬核心組成,為太陽系中密度最大的行星。

小題 (四)

月球的表面有明顯亮暗不同的區域,其中暗黑的部分稱為「月海」。試說明這些區域之所以有亮、暗差別的原因。

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看到此題應立刻聯想到觀測天文學中的「反照率(Albedo)」概念。接著從行星地質學角度,將亮暗差異歸結於兩區域的岩石成分(玄武岩與斜長岩)及其演化歷史的不同。

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【破題】月球表面亮暗區域的視覺差異,在觀測天文學上本質為「反照率(Albedo)」的不同,這肇因於兩地地形的地質成分與形成演化歷史差異。 【論述】 一、暗區(月海,Maria):

小題 (五)

冥王星曾經屬於行星,但現已歸類為矮行星。冥王星有那些性質與行星不符?

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作答本題需聯想2006年國際天文學聯合會(IAU)對『行星』的三大定義。將冥王星的軌道特性與定義逐一比對,點出其無法『清除軌道鄰近區域天體』的核心關鍵,並可輔以其高離心率與大軌道傾角的異常軌道特徵進行補充。

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【破題】冥王星被降級為矮行星的關鍵,在於其不符合2006年國際天文學聯合會(IAU)對「行星」定義的第三項條件。 【論述】 一、 IAU 行星定義

小題 (六)

除了冥王星以外,另外舉出兩顆矮行星的名稱。

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考生需回憶國際天文學聯合會 (IAU) 所正式認定的太陽系五大矮行星名單。除了著名的冥王星外,只要從穀神星、鬩神星、鳥神星、妊神星中選出兩顆並正確寫出其名稱即可得分。

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太陽系中除了冥王星 (Pluto) 以外的矮行星,可由下列四顆中任舉兩顆:

  1. 穀神星 (Ceres)
  2. 鬩神星 (Eris)

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