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高考申論題 111年 [天文] 太陽系

第 一 題

📖 題組:
下表列出太陽系部分天體的性質,問號表示不確定。 [此處應為題目中的表格數據,包含天體:金星、地球、月球、火星、A、B、鬩神星,以及性質:平均距日(地球=1)、表面平均溫度(°C)、半徑(地球=1)、外觀顏色、平均密度(g/cm³)、表面大氣壓(地球=1)、表面磁場]
📝 此題為申論題,共 7 小題

小題 (一)

上表中A、B各為那個天體?說明據以判斷的理由。(10分)

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分析此題需掌握太陽系天體的分類特徵與物理量變化趨勢。首先觀察「平均距日」以界定天體在太陽系中的空間位置(如主帶、巨行星區或柯伊伯帶);接著比較「平均密度」與「半徑」來區分天體的結構組成(類地行星大於3g/cm³、氣體巨行星約1g/cm³、冰岩矮行星約2g/cm³);最後輔以「大氣壓」與「磁場」等特殊性質進行對照確認。

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【破題】本題測驗考生能否透過軌道距離與天體物理性質(密度、半徑、大氣與磁場),綜合比較並判別太陽系中不同分類之天體。 【論述】 (註:因題目未提供 A、B 之具體數據,以下以太陽系常見考點「A為木星,B為冥王星」為例示範標準推論過程,請依原題實際數值進行涵攝對應。)

小題 (二)

除了地球,表中那個天體人類曾經取回岩石樣本?(5分)

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本題測驗人類太空探索的歷史與現況。考生需回想目前為止,人類成功執行過『樣本返回任務 (Sample Return Mission)』的天體有哪些,並與題目提供的天體清單(金星、月球、火星、鬩神星等)進行比對。

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本題答案為月球。 除了地球之外,人類目前已成功從月球取回岩石與土壤樣本。主要任務包含: (1) 美國阿波羅計畫 (Apollo program):由太空人登月並多次帶回大量月球岩石。

小題 (三)

C是火星的半徑。D則是B天體的平均密度。試針對C與D的空格,填入一個推測的數字(或範圍),並說明理由。(10分)

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面對此類行星性質推測題,首先需建立「地球基準(Earth=1)」的量感:地球半徑約6400公里,類地行星密度約4~5.5 g/cm³。推測C(火星半徑)時,利用基礎天文常識(火星約為地球一半大)進行比例換算;推測D(未知天體B密度)時,需利用表格隱含的距離排序,判斷其是否跨越「凍結線(Frost line)」,若為類木行星或外太陽系天體,因成分以氣體或冰為主,密度應顯著較低。

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【破題】 本題測驗太陽系天體的物理尺度比較與內部成分推斷。透過地球作為比較基準(Earth=1),結合行星形成理論中的「凍結線(Frost line)」概念,可推斷出不同距離區域天體的體積與密度特徵。 【論述】

小題 (四)

解釋表中天體外觀顏色差異的原因。(5分)

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看到此題,應先聯想『我們為何能看到天體的顏色』,其本質是太陽光被天體反射後的殘留光譜。接著根據天體是否有『濃厚大氣層』進行分類:有厚大氣的天體(如金星、地球)顏色主要受大氣成分、瑞利散射或雲層(如水、硫酸)影響;無或稀薄大氣的天體(如火星、月球、鬩神星)則直接反映表面岩石、礦物或冰層(如氧化鐵、玄武岩、甲烷冰)的化學成分與反照率。

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【破題】天體外觀顏色差異的物理本質,取決於天體的「大氣層成分與厚度」以及「表面物質(岩石、礦物或冰層)的化學成分」,這些因素共同決定了天體對太陽光不同波段的吸收、散射與反射特性。 【論述】 一、大氣層主導型(Atmosphere-dominated):

小題 (五)

地球與月球距離太陽相當,但表面溫度有明顯差異,試說明原因。(5分)

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考生看到此題應立刻聯想到影響行星表面溫度的兩大關鍵物理因素:大氣層的有無(溫室效應與熱量傳輸)與自轉週期長短(日照持續時間)。在解答時,應採取對比的方式,條列說明地球與月球在這兩項特性的差異如何導致溫度的截然不同。

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【破題】地球與月球雖處於相似的日心距離,但因「大氣層特徵」與「自轉週期」的顯著差異,導致兩者表面平均溫度及日夜溫差大不相同。 【論述】 一、大氣層與溫室效應

小題 (六)

金星與地球大小相當,但表面性質迥異。試說明金星大氣高溫、高壓的原因。(10分)

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看到金星的高溫與高壓,應立刻聯想到「大氣成分」與「演化歷史」的差異。高溫需用「失控溫室效應(Runaway Greenhouse Effect)」及二氧化碳的紅外線吸收特性來解釋;高壓則需從大氣總質量龐大、缺乏液態水與板塊運動導致碳循環中斷的角度進行論述。

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【破題】 金星表面的極端高溫與高壓,主要歸咎於其極度濃厚的二氧化碳大氣層,以及由其演化歷史所引發的失控溫室效應(Runaway Greenhouse Effect)。 【論述】

小題 (七)

太陽具有磁場。而表中的天體,有些具有磁場,有些則未偵測到,或未知。請說明產生地球磁場的機制。並說明地磁對於地球生命發展有那些影響?(5分)

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看到地球磁場機制,應立即聯想到主流的「發電機理論」(外核液態鐵鎳對流結合地球自轉科氏力)。而在探討對生命發展的影響時,重點在於將地磁視為「防護罩」,論述其如何阻擋太陽風、防止大氣層剝離,並保護生物免受致命輻射傷害。

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【破題】 地球磁場源自於地球深層內部的流體動力效應,這層隱形的磁層是保護地球生命免受嚴酷太空環境摧毀的關鍵防禦機制。 【論述】

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