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高考申論題 108年 [天文] 太陽系

第 一 題

📖 題組:
月球的半徑約 1700 公里,約為地球的 1/4,而質量約為地球的 1/100。已知地球的平均密度為 5.5 g/cm³。試問:
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

說明如何依此估計月球的平均密度。(5 分)

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考生看到此題應立刻聯想到密度、質量與體積的基本物理關係式(D = M/V)。利用題目給定的質量比例與半徑比例,結合球體體積正比於半徑立方的幾何特性,即可推導出兩者的密度比,進而代入地球密度求出月球的絕對密度數值。

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【解題關鍵】利用密度公式 (密度 = 質量/體積) 與球體體積公式 (V = 4/3πR³),透過月地物理量比例進行推算。 【解答】 計算:

小題 (二)

計算估計月球的逃脫速度是地球逃脫速度的幾倍?說明此結果如何解釋月球沒有大氣。(10 分)

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首先列出天體逃脫速度的物理公式,利用題目給定的質量與半徑比例關係代入計算,求出兩者的逃脫速度倍數。接著,運用氣體動力論與行星科學中的大氣流失機制(如金斯逃脫 Jeans escape),說明極低的逃脫速度如何使得氣體分子的熱運動輕易克服引力束縛,導致大氣在漫長地質時間中完全逸散。

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【解題思路】利用天體逃脫速度公式求出兩者比例,並結合行星科學中的「金斯逃脫」(Jeans escape)理論解釋大氣流失機制。 【詳解】 已知:

小題 (三)

月球外觀有明顯明暗區域,解釋明亮區域及暗黑區域兩者地質年齡的差異,以及造成這些差異的原因。(10 分)

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考生看到此題應先將「明暗區域」對應至月球的「高地(Highlands)」與「月海(Maria)」,接著利用「撞擊坑密度」推斷其相對地質年齡。最後,需引用「岩漿海假說」與「晚期重轟炸期」等主流科學假說,解釋早期地殼形成與後期玄武岩熔岩溢流填平盆地的演化機制。

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【破題】 月球外觀的明亮區域為「月球高地(Lunar Highlands)」,暗黑區域為「月海(Lunar Maria)」,兩者在地質年齡與岩石成分上有顯著差異,反映了月球不同的熱演化與撞擊歷史。 【論述】

小題 (四)

說明目前最為接受的月球起源學說,並說明有那些觀測證據支持此學說。(5 分)

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看到月球起源,應立即聯想目前行星科學界的主流模型「大碰撞說(Giant Impact Hypothesis)」。作答時需結合題目給定的質量與半徑推導出「低密度」特徵,並補充阿波羅計畫的岩石化學證據(同位素、揮發物)及軌道動力學來支持論述。

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【破題】 目前行星科學界最廣為接受的月球起源學說為「大碰撞說(Giant Impact Hypothesis)」。 【論述】

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