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浩瀚的宇宙 學科能力測驗試題分析 90 ~ 95 年

96

97

98

99

100

星空、 星體運動 與曆法

13(90,91,92,93,94,95)

1

3

3

3

1

恆星 與星光

2(91,93)

2

1

1

2

2

10

天文觀測

1(94)

1

1

2

1

6

太陽系

2(91,93)

宇宙

3(90,93)

1

1

21

5

5

主題

總計

1

101

2 4

5

7

102

總計

3

27

1

6

1

1

7

4

5

56

學測的「天文」章節每年均占一定的比例(4 ∼ 7 題),因此好好準備絕對不會 做白工喔!天文考題內容常包含較複雜的空間概念或圖說,往往成為考試最沒把握的 領域;其實,天文試題常應用的基本概念不多,只要掌握基本要領,即可輕鬆得高分: 1 星體運動相關概念:近 10 年來的學測試題中最常出現,其中以日-月-地三者空 間關係與相應的現象,以及太陽的運動軌跡較常見,但上述主要是國中學習內容。 高中課程新增了天球的概念,有關星體(太陽、恆星)在天球上周日的或周年的移 動現象與軌跡,萬不可輕忽! 2 恆星星光:試題常應用基本定義,再搭配簡單的比較或計算式;因此務必要能釐清 各物理性質的原理。可利用赫羅圖來統整概念。 3 天文觀測:著重在認識不同電磁波波段與相應的天文望遠鏡,以及它們在觀測上的 條件與環境限制,學生應對基本定義與概念有全盤瞭解;這部分較容易準備。 天文題目大多重視圖片或圖說,準備時,務必要看懂各示意圖,而近年在恆星與 星光、天文觀測出題比例有增加的趨勢,務必善加把握;此外,天文領域常會應用時 事出題,所以建議同學要特別留意當年的特殊天象與重要發現。


1

從地球看太空

1-1 仰望天空 一

天球與星座

灱 天球 1 天球:就地球觀察者的角度想像,以仰望天空的位置 為中心點,星星鑲嵌在圓球狀天空並隨著天球轉動而 運行。 2 天球坐標:赤經、赤緯(≒ 地球:經度、緯度) 天球北(南)極:地球自轉軸與天球的交點。 1 =地球北(南)極沿自轉軸向外延伸,所對應到的 天球位置。 1 天球上唯一不移動的兩點。 2 北極星在天球上的位置非常接近天球北極,故 在星空的位置移動不明顯。

2 天 球赤道:地球赤道面向外延展後,與天球相交 的圓弧線。 3 黃道:太陽在天球上運行一年的軌跡。

牞 星座 1 將數個鄰近的星星(恆星)劃歸在一起,並予以命名。 1930 年,國際天文聯合會統一訂定全天共 88 個星座和名稱。 1 雖然天球上有 88 個星座,但並不是所有緯度的觀察者都能見到全部 88 個星座。   古中國:三垣,四象、二十八宿。 2 2 同一星座中,各恆星在宇宙中的空間分布並無絕對關聯。 沒有真正聚集在宇宙中某侷限區域。 1 沒有任何起源和演化上的相關涵意。 2 夜空中星星的位置:是各恆星順著我們的視線方向,投影在天球上的結果,視覺上恰   巧看成群聚於同一星座中。 281


3 個別恆星的命名: 1 先說明星座名稱。 2 再依亮度加上希臘字母:α 最亮,β 次之…以此類推。

例  織女星:天琴座 α。

3 其他暗星:系統性地命名,例  依照位置順序。

犴 星星的運動 1 星星在天球上的位置:因地球的自轉與公轉而移動。 周日運動  地球每日由西向東繞軸自轉一周。 1 1 東升西落:太陽、月亮、星星(恆星)每天都自東方升起、西方落下。

2 繞一共同中心運動:星星在天球上環繞著天球北極(或南極)作規律的繞行運動。

讓相機長時間曝 光,可拍得夜空 中恆星的移動軌 跡,藉由(圓弧 狀)繞行軌跡的 角度,比對地球 的自轉速度(約 360 ~ /1日)後, 可計算出照片所 記錄的恆星移動 時間,也就是相 機的曝光時間。

周年運動  地球每年繞太陽公轉一周。 2 1 (同時間的)星象因季節不同而異,以一年為週期。 人生不相見,動如「參」(冬季星座—獵戶座)與「商」(夏季星座—天蠍座)。   地球的自轉與繞太陽的公轉同時進行。 2 同一顆星的升起時間每天約提早四分鐘。 

282

▲ 因為地球自轉的同時也在繞日公轉,以太陽為參考點,則地球自轉一周要「三百六十度又多轉一 度」,因此每日星星比前一日多向西移動1~,即提早4分鐘升起(24小時×(1~ / 361~)∼4 分鐘)。


1 從地球看太空 2 任一時間,地球上的觀察者只能見到天球的一部分。 (北半球)北極星的仰角≒觀測者所在的緯度。

1 不同緯度的觀察者,在「同一時間」所能見到的星群(或天球範圍)會有不同。 例  觀察者 北緯 45 度

南緯 45 度

不同緯度的觀察者,所能見到的「總」星群(或「總」天球範圍)會有不同。 2 天文觀測常選擇在中、低緯度地區設置望遠鏡:可觀測到較大的天球範圍。   例 

觀察者 赤道地區

北緯 45 度

不能見到全天所有的星座。 應可見到全天所有的星座。 =隨著地球自轉一周,地球上的觀察者 =地球上的觀察者無法見到圖中下方黃 色天球球殼上的星座! 可以看遍天球各處!

283


小試身手 )1 當我們在晴朗的夜晚仰望天空,看見滿天繁星,其中幾乎都是恆星,只有少數

幾顆是行星。古今對恆星與行星的定義不同,古人如何判斷哪些光點是行星?  A 由顏色判斷,恆星的顏色與行星不同 B 恆星本身發光,而行星本身不發光  C 恆星本身發光,而行星是反射陽光 D 由它們在天上移動的軌跡來判斷 E

101 學測

恆星都比較暗,行星都比恆星亮。

)2 小嚨參加製作天文望遠鏡的活動,自行完成一架口徑 20 公分的望遠鏡,若小

嚨想利用馬達自行設計簡易可以追蹤星體的腳架,便於夜晚在自家陽台(北緯 25~)可以持續觀測一星體,請問下列設計過程哪些有誤?(應選二項) A 望 遠鏡筒繞行的軸心須對著天球北極 B 望遠鏡繞行的軸心對準天球北極後與地 平面交角約為 65~ C 望遠鏡繞軸心旋轉的方向須與地球自轉相同 D 望遠鏡 繞軸心旋轉的角速度為 15~/ 小時 E 此望遠鏡若可追蹤夜空的星體,加上濾光 鏡後亦可在白天追蹤太陽。 解 答

1 D 2 BC 2 B 望遠鏡繞行的軸心對準天球北極後與地平面交角約為 25~。C 望遠鏡繞軸心旋轉的 方向須與地球自轉相反。

時序與曆法

「太陽、地球、月球運行的規律」是定義時間的參考基準。

灱日 說明

時間

「平均」 以「太陽」位置作為參考基準:太陽連續兩次通過子午 「真太陽日」的平均時間長度 太陽日 線的間隔時間(=太陽日之平均)。 定義為 24 小時 恆星日

以「遙遠的恆星」位置作為參考基準:任一其他恆星連 平均時間長度為 23 小時 56 分 續兩次通過子午線的間隔時間。

太陽日>恆星日  地球完成一太陽日須自轉「360 +∼ 1」度。 = 地 球 自 轉 時, 也 繞 日 公 轉 約「1(360 度 /365 天)」度。  恆星與地球距離遙遠,所以恆星的相對方位不  會因為地球的自轉與公轉而出現大變化。根據 定 義, 恆 星 日 = 24 小 時 ×(360 度 /361 度 ) = 23 小時 56 分。 284


1 從地球看太空 1 子午線:由觀測者所在位置的正南方,通過天頂(你的頭 頂上)而達正北方的大圓弧。 2 太陽通過子午線時,太陽在天空中的最高位置,即正午時 間。  根據「克卜勒運動定律」:地球是繞橢圓軌道對太陽公  轉,公轉的速率不是等速─在近日點快,在遠日點慢; 地球自轉速率亦有變化。因此,每個太陽日的時間長短 不盡相同。

牞月 說明

時間

朔望月

以「太陽」位置作為參考基準:月相變化中連續兩次朔(或 望)的間隔時間。 約 29.53 日(但曆法上日數 =兩次日月合朔(同一地觀察到日月地同一經線)的間 必須取整數 29 或 30) 隔時間。

恆星月

以「遙遠的恆星」位置作為參考基準:月球繞地球公轉 約 27.32 日 一周(360~)所需的時間。

朔望月>恆星月 月球完成一朔望月須繞地公轉「360 +∼ 30」度   =月球繞地公轉時,地球也繞日公轉約「30(360 度 /12 月)」度。

犴年 古中國的定義:年=連續兩個冬至的時間間隔(利用圭、表來判斷,以表影為基準)。 1 冬至時,太陽位於天球上的最南端(對北半球而言)。 2 一年中,正午的表影在冬至時達到最長。 說明

時間

回歸年

以「太陽」位置作為參考基準:太陽在黃道上(或 約 365.2425 日( 但 曆 法 天球上)繞行一圈又回到同一位置的時間間隔 上日數必須取整數) = 春分點到下一次回到春分點的時間間隔。

恆星年

以「遙遠的恆星」位置作為參考基準。 285


偷吃步

月相圖

不知國中時學的月相變化可還記得?—可還看得懂細節?

判斷時間:在圖上畫幾個 小人兒,太陽在粉紅唬的 頭頂上,所以粉紅唬身處 的 經 度 正 值 正 午 12 點; 對粉藍唬來說,太陽已經 在西邊啦,所以時值傍晚 18 點。 話 說, 已 經 知 道 地球自轉方向,知道粉紅 判斷地球自轉方向:先畫個小人代表自己,站在圖

唬 位 處 正 午 12 點, 就 可

中赤道上、面向北極,則右手是東,左手是西,地

依地球自轉順序標出其它

球由西向東轉,因此在圖中是逆時針方向旋轉。

時間囉。

犵 曆法 1 太陽曆─以回歸年為基礎所制訂的曆法:現行國曆(或稱西曆、格勒哥里曆)。 曆法只能取整數日,所以設置平年、閏年,使曆法不與實際狀況差異過大。 平年:一年 365 日。 1 閏年:一年「365 + 1」日=二月份有 29 日。 2 3 平年、閏年的設置規則:「四年一閏,百年不閏,四百年閏」。 1 西元年數可以被 4 整除者為閏年(末二位數可以被 4 整除)。例  西元 2012 年。 2 但是,西元年數「還」可以被 100 整除時(末二位為「00」): 又可以被 400 整除者為閏年,例  西元2000年。 其他均為平年。例  西元 2100 年。 2 太陰曆─以朔望月為基礎所制訂的曆法。 例  回教國家使用的回曆:一年有 12 個朔望月(共 354 或 355 日);長久下來,月份無

法反映季節的更替。

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1 從地球看太空 3 陰陽合曆

計月:採用朔望月,每月有 29 或 30 日,並不規則;朔為初一。 計年:採用回歸年。

例  俗稱的農曆、陰曆:

1 一年有 12.4 個(朔望)月= 365 天(平年)/29.53 天(朔望月) 每年設 12 個月,不足的 0.4 個月設閏月補足。   閏月:一年「12 + 1」個月 2 19 年 7 閏;每隔 19 年,生日的農曆日期與陽曆日期會相同或相差一天。   365.24 天 / 年 ×19 年≒ 29.53 天 / 月 ×( 12 月 / 年 ×19 年+ 7 閏月) 針對(中原地區)農業活動設置了 24 節氣。 3 1 24 節氣= 12 時節+ 12 中氣。(時節與中氣互相穿插) 2 每年劃分 24 等分=地球繞日軌道劃為 24 等分,每公轉 15 度遭逢一個節氣。 節氣的時間與陽曆的日期相對應,也與季節相對應:  

踹共

節氣(以下均為中氣)

對應於陽曆的日期

意涵

春分

3 月 20 ∼ 22 日

晝夜等長

夏至

6 月 21 ∼ 22 日

白晝最長,正午竿影最短

秋分

9 月 23 ∼ 24 日

晝夜等長

冬至

12 月 21 ∼ 23 日

白晝最短,正午竿影最長

想放兩次年假嗎?

農曆每 19 年就會設置 7 個閏月來對應回歸年是吧!… 若有閏正月,不就可以放兩次年假嗎? (邪惡貌)… 咳!竊笑之前先來讀點書瞭解一下設置閏月的原則! 農曆中,每個月通常包含一個時節與一個中氣,若某月只有時節而無中氣,便會被設為閏月(Q: 誰「中氣」不足?A:閏月。(冷∼∼∼))。以西元 2012 年為例,農曆 4 月份有一個時節(立夏) 與一個中氣(小滿),符合一般狀況;然而,次月只包含一個時節(芒種),並無中氣,因此設置 閏四月;其後,農曆 5 月即又符合一個時節與一個中氣的一般狀況了。 在這樣的原則下,想要有閏正月,請等到西元 2262 年!是的,各位還是務實點,唸書吧!況且, 人事行政局可不是省油的燈,放假只看正月,不看閏正月的啦!

287


小試身手 )1 熟悉的電視廣告台詞:「老ㄟ,初一、十五到了,要吃素喔 ! 」,其中採

用的「農曆」曆法,在本質上應是屬於 A 陽曆 B 陰曆 C 陰陽合曆。 )2 閏年蟲(Leap Year Bug),是指由於電腦程式設計對閏年 2 月 29 日的考

量不周,在處理當日的日期和時間,可能會出現不正確的操作。請問程式 設計時,在下列哪些年份應設置「閏年」?(應選二項) A 西元 1800 年 B 西元 2000 年 C 西元 2009 年 D 西元 2012 年 E 西元 2030 年。 )3 農曆二十四節氣反映了春耕、夏耘、秋收、冬藏的農業活動,其劃分是依

據 A 農民耕作的時節 B 太陽在天球位置的改變 C 月相變化的週期  D 地軸傾斜角的變化。 解 答

1 C 2 BD 3 B 1 農曆:陰陽合曆=陰曆(計月是採用朔望月)+陽曆(計年是採用回歸年)。 2 1 要被 4 整除:C、E 淘汰。A、B、D2 是否被 100 整除? D 不被整除,D 為所求,

A、B 可以被整除 3 要被 400 整除: A 不能整除,淘汰! B 可以整除,故 B 為所求。

太陽與時序變化

灱 太陽視軌跡 1 因為地軸傾斜 23.5 度以及地球公轉,使得天空中太陽的運動軌跡(視軌跡)會隨季節而 變化。 不同緯度的位置,每日所見到的太陽視軌跡不同。   緯度位置

1 赤道(0~)

288

天球視角

地球視角


1 從地球看太空

2 北回歸線 (23.5~ N) —臺灣

2 太陽在天球上的軌跡(黃道)以一年為週期而隨時間變化。 黃道十二星座:太陽在天球(或背景星空)上每個   月經過一個星座。 季節

太陽位置(黃道星座)

雙魚座  白羊座  金牛座

雙子座  巨蟹座  獅子座

室女座  天秤座  天蠍座

人馬座  摩羯座  寶瓶座

牞 四季與晝夜 因為地軸傾斜 23.5 度,使得太陽光直射地球的緯度改變。 氣溫的變化使地球上有季節變化,晝夜的長短亦隨季節而變化。  

289


北回歸線(以北)地區 太陽視軌跡特徵

季節

1 日出、日落的方位偏北。 2 正午時,太陽最近天頂。

夏 例  夏至(約 6 月 22 日):

影子最短。  

太陽直射北回歸線;

3 視軌跡最長。 晝長(夜

北半球晝長(夜短)。

短)。 1 日出於正東方,日落於

春、秋 例  春分(約 3 月 22 日),

正西方。

秋分(約 9 月 22 日):

2 正午時,太陽在天頂偏 南方。

太陽直射赤道;

3 晝夜長短相當。

北半球晝夜長短相同。

1 日出、日落的方位偏南。 2 正午時,太陽仰角最低。

冬 例  冬至(約 12 月 22 日):

影子最長。  

太陽直射南回歸線;

3 視軌跡最短。

北半球晝短(夜長)。

晝短(夜長)。  

 在北半球,太陽升起後便向南方天空運行,正午後,才又向北方移動。亦即太陽的視軌  跡大多位處南方天空─尤其是正午時分。因此: 1 中國人喜歡房子座北「朝南」,以充分享受天光。 2 北半球地區設置百葉箱時,為避免陽光的直射而供給額外熱量給測量儀器,所以門都 朝北開!(赤道地區,則夏季朝南開門,冬季朝北開門。)

小試身手 (

)1 春分當天,北回歸線通過的臺灣南投埔里地區,太陽在西方天空中落下的 軌跡下列何者正確? A B

290

C

D

E


1 從地球看太空 )2 柯南固定在某地觀察日落景象,每一次他都用相機多次曝光後,再將多幅

影像疊加起來,形成一幅日落重複曝光圖。依上述拍攝手法,他在某天拍 攝日落景象(左側),經過一段時間後在原地又拍攝一次,將兩次的日落 景象重疊如下圖所示,如果日落的軌跡僅向右方移動到照片所示的位置 (右側)。依據此圖,判斷拍攝的地點與日期為何? (應選二項,A、B、 C 中選一項,D、E、F、G 中選一項。) 地點

日期

A 北半球 B 南半球 C 赤道

D 夏至之後、秋分之前 E 冬至之後、夏至之前 F 秋分之後、冬至之前 G 夏至之後、冬至之前

97 學測

解 答

1 B 2 AE 1 在臺灣地區:太陽運行的軌跡是往南升起,向北落下。另外,請注意太陽升起的方向, 若偏北升起,則偏北落下!

1-2 天文觀測 一

地面觀測

灱 電磁波 1 天文觀測主要是觀測由遙遠天體所發出的光線,也就是「電磁波、光(子)」。 2 電磁波依波長進行區分:

電磁波 波段

波長

能量

低 291


3 天體發出的電磁波: 天體可以發出不只一種波段的電磁波。 1 1 恆星:例  太陽:表面溫度極高,除了發出可見光,還會發出紫外線、X 射線。 2 行星:例  地球:表面溫度較低,主要發射紅外線,但也微弱地發出其它電磁波。 星空中能看到太陽系行星,是因為我們見到了這些行星反射出的太陽光。   3 星際物質:溫度極低,主要發出無線電波。 4 超新星爆炸:會輻射出高能的伽瑪射線。 分析天體不同波段的光譜,可以獲知天體的不同訊息。 2 例  (表面)溫度、組成、距離、結構等。

牞 大氣窗 是地球大氣層對太空中電磁波打開的「窗口」。 =地球大氣會吸收掉許多來自太空的電磁波,僅少數電磁波可以通過大氣層,到達地面。 觀測的電磁波 可見光

搭配的天文望遠鏡 光學望遠鏡:可見光觀測會受限於天氣狀態。

無線電波

無線電波望遠鏡:無線電波可以穿透雲層  觀測不受天氣限制。

紅外線

紅外線望遠鏡:在高山上觀測。(會吸收紅外線的)水氣少。

犴 地面觀測的限制 1 大氣窗:例  地面觀測使用的天文望遠鏡,大多用來觀測可見光與無線電波。 2 天氣:例  「可見光」會受雲層遮蔽,影響地面光學望遠鏡的觀測。 3 大氣擾動:會使星光往地面的行進路徑發生偏折。 使星光(隨大氣擾動而)閃爍。 1 對天體進行長時間曝光攝影時,相片中的天體會模糊不清。 2 3 改善方法:1 觀測天頂(仰角 90 度)附近:電磁波穿過的大氣厚度最薄。 2 自適應光學:利用打入大氣、再反射回來的雷射光計算大氣的擾動程度, 對影像進行即時修正。 4 光害:1 太陽是最主要的光害來源。

地面的人造光源會在大氣中散射而妨害觀測。 2 可使用「鈉燈」:光源弱,且波長單一,所以可以使用特定濾鏡將光濾去。  

犵 理想的地面觀測地點 1 乾燥:水氣是造成天氣變化的元兇,因此要避免天氣影響,需選擇乾燥的地方。 2 氣流穩定。 3 光害少。 若要避免上述的侷限,可以將望遠鏡載送到地球高空或設置在太空中進行觀測。   292

4 中、低緯度地區:可觀測到較大的天球範圍。


1 從地球看太空 小試身手 )1 下列哪一種在地表設置的望遠鏡在晝夜、晴雨皆可進行連續的觀測?

A 反射式望遠鏡 B 折射式望遠鏡 C 光學望遠鏡 D 無線電波望遠鏡  E 紅外線望遠鏡。 )2 天文學家常用 X 光望遠鏡觀測星系碰撞現象,下列地點中何者最適合架

設 X 光望遠鏡? A 視野遼闊的高原,如西藏高原 B 沒有光害的高山, 如夏威夷的毛拉基亞山 C 大氣擾動少的沙漠,如美國新墨西哥州 D 環繞地球的軌道上,但在范艾倫輻射帶中 E 環繞地球的軌道上,但在 101 學測

范艾倫輻射帶外。 解 答

1 D 2 E 1 1 光學望遠鏡(含折射式、反射式望遠鏡)主要觀測可見光:可見光會被雲所遮蔽, 因此天氣會影響其觀測條件。2 紅外線望遠鏡主要觀測紅外線:大氣中的水氣會吸收 紅外線,所以天氣會影響其觀測條件。一般來說,紅外線望遠鏡會設在乾燥的高山或 荒漠,以避開水氣和天候的影響。

星座盤

灱 星座盤的結構與原理 上頁

下頁

293


牞 星座盤的使用 1 將下頁外緣的「觀測月份、日期」對齊上頁外緣的「觀測時刻」。 例  12 月 25 日 19 時:將下頁外緣的 12 月 25 日(24、26 中間的間隔線)對齊上頁外緣 ▲

的 19 時: 注意到了嗎:除了12月25日19時之外,同樣的 星空在12月10日20時…也都能看到!這是因為 前面提到的「周年運動」—星星每天會「提早 大約4分鐘」升起或出現在天空中的同一位子: 12月25日與12月10日相差15天,所以同樣的星 空在12月25日會比12月10日提早∼4分鐘×15 天,大約會提早1小時!

2 就躺臥或仰首的姿勢,舉起星座盤,使「盤面朝下」、面向自己。 星座盤的東-南-西-北方位的相對排列會是正確的。   3 旋轉星座盤,使星座盤上的方位與環境相符合。 星座盤視窗框中呈現的,即為此時星空中應有的星象。  

小試身手 ◎請參見右圖中的(臺灣地區)星座盤,回答第 1 ∼ 3 題。 ( )1 在 星 座 盤 面 中, 最 接 近 E 點 的 天 體 為 何? A 太陽 B 月亮 C 織女星 D 北極星 E 參宿四。 )2 承上題,星座盤上 A、B、C、D 所包圍的(近)

橢圓形黑線,它代表的是? A 天球赤道 B 地平線 C 黃道 D 流星軌跡 E 子午線。 )3 將此星座盤邊緣局部放大後,如圖所示,請問:

這表示星座盤此時顯現的是何時的星空? (應 選 二 項 ) A 12 月 9 日 晚 上 8 點 B 12 月 10 日 晚 上 8 點 C 12 月 15 日 晚 上 8 點 D 12 月 27 日晚上 7 點 E 12 月 21 日晚上 7 點  F 12 月 25 日晚上 7 點。 解 答

1 D 2 B 3 BF

294


1 從地球看太空 觀測儀器

灱 天文望遠鏡 1 功能: 功能 集光力 (角)解析度

影響因素

收集光線的能力。 物鏡口徑:口徑越大,集光力越好。 使影像更明亮,看到更暗的星。   分辨出影像細節的能力。 使影像更清晰易辨。  

物鏡口徑:口徑越大,解析度越好。 物鏡焦距 目鏡焦距 對 同一天文望遠鏡而言,物鏡   不能更換;須更換不同焦距的 目鏡來改變放大率。

放大率= 放大率

將影像放大展現的能力。 不會使影像更加清晰或明亮。  

為獲得更多、更好的天文資料,現今天文望遠鏡的「物鏡」口徑越做越大。   2 依聚焦成像原理進行分類: 分類

主鏡成像方式 物鏡(凸透鏡):星光經凸透鏡折射而聚焦成像。

折射式 物鏡(凹面鏡):星光經凹面鏡反射而聚焦成像。 可縮短鏡筒長度。 依次鏡(反射鏡)的設計方式可再進行分類: 反射式 例  牛頓式:次鏡呈 45 度角擺置。

例  蓋賽格林式

使用者面對所觀測天體的方向。 使用者不是面對所觀測天體的方向。    

295


1 製造難度與造價:折射式>反射式。  折射式望遠鏡的物鏡(主鏡)製作與設計不易: 1 需高透光的材料。 2 凸透鏡的製作需要磨出 2 個精準的曲面(而反射式只須講究 1 個曲面)。 常見「像差」的問題。   例  色差:不同波長的光有不同的折射率,通過透鏡後折射角度不同,造成各波長

(不同色)的光會無法聚焦於同一點。 3 僅藉由周框支撐與固定,容易因重力造成鏡片變形。 專業天文觀測多採用反射式。   2 反射式望遠鏡須注意保養與維護。 1 面鏡的金屬鍍膜會隨時間氧化、需更新。 2 開放式鏡筒:會累積灰塵,鏡筒內有空氣擾動…等。 3 依天文望遠鏡追蹤天體的方式進行分類: 架台

經緯儀 參考點

結構 與 原理

赤道儀 參考點

以觀測者的坐標為基準,以天頂作為 將赤道儀的極軸對準天球北極 原點。 =極軸平行地球自轉軸 極軸的仰角=所在地緯度。   追蹤方式

追蹤方式

分別調整天頂角、方位角。 循周日運動的軌跡旋轉。 1 天頂角  =「仰角的餘角」:垂直  可搭配自動馬達,使赤道儀的旋轉 方向上,與天頂之間的夾角。 與地球自轉速度同步,得以自動追 2 方位角 :水平方向上,與某方位 蹤天體。 的夾角

追蹤 軌跡

4 無線電波望遠鏡—觀測星光中的無線電波波段:波長最長,不易受阻擋,但容易發生繞 射,所以望遠鏡需較大口徑以獲得足夠解析力。 主要構造: 1 1 碟形反射器:將無線電波反射聚焦。 2 接收器、放大器、記錄器。 使用: 2 1 單機使用。例  美國籍,建在波多黎各,直徑 300 公尺(世界最大)。 296


1 從地球看太空 2 排成陣列-利用干涉原理增加觀測效能: 靈敏度提高:數目越多、越大,儀器雜訊越小,偵測微弱訊號的能力越好。 解析度提高:天線間的距離或範圍越大,相當於口徑增加。

例  美國新墨西哥州 VLA 電波望遠鏡陣列。

5 太空中的觀測儀器: 不受大氣影響,可觀測各式電磁波。 1 觀測波段

可觀測對象

γ 射線

與宇宙起源有關的 γ 射線暴(宇宙中能量最大、最激烈的事件)。

X 射線

黑洞、暗物質等。

紅外線

銀河系核心,恆星形成的區域,太陽系外的行星系統等。 紅外線波長比可見光長,可穿透銀河系塵埃。  

通常安置在軌道衛星上。 2 3 因運送與安裝不便,口徑無法做得很大,造價也高。

牞 近代天文觀測的發展 1 天文影像的記錄: 目鏡+人眼 → 底片:可藉曝光時間的增加而累積光子。 電荷耦合元件(CCD),互補式金屬氧化層半導體(CMOS)等半導體感光元件。   影像資料數位化。 1 增加觀測的感度、精確度、波段。 2 2 近代天文觀測發展趨勢: 建造大口徑光學望遠鏡: 1 1 多面鏡望遠鏡:小面鏡結合成大面鏡,降低製作單一大面鏡的技術挑戰與造價。 例  夏威夷毛納基峰上的凱克望遠鏡是由 36 面直徑 1.8 公尺的鏡片組成,觀測能力

相當於口徑 10 公尺的望遠鏡。 2 自適應光學系統。 設置陣列望遠鏡:利用光學的干涉原理進行觀測;普遍應用於無線電波望遠鏡。 2 例  臺灣參與的大型天文計劃「次毫米波陣列望遠鏡」。 3 發展太空觀測:發射太空望遠鏡或探測器。 例  1994 年哈伯太空望遠鏡開始傳回清晰影像,2012 年好奇號登陸火星探測。 4 發展非可見光天文學。 297


小試身手 )1 天文學家使用各種波段的望遠鏡進行天文觀測,例如:可見光望遠鏡、無

線電波望遠鏡、紅外線望遠鏡……等。有些望遠鏡安置在環繞地球的軌道 中,有些望遠鏡則安置在地面上。下列哪一選項中的望遠鏡,一定要安置 在太空中運作? A 可見光望遠鏡、紅外線望遠鏡 B 無線電波望遠鏡、 X 光望遠鏡 C 紅外線望遠鏡、γ 射線望遠鏡 D X 光望遠鏡、γ 射線 望遠鏡 E 無線電波望遠鏡、紫外線望遠鏡。

95 學測

)2 小嚨若想要在阿里山架設望遠鏡觀星,請問望遠鏡極軸的仰角設定應接近 下列何者? A 0~ B 23.5~ C 66.5~ D 90~。

)3 望遠鏡的聚光力與聚光面積成正比。假設人眼的瞳孔直徑為 0.5 公分,而 學校教學用的望遠鏡口徑為 5 公分;試問:此望遠鏡的聚光力相較眼睛的 聚光力約強多少倍? A 100 倍 B 10 倍 C 1 倍 D 0.1 倍 E 0.01 倍。 解 答

1 D 2 B 3 A 1 能通過大氣、到達地面的電磁波只有可見光、無線電波與少部分的紅外線和紫外線。 因此觀測其他電磁波波段的儀器,都需安置在太空中。 2 極軸設定的仰角=觀測地點的緯度。 3 望遠鏡的聚光力與聚光面積成正比=聚光力與(物鏡)口徑的平方成正比:所求=(5 公分)2 /(0.5 公分)2 = 100 倍。

298


1 從地球看太空

1-3 恆星的秘密 一

星等

恆星與我們距離遙遠,只能間接地利用「星光」來瞭解它們。

灱 光度與亮度 1

名詞

意涵

光度

天體輻射出的(總)能量=天體的發光能力或發光強度。

亮度

「就觀測者而言」,(於單位時間內、單位面積上)所接受到的天體輻射能量。

對同一天體而言:根據能量守恆定理,   光度 亮度 ? (觀察者與天體的距離)2

2 星等: 越明亮的天體,星等值越小:星等值可以是 0,也可以是負值。 1 例  肉眼可見的最暗天體,為六等星;肉眼可見的最亮天體,為一等星。 星等差 5 等,輻射能量相差 100 倍! 2 =每差 1 個星等,能量相差 1001/5 ∼ 2.512 倍。 3 星等與光度、亮度: 名詞

視星等 m

絕對星等 M

地球上直接觀察到的天體亮度。 假設將天體放在距離地球 10 秒差距(約 32.6 相當於詢問地球上的觀測者該 光年)的地方時,所觀察到的天體亮度。   會客觀的反映出天體的光度。 天體亮或不亮。   意涵 ≒(視星等-距離的影響) 例  太陽的視星等:- 26.7

例  太陽的絕對星等: 4.8

M = m + 5 - 5 log d 相關 絕對星等=視星等+ 5 - 5 log 距離(距離單位:秒差距;1 秒差距= 3.26 光年) 計算 例  對發光強度相同的天體來說(M 相同),若距離 d 增加 10 倍:接收到的輻射 能量或視亮度減少為原先的 1/100(1/102),且視星等 m 增加 5(5×log10 = 5; 公式 視亮度差 100 倍,星等差 5),天體變得黯淡。 299


踹共

亮度與光度

亮度、光度,差一個字意義就不一樣了!看看下面小唬、 小嚨的例子吧 ! 唬嚨島上 200 公尺長的「嘩嘻街」中央,路燈都是用相 同發光強度的燈泡(100 瓦的燈泡)。小唬站在街頭,可以 預期的:他會覺得街頭那盞跟他距離比較近的燈泡比較亮(= 亮度高),街尾的比較暗(=亮度低);雖然這兩盞路燈都 是採用 100 瓦的燈泡。 這樣的比較似乎不大公平說…所以小唬相當暴力的把兩 盞路燈拔起,都移到距離 50 公尺的地方做比較,兩者在小唬 的眼中看來當然是一樣亮,也就是說這兩盞路燈的光度相同 呢;換言之,要比較光度,必須讓發光體全都放在跟觀察者 相同距離的位置才行。 如果小唬又偷偷把其中一盞路燈換成發光強度 50 瓦的燈 泡,用聰明的膝蓋想也知道:看起來比較暗的燈泡,也就是 光度比較低的那個,就是發光強度 50 瓦的燈泡!所以才說 嘛:光度就是所謂的發光強度,而絕對星等能反映光度啊!

小試身手 )1 星等是天文學描述天體亮度的單位,依據星等與亮度的定義,1 星等的亮

度是 6 星等的 100 倍;也就是說,亮度每差約 2.512 倍,星等則差 1 星等。 目前已知滿月約為- 12 星等,太陽約為- 26 星等,則太陽的亮度大約是 滿月的幾倍? A 超過 4 百萬倍 B 1 百萬倍 C 40 萬倍 D 25 萬倍  96 學測

E 14 萬倍。 )2 右表為恆星資料,依據表中恆星的顏

恆星 顏色 視星等 絕對星等

色、視星等、絕對星等,判斷哪一顆 星與地球的距離大於 32.6 光年?(絕 對星等為星星距地球 32.6 光年的亮 度 ) A 甲 恆 星 B 乙 恆 星 C 丙 恆星 D 丁恆星。

99 學測

4

6

8

11

7

9

3

2

解 答

1 C 2 D 1 1「1 星等的亮度是 6 星等的 100 倍;也就是說,亮度每差約 2.512 倍,星等則差 1 星等」 星 等 相 差 5 等, 亮 度 相 差 100 倍, 即(2.512)5 = 100。2 太 陽 與 滿 月 的 星 等 相 差 ∣- 26 -(- 12)∣= 14。所求=(2.512)14 =(2.512)5×(2.512)5×(2.512)4 = 100×100×39.81792 = 400000 倍。 300

註:(2.512)4 =(2.512)5÷(2.512)1 = 100÷2.512 = 39.82。


1 從地球看太空 二

星光的光譜

1 光譜:天體輻射強度在不同波長(不 同波段)上的變化。 2 光譜表示法:例  太陽光譜。 1 曲線表示法: 1 橫軸:波長(或頻率)。 2 縱軸:輻射強度。 2 色條表示法—常用於可見光光譜。 1 橫軸:波長(或頻率)。 2 輻射強度以顏色深淺表示。

灱 推測天體的物質組成 某特定原子或分子,會因吸收或發射特定頻率(或波長)的光,而使其電子能階躍升或降低。 1 吸收光譜: 1 熱的物質都會發射出連續光譜。例  「可見光波段」的連續光譜:

2 某一連續光譜的光源,光線通過某原子或分子,可被其中的電子吸收掉特定頻率(或 波長)的光子以躍升能階;原先連續的光譜中因這些特定波長(或頻率)的能量耗減 而出現暗線。 形成吸收光譜,又稱暗線光譜;上述的這些暗線組合,稱為吸收譜線。  

2 發射光譜: 原子或分子吸收了能量而被激發,部分電子會躍升到了較高的能階,當電子跳回低能階, 會發射出特定頻率(或波長)的光子;在可見光波段的光譜中,會因這些特定波長(或 頻率)光子的能量而出現明線。 造成發射光譜,又稱明線光譜;上述的這些明線組合,稱為發射譜線。  

301


3 恆星大氣中的組成,決定了吸收或發射譜線出現在哪些特定的頻率(或波長)。 特定的原子(或分子)具有固定的吸收或發射譜線組合。 1 =同一原子或分子,發射、吸收譜線的特徵位置會在特定的波長(或頻率)組合上。 不同的原子(或分子)具有不同的吸收或發射譜線組合。 2 =吸收譜線或發射譜線出現的波長(或頻率)特徵會因原子或分子不同而有所不同。 可藉由譜線組合判別天體的組成。  

牞 推測天體的「表面」溫度 - 天體的表面與內部溫度: 天體的溫度 量測方法

表面溫度

內部的溫度

利用光譜判斷。 目前科技仍無法量測;僅能以理論 可 引申為利用顏色來判斷天體   與有限的觀測數據推算。 表面溫度。

1 簡易的判別方法:利用天體顏色(與光譜)。 1

例 

光譜 

表面溫度

高溫

低溫

輻射強度的峰 值(波長)

短波

長波

電磁波能量 天體顏色(可 見光) 例

低 發出較多的紅光

發出較多的藍光 藍白色

黃色

紅色

天狼星         太陽        心宿二

天體的顏色:與天體的(視)亮度、視星等無關。 2 例  較高溫的恆星(顏色偏藍),可能因為「距離較遠」或「體積較小」,而顯得黯淡。 星光中的表面溫度資訊,不因距離發生改變;但天體絕對星等的推導,會受限   於距離估計的正確與否。  行星在夜空中會因反射太陽光而發亮;行星星光的顏色主要與表面化學成分有關。  302


1 從地球看太空 2 較精確的判別方法:利用天體的吸收譜線特徵。 原理:不同的光譜型各有其對應的組成物質。 1 溫度越高,便有越多的分子或原子可以獲得足夠的游離能,轉變成為離子。 2 3 因組成分子不同,而造就出不同的光譜型: 天體表面溫度 天體組成 天體光譜型

高溫 較多離子

低溫    較多分子或原子

O─B─A─F─G─K─M─L─T 太陽       (近年新增)  

 光譜型的快速記憶法是(由高溫到低溫):Oh! Be A Fine Girl/Guy. Kiss Me Like  That !

小試身手 )1 當我們看到三顆恆星的顏色分別是

紅 色、 黃 色 與 藍 色。 則 此 三 顆 恆 星的表面溫度由高至低排列順序為 何? A 紅、 黃、 藍 B 紅、 藍、 黃 C 黃、紅、藍 D 黃、藍、紅  E 藍、紅、黃 F 藍、黃、紅。 學測 )2 右圖為汞、氖、鈉、鈣此四種原子

分別會造成不同的吸收光譜,請問: 根據甲星的光譜推斷,甲星中應含 有 何 種 元 素 的 原 子 組 成? A 汞  B 氖 C 鈉 D 鈣。 解 答

1 F 2 D 2 請比對光譜譜線。

303


臥唬藏嚨 目「睭」大戰首部曲—瞳孔與物鏡激戰篇 基本上,眼睛和望遠鏡的成像原理是相同的,都是被「凸透鏡」(水晶體)聚焦, 唯一的差異僅在於眼睛看到的東西沒有被放大罷了;不過人類的眼睛可真是好處多多: 有淚腺自動清潔暨維護系統,螢幕保護程式(眼皮)機動開啟,只要睡得飽就能讓它自 動對焦、只要吃得飽就能自動調整光圈,而且大多數保用 70 年以上,壞了還會自動通 知你,一切真是太神奇了,只可惜它太小! 太小有什麼不好咧?其一,瞳孔太小,能收集的光線就有限:同樣是聚焦,眼睛 用來收集光線的瞳孔口徑(直徑)是 5mm,望遠鏡則由物鏡口徑決定,假設是 5cm = 50mm 好了,望遠鏡收集光線的成效就是瞳孔的 100 倍: 50 ( 2 ) 物鏡面積 = = ( 50 ) = 100 瞳孔面積 2 5 π( ) 2 π

2

2

2

那理論上,望遠鏡就可以比用眼睛看時多看到 5 個星等的星星呢!(亮度差 100 倍 時,星等差 5 等)就是說啊:像我這雙眼睛是狠角色,可以看到 6 等星,用這架望遠鏡 的話就可以看到 11 星等的星星喔!不過啊,如果再加入放大倍率來考量的話,望遠鏡 的聚光效果就會被削弱,無法見到 11 等的暗星(想想顯微鏡的使用情形吧!)。 那第二個壞處是啥咧?嘿嘿,那就是解析力啦!啊∼怎啦?聽到解析力就頭痛嗎? 你想太多囉,有我在這不會有什麼困難的啦!言歸正傳,為什麼瞳孔小解析力就差?這 是牽扯到電磁波的繞射,就像是平行水波通過閘門一樣:閘門開口越大能繼續平行通過 閘門的水波比例越多、繞射水波的干擾影響越小;反過來說,閘門開口越小,繞射水波 的干擾就越大,嘿嘿,這就是啦!望遠鏡物鏡口徑大,電磁波通過後繞射干擾較少,兩 個相當接近的星星所發出的星光不會互相影響,所以可以簡單的被區分出來,而眼睛 呢!?因為瞳孔開口小,所以那兩個相當靠近的星星所發出的星光就會結作伙,霧霧變 作同一堆了!

目「睭」大戰二部曲—星星的顏色與表面溫度廝殺篇 簡單的說,表面溫度越高的東西所發出的最強電磁波的波長就給它越短的說……所以啦! 才說表面溫度越高的星星顏色越偏藍色囉(藍色光的波長比紅光短);不過你可能有疑惑:為 什麼最亮的星星都說是藍白色的!乖,是這樣的,表面溫度極高的星星所發射出的最強電磁波 波長短於可見光,但殘念的是咱們的眼睛愛耍個性:只接收可見光,而這顆星星所發射的各色 可見光強度相差不多,但是藍光略勝一籌,所以他會偏「藍」白色,那到底為什麼偏藍「白」 色咧?請去問隔壁念小學的小弟、小妹,他們都知道:紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光混 合後變白光……

304


1 從地球看太空 三

赫羅圖

由天文學家赫茲史普(丹麥)與羅素(美國)提出。

灱 相關原理 1 恆星穩定的發光、發熱。  淨力平衡:向內收縮的萬有引力與內部氣體向外的熱膨脹壓力達到平衡。 2 恆星均是藉由內部核心的核融合反應來產生熱輻射、膨脹壓力。  恆星的光度(、體積)與表面溫度之間應存在關聯。 3 恆星質量決定了恆星的大小,也決定了參與核融合反應的原料。  質量越大,核融合反應越劇烈(以對抗重力、維持平衡)。 1 光度越大。 2 氫氣被消耗的速率越快,恆星壽命較短。

牞 認識赫羅圖

1

赫羅圖

右上角 (紅)巨星等

左下角 白矮星等

光度

顏色

偏紅色

偏藍白色

說明

發光能力:巨星>白矮星;表面溫度:巨星<白矮星。  體積:巨星>白矮星。 305


2 主序帶:恆星密集集中、橫跨橫羅圖左上至右下的帶狀區域。 主序星:位在主序帶中的恆星。 1 主序帶

左上角

右下角

光度

顏色(表面溫度) 體積

偏藍白色(高) 略大

偏紅色(低) 略小

質量

壽命

主序星核心內部正進行由氫核融合成氦的過程。 2 3 恆星一生當中,絕大多數時間都在主序帶中度過。

小試身手 )1 天文學家認為星際介質在某些條件下會形成恆星,然後進入稱為「主序

星」的穩定期。在演化末期,恆星會膨脹成為紅巨星。質量比太陽大很多 的恆星,在最後可能爆炸形成「超新星」事件,中心質量被壓縮形成中子 星或黑洞,但是太陽由於質量較小,所以在演化末期不會自我爆炸而「屍 骨無存」。根據以上敘述推論,下列哪一選項為太陽一生的大致演化歷 程? A 星際介質→主序星→紅巨星→白矮星 B 星際介質→主序星→ 紅巨星→白矮星→黑洞 C 星際介質→主序星→紅巨星→白矮星→中子 星 D 星際介質→主序星→紅巨星→超新星→白矮星 E 星際介質→主 序星→紅巨星→超新星→中子星。

93 學測

)2 一個發光體的亮度與它的表面積成正比,將這

觀念應用到右方之赫羅圖中,可知甲星的直徑 大約是乙星直徑的幾倍? A 0.01 倍 B 0.1 倍 C 10 倍 D 100 倍 E 10000 倍。 學測 解 答

1 A 2 D 1 1 根據題目:天文學家認為「星際介質」在某些條件下會形成恆星,然後進入稱為「主 序星」的穩定期。在演化末期,恆星會膨脹成為「紅巨星」。質量比太陽大很多的恆 星,在最後可能爆炸形成「超新星」事件,中心質量被壓縮形成中子星或黑洞,但是 太陽由於質量較小,所以在演化末期不會自我爆炸而「屍骨無存」。2 另外,由題目 前半段的敘述中,可以整理出太陽演化的歷程包括「星際介質→主序星→紅巨星」階 段;後半段敘述中,則提示太陽並「不會」變成超新星、中子星或黑洞。故 B 黑洞; C 中子星;D 超新星;E 超新星,均列出錯誤的太陽演化階段,僅 A 為適當選項。 306


2

從太空看地球

2-1 認識太陽系 一

太陽

灱 太陽系 1 位於銀河系的獵戶座旋臂上。 2 距銀河中心大約 2 萬 8 千光年。 3  太陽系所屬的銀河系只是宇宙眾多星系 中的一員,太陽是銀河系二千多億顆恆星 中的一顆尋常亮度的星體。

牞 太陽的物理性質 1 大小:直徑 140 萬公里,約是地球的 110 倍。 2 組成:一團高溫氣體(與其他恆星一樣)。 1 氫(3/4)。  2 氦(1/4)。 3 結構: 1 日核(內部):中心區域溫度高達 1500 萬 K,可進行核融合反應。 1 氫核融合成氦所產生的能量最終由太陽表面向外輻射至太空。 2 為太陽系主要能量來源。 2 輻射層、對流層:以輻射與對流方式向外傳遞能量。 3 表層大氣(由內而外): 內

光球 溫度約 6000K

1 亮度大,是我們平時看到的太陽(黃色)。 2 有時可看到黑子。

色球 溫度隨高度增加而上升 亮度太低,不易觀測。 外

日冕 溫度可達百萬度

1 密度低、溫度高,不易觀測。 僅能在日全食或以日冕儀遮住光球時觀測。   2 向外延伸數百萬公里。 3 輻射以 X 射線為主。 307


犴 太陽表層活動 1 黑子:光球上磁場較強的區域,溫度約 4000K。 溫度比周圍(6000K)低,看起來較暗。   1 會隨太陽自轉,緯度越低、速度越快。 太陽赤道附近自轉一圈約 25 天,中緯度地區約 27 天。   2 數量變化呈現 11 年的週期,數量越多,太陽表現活動越劇烈。 3 蝴蝶圖:將不同時間個別黑子出現的緯度位置標示出來,形成如同蝴蝶的圖形。

春秋時期的文獻記載「日中有金烏」,推測「金烏」是指太陽黑子。   2 太陽表面溫度高,氣體原子游離後,形成大量帶電粒子,受磁場作用而隨磁力線運動。 1 日珥:磁力線突出光球時,在太陽邊緣出現之弧形火焰。 2 閃焰:磁力線崩解,磁能大量釋放,在局部區域產生激烈向外噴發的烈焰。 放 出大量高能帶電粒子(與紫外線、X 射線、γ 射線等),到達地球後可干擾短   波通訊,衝擊地球磁場、引發磁暴。 3 日冕拋射物(日冕物質拋射)。 4 太陽風:高能帶電粒子隨太陽磁場向外以 350 ∼ 800 公里 / 小時的速度進入太空,範 圍可涵蓋整個太陽系。

小試身手 (

)1 太陽能長期維持目前大小,是哪兩種力平衡的結果? A 重力與大氣壓 力 B 重力與向心力 C 重力與熱壓力 D 熱壓力與浮力。

)2 會引發地球上無線電通訊暫時中斷(即磁爆)的太陽表面活動是 A 太 陽黑子 B 日珥 C 閃焰。

)3 下列有關太陽黑子的敘述,何者錯誤?(應選二項) A 其數目的增減 具有週期性規律變化 B 其數目的多寡與太陽表面活動的強弱有關 C 它看起來較暗,是因為黑子溫度較周圍高的緣故 D 它看起來像雀斑, 但有些黑子的直徑比地球直徑大 E 它的溫度約 4000K,故黑子屬於太 陽表面溫度較高區域。

308

91 學測


2 從太空看地球 解 答

1 C 2 C 3 CE 1 重力向內,核融合產生的熱壓力向外。 3 C 高 → 低:太陽黑子具有強烈磁場,阻撓內部能量傳出,溫度較低約 4000K。E 高 → 低:光球層為肉眼所見的太陽表面,溫度約 6000K,故黑子(約 4000K)為溫度較 低的區域。

太陽系成員

灱 太陽系成員 包括恆星(太陽)、行星(八顆)、矮行星、衛星、小天體、彗星、星際灰塵、氣體等。 由岩石樣本與對恆星的瞭解,推知太陽系的成員大約是同時間、在同一個環境中形成,   年齡皆約為 46 億年。 1 成員簡介 距離太陽

星體

特性

金星

最大亮度可達- 4.7 星等。 1 與地球平均距離最近   與地球最相像! 2 直徑與質量比地球略小   3 大氣層濃厚,主成分為 CO2(表面壓力約地球的 90 倍) 溫室效應強(表面溫度可達 400℃)。   4 自轉方向(順時針)和其他行星相反。

地球

太陽系中唯一充滿液態水、有生物的行星。

火星

1 直徑約為地球一半,大氣壓力只有地球的 1%。 2 大氣主要成分為 CO2,但較稀薄、溫室效應弱,表面溫 度低。 紅棕色外觀。 3 星球表面含氧化鐵   南北極有乾冰與冰覆蓋,稱為極冠。 4 5 自轉軸與公轉軸傾斜約 25 度,有季節變化。 可能曾有流水。 6 表面有乾涸河床   7 自轉週期約 24 小時,與地球相近。 8 火星公轉一圈的時間約為 1.88 地球年。

近 水星

1 距太陽近,白天溫度高,但重力太小,無大氣可保溫。 日夜溫差大。   2 表面布滿隕石坑。 3 水星與金星離太陽近,從地球看去,常在太陽附近,清 晨或黃昏、陽光較弱時才可見。

類地行星

309


小行星帶

1 形狀大多不規則。 2 受木星重力的拉扯影響,無法聚成較大行星。

類木行星

木星

1 太陽系中最大的行星,體積是地球的 1000 倍。 2 自轉快(< 10 小時),造成形狀南北稍扁、形成平行 赤道的雲帶。 3 大紅斑(範圍約 2 ∼ 3 個地球) 劇烈大氣活動造成的風暴。   4 400 年前伽利略已經觀測到木星的四顆衛星。

土星

1 土星環:碎石與冰塊反射太陽光而成。 2 八大行星中平均密度最低。

天王星

1 天王星與海王星外觀均為藍綠色 大氣中的甲烷吸收紅光。   2 自轉軸平躺於公轉軌道面。 「天王」咩!╮ ( ▽ ) ╭  

海王星

大氣活動造成。 表面暗斑  

冥王星 (矮行星)

1 固態的岩石表面+冰。 2 公轉軌道與黃道有明顯夾角。

太陽系小天體

1 距太陽約 30 ∼ 100 天 文 單 位(AU), 在 黃道面附近呈盤狀分 科伊柏帶 布。 2 短週期彗星的主要來 源。

歐特雲

彗星:冰凍天體受重力擾動進 入太陽系內部。 1 組成:塵埃+小岩石+冰(甲 烷、氨及水)=髒雪球。 2 路徑:靠近太陽時受到太陽 輻射照射與太陽風影響,在 背向太陽方向,易揮發物質 1 距太陽約 3 萬∼ 10 萬 氣化成為籠罩彗核的彗髮、 AU 的球殼區域。 彗尾。 2 長週期彗星的主要來 俗稱:掃帚星。   源。

2 八大行星:是太陽系天體的主要成員。 1 行星=以固定軌道繞行恆星之天體。 質量未大到可發生核融合,但足夠使自身外形保持圓球狀,並能以重力吸引、清除軌 域中的其他小天體。 2 由北極上空俯視,太陽系行星均以逆時針繞太陽公轉,公轉軌道幾乎在同一平面上。

310


2 從太空看地球 3 類地行星與類木行星的比較: 以小行星帶為界。  

主要 成分

固態的岩石外殼 (金屬元素含量比例高)+大氣

由氣體組成,無固態外殼

密度

高(4 ∼ 6g/cm3)

低(1 ∼ 2g/cm3) 土星密度 0.7g/cm3(< 水)

體積

質量

表面溫度

衛星數

多 公轉速度較慢,自轉速度較高。 皆有行星環!

其他

踹共

行星比一比

假設地球是一顆櫻桃番茄的大 小,「ㄐㄧㄡ竟」八大行星的大小差 異有多大,讓我們繼續看圖去→→→ 對了,如果你還想知道占了整個 太 陽 系 總 質 量 99.8% 以 上 的 太 陽 該 會是有多大,麻煩請先準備個可塞滿 一百萬多顆櫻桃番茄的空間吧!(你 一天吃 10 顆小番茄的話,大概要吃 上近 300 年左右!也就是大概要再投 胎個 2 次吧!?)

3 矮行星:

以固定軌道繞行太陽之天體。

質量可使外形呈圓球狀,但重力未大到可吸引、清除軌域中其他小天體。 質量大小:行星>矮行星>太陽系小天體。   311


具有繞日 公轉軌道

外形維持 圓球狀

重力可清除 軌道區域小天體

行星

地球、木星。

矮行星

×

冥王星,鬩神星,小行星帶:穀神星。

小天體

×

×

小行星帶之多數星體。

星體舉例

4 月球—地球的衛星: 1 中國古代稱之為「太陰」,陰(陽)曆的月份乃是根據月亮盈虧而制訂。 2 直徑約為地球的 1/4,質量約為地球的 1%。 3 月球的公轉與自轉週期相同,故地球上總是只能看到月球的同一面。 4 主要地形: 名稱

特徵

年齡

成因

1 多數為太空物質撞擊而成。 多坑洞,看 高地 較古老 2 少數為停止活動的火山口。 起來較亮

其他 月球沒有活躍的板塊活 動與地質作用,因此隕 石坑洞長期存在。

月球早期火山活動所形成的火成

早期觀測時以為是海洋 較平坦,看 較年輕 岩區域,較不易反光,故看起來 而命名,實際上沒有水。 起來較暗 較暗。

5 表面沒有大氣層,無法有效阻擋太空物質的撞擊。 該處沒有地球協助阻擋。 1 背對地球側的月表遍佈隕石坑  2 根據月球隕石坑的年齡,太陽系小天體撞擊行星的頻率在 35 億年前開始驟減。

小試身手 (

)1 下列關於彗星的敘述何者正確? A 彗星的尾巴因為太陽的吸引而朝向 太陽 B 彗星軌道都在黃道面上 C 彗星的家鄉是在小行星帶 D 彗星 成分含有岩石、冰、甲烷及氨 E 長週期的彗星來自科伊伯帶。

)2 太陽系的成員中,下列哪些行星不具有固態外殼?(應選四項) A 水 星 B 金星 C 地球 D 火星 E 木星 F 土星 G 天王星 H 海王 星。

92 學測補考

)3 右圖為美國太空人實地在月球白天進行表面觀察 與拍攝的照片,證實在月球的白天,天空是黑暗 的;但是地球的白天,天空是明亮的。依據同樣 的道理,可以推論當太空人在水星、地球、火星 等星球表面活動,在白天時比較其天空的明暗 狀況,合理的是 A 水星比火星亮 B 水星比地球亮 C 火星比水星亮  D 火星比地球亮 E 水星、火星、地球會一樣亮。

312

100 學測


2 從太空看地球 解 答

1 D 2 EFGH 3 C 3 1 太陽到地球與太陽到月球的距離相差無幾 → 與太陽的距離不是最主要的影響因素。 2 比較地球與月球「天空」的差異 → 地球有「大氣」散射太陽光,是造成天空較亮 的主要因素。 → 水星因重力小,無法保留大氣;火星與地球則具有大氣層:火星比水 星亮。 → 相較於地球,因為火星離太陽較遠,因此推測火星白天的天空應該不會比地 球亮。

2-2 浩瀚的宇宙 一

宇宙

灱 宇宙 1 成員

暗物質:占 70% 以上;組成不明。 星際雲氣、塵埃  恆星、星團  星系  (星系群、)星系團、超星系團等: 單位

星際塵埃, 氣體 恆星

說明 1 主要成分:氫為主,氦次之。 少量組成:金屬、非金屬元素,有機分子。 2 可形成星雲:發光的是亮星雲,不發光的是黑暗星雲。 進行核融合反應產生能量。 例  太陽。 1 由超過 10 個以上且較集中的恆星所組成的集團,各恆星彼此以 重力牽引。 2 (銀河系中的)疏散星團與球狀星團比較 疏散星團

球狀星團

較鬆散

緊 密 呈 球 形, 中 心 部 分比邊緣更為密集

恆星數量

在銀河系中 的空間分布

多在銀河盤面附近

多在銀暈範圍內

形成年紀

較年輕

較年老

金牛座 M45 昴宿星團 (七姊妹)

武仙座 M13 球狀星團

結構 星團

313


星系

1 是構成宇宙的基本單位。在宇宙中的分布並不均勻。 2 依據外觀分類:1 橢圓星系。 正型螺旋星系。 2 螺旋星系 棒型螺旋星系。 3 不規則星系。

(星系群、) 由星系集結成群。星系數量:星系群<星系團(至少數百個星系)。 例  本星系群(銀河系屬之)、室女座星系團。 星系團 超星系團

由數十個星系團集結成群。

 由愛因斯坦的相對論中提及了「質」與「能」是一體的兩面,兩者是可以互換的,所  以暗物質也被視作是「暗能量」。 2 宇宙的起源-霹靂說:宇宙初始時溫度、密度極高,經歷一次大爆炸後不斷膨脹,形成 今日的宇宙;目前推得宇宙的年齡約 137 億年。 3 宇宙正在膨脹: 提出者

哈伯

(威爾遜、 潘奇亞斯)

相關說明 星系的光譜有紅位移的現象。 1 星系在遠離我們。 2 距離越遠的星系,以越快的速度遠離我們。 =哈伯定律:奔離速度與距離成正比。 宇宙正均勻地向四面八方膨脹。   反推宇宙形成之初具有很高的密度=支持霹靂說。   量得宇宙中無處不在的微波背景輻射,回推溫度均為 3K。 反推宇宙膨脹之初具有很高的溫度=支持霹靂說。  

根據都卜勒效應:波源遠離時,觀察者接收的波長會「感覺上」被拉長(頻率變慢),   而使譜線看起來(可見光)向紅光方向偏移,即「紅位移」;反之,波源接近時,會 出現「藍位移」。

偷吃步

葡萄麵包宇宙

宇宙膨脹的現象可以用烘烤混有葡萄乾的麵團來模擬:烘 焙時,麵團會膨脹,大小不變的葡萄乾彼此都相互遠離! 麵團代表宇宙,葡萄乾代表星系,宇宙的膨脹各處均勻, 葡萄乾彼此相互遠離,距離任一葡萄乾越遠的葡萄乾會遠 離的越快。

314


2 從太空看地球 踹共

3K 背景輻射

在數位電視還沒普及的時代,最討厭看到的電視畫面就是那黑白 雜訊了…這表示沒馬蓋先可看,也沒清秀佳人—紅髮安妮了(…我 這是在洩露年紀嗎?),而且,貞子好像隨時都會爬出來啊!(抖∼) 長大之後,我才知道:這些天線接收進來的電波雜訊當中,其 實包含了宇宙中無處不在的 3K 背景輻射!這樣想想,其實我看的不 是雜訊,是宇宙深處!電視前打盹的老爸,其實是在被宇宙看!而 貞子,其實來自宇宙深處啊∼∼∼爬這麼遠,還真是辛苦了!(誤)

牞 銀河系 1 太陽系所屬的星系。 2 空間尺度:直徑達十萬光年。 3 組成

二千多億顆恆星:分布不均,有時組成星團。 星際塵埃和氣體:所組成的瀰漫天體稱為星雲。

4 結構:螺旋狀星系,包含四條旋(渦)臂,太陽在其 中一條旋臂中。 1 銀河盤面:包含恆星、疏散星團,以及銀河系中 絕大部分的星際塵埃與氣體(星雲)。 2 中央核球:恆星密集。 3 銀暈:離銀河盤面越遠,恆星數量越少。球狀星 團多位於此。 5 天球上的樣貌: 1 同屬銀河系的星體延綿成一條銀白的光帶。  中國稱為「天河」、「銀河」:西方稱為「牛  奶大道」(Milky Way)。 2 夏夜銀河最寬廣:橫亙於人馬座、天鵝座間。

315


小試身手 )1 下圖由左至右分別是昴宿星團、仙女座大星系 M31、天琴星座的影像。

下列選項何者正確?(應選二項) A 仙女座大星系 M31 屬於銀河系, 是三者中最大的系統 B 仙女座大星系 M31 不屬於銀河系,是三者中最 大的系統 C 昴宿星團屬於銀河系,是三者中最大的系統 D 昴宿星團 不屬於銀河系,是三者中最大的系統 E 天琴星座中,肉眼可見的恆星 都屬於銀河系 F 天琴星座中,肉眼可見的恆星有些不屬於銀河系。 97 學測

昂宿星團

仙女座大星系M31

天琴星座

)2 下列有關銀河系的敘述,何者正確?(應選二項) A 直徑約 10 萬光年 

B 屬於橢圓星系 C 球狀星團主要分布於星系盤面上 D 太陽位在距銀 河中心約 3 萬光年之旋渦臂上 E 與其他星系均勻分布在宇宙中。 解 答

1 BE 2 AD 2 球狀星團分布於銀暈。

316


2 從太空看地球 二

空間與時間

灱 距離量測 小

距離單位

意涵

換算

天文單位(AU)

太陽與地球的平均距離

約 1.5×108 公里

光年

光(以光速)行進一年的距離

約 1013 公里

秒差距(pc)

視差角為 1 角秒時的距離

1pc ≒ 3.26 光年

1 三角視差法:適用於「距離較近的恆星」。 1 由地球每隔半年觀測「鄰近的」天體 A,得 到最大的視差角度為 2P(秒弧): 1 恆星到地球距離 d 很遙遠,地球與太陽的 平均距離是 1AU,相當於圓心角 P 對應 的圓弧,根據「圓弧長=圓的半徑 × 徑 度」:1 AU = P×d  d = 1AU /P 2 當 P = 1 角秒,定義 d = 1 秒差距(縮寫 為 1pc)≈ 3.26 光年。 P = 2 角秒,d = 1/2 秒差距。   距離遠的恆星,視差(、位置改變)不明顯;距離較近的恆星,視差較明顯。   2 遙遠的恆星,因為視差角太小、難以測量出來,就不適用這方法。 2 標準光度法: M = m + 5 - 5 log d 絕對星等=視星等+ 5 - 5 log 距離(距離單位:秒差距) 3 利用「哈伯定律」:換算「星系」的距離。 V = H0×D 星系奔離速度=哈伯常數 × 距離 1 V(公里 / 秒):可由光譜的紅位移求得。奔離速度越快,紅位移越多。 2 H0:約 71 公里 /(秒.百萬秒差距)。 D:百萬秒差距。 3

牞 空間 vs 時間 天體距離越遠=星光傳送的時間越長。 1 「空間(或距離)」與「時間」的概念是一體的。

317


2 星空是不同時空疊合後的產物。 1 可從夜空中看到宇宙歷史上不同時期的天體。 2 可從夜空中看到恆星演化歷史的不同階段。

小試身手 )1 在觀測條件良好的情況下,當我們仰望星空,在仙女座中可以看到一個

稱為 M31 的渦狀星系,在獵戶座可以看到一個稱為 M42 的發射星雲,而 M42 的影像比 M31 小。下列有關此兩天體與太陽的距離之敘述,何者正 確? A 因為 M 天體編號以距離遠近排序,所以 M42 的距離比 M31 遠  B M42 距離比 M31 遠,所以看起來比較小 C 雖然 M31 是星系而 M42 是星雲,但兩者距離差不多 D 因為 M31 是星系,所以 M31 距離遠比 M42 遠 E 因為 M42 位於獵戶座,M42 的距離比 M31 遠。 解 答

1D

318

101 學測


浩瀚的宇宙 臥唬藏嚨

臥唬藏嚨 目「睭」大戰三部曲—流星亂舞篇 每隔一段時間流星雨便會成為時髦的話題,究竟看流星雨應該用什麼配備呢?該用平實 的 7×50 雙筒望遠鏡?高效能、保證看到黑洞的反射式望遠鏡?還是裝有紅外線夜視鏡的攝影 機?……孩子,老實說,你想太多了!看流星雨直接用眼睛看就行了,不過請不要像某些有錢 的大爺們一樣,帶著美眉開車到高山上,然後開大燈,坐在燈旁邊等流星:想送鑽石麻煩有膽 就明說,不要老把流星拖下水,就算硬要扯到流星,也請把燈關掉!除非唯一想看的對象是旁 邊的美眉,而不是流星… 流星的本質是一些被彗星拋棄的小塵埃。當髒雪球-彗星靠近高溫的太陽時,彗星內的小 冰塊會揮發成氣體,然後參雜著塵埃被丟出來,形成我們所熟知的掃把尾,而這些物質就被棄 留在彗星運行的路徑上;在地球公轉的路途中,若靠近這些被拋出去的小塵埃時就會將它們吸 引進來、快速衝過大氣層,摩擦的高溫將多數小塵埃都焚燒殆盡,這短暫的瞬間高溫會引發出 炫目的光亮,啦啦啦 ∼這就是流星啦!所以流星可以說是資源再利用的最佳典範呦! 若咱們知道:彗星的行進軌道以及地球公轉軌道的路徑,那當然就可以推知「哪一天會是 流星雨極大期?」-自然是地球公轉到最接近彗星運行軌道時,以及「哪一年的流星雨最壯 觀?」-當然是貨源充足、彗星剛剛通過地球軌道附近之後啦!所以請記得:流星雨每年的出 現時間可是都有排好 schedule 的喔!它們的檔期相當滿呢:7、8 月有天鵝座與英仙座的流星雨, 12 月有雙子座流星雨。 嗯,同學,你該問問題了吧!你要問:流星雨關雙子座、獅子座什麼事?還有,就只有第 一段跟眼睛有關而已會不會太牽強了?你要這樣問,我才講得下去啊。現在我們就來談談眼 睛,如果你是忠實讀者 No.1,一定知道:人類的眼睛很有個性,只接受可見光,不過你可能 沒特別注意到咱們的眼睛還有另一個堅持,當我們看水平線時,眼睛一定會把它塑造成在遠方 有交點的樣子。啊?你不相信?舉個例子吧,請走到教室外的走廊上向走廊另一端看去,是不 是遠端的走廊「看起來」越來越窄了咧!這就是啦,總不會這麼巧,你家養的走廊硬是比別班 養的走廊寬一點吧? 那這又跟流星雨有什麼關係?喔喔!這關係可大條囉!太空中的塵埃被地球的重力吸引而 會向「地心」飛奔而來,換句話說,它們在大氣層中的飛行路線可以說是接近平行的呢,但是 為何咱們會看到向四面八方劃過的流星咧?嘿嘿,不說閣下還不知道呢!這就是眼睛厲害的地 方啦,明明是平行的東西,它就是能看成有交點的樣子,所以在咱們眼裡看來,流星就是向四 面八方飛射的樣子囉,而這個隱形的交點如果是在獅子座的話,咱們就稱之為獅子座流星雨 啦!這樣你了(ㄌㄧㄠ ˇ)不了啊?

319


橫行江湖 單選題 (

)1 論語中:「為政以德,譬如『北辰』居其所而眾星共之」,北辰就是北極星。 請問下列何者是論語中所描述之現象的原因? A 太陽位在太陽系的中心, 並作自轉 B 地球繞著北極星作公轉 C 地球繞太陽公轉的軌道呈橢圓形  D 地球自轉軸的北端指向北極星附近。

)2 小嚨居住的城市位於北回歸線上,他的好友小唬則居住在南回歸線上,恰好 兩個城市都位於同一經度線上。下列有關兩地異同現象的敘述,何者正確? A 小嚨早上要上學時,小唬卻是下午放學時刻 B 當天晚上小嚨看到上弦月, 小唬看到的也是上弦月 C 小嚨所居住的城市是夏季時,小唬的城市也是夏 季 D 小嚨當天如果看見日食現象,小唬當天晚上則可以看到月食現象。 94 學測

)3 如圖,當地球運行到公轉軌道上的 哪個位置時,若臺灣地區在天氣晴 朗的狀況下,我們在正午時間的影 子 會 達 到 最 長? A 位 置 A B 位置 B C 位置 C D 位置 D。

)4 雅婷到土耳其旅行,特別到木馬屠城記提到的特洛伊城 戰爭遺址一遊,發現遺址外有座仿當時戰爭所用的木馬, 且在木馬一側的地面上有磁磚砌成的馬影子輪廓(示意 如圖,此圖未表示出實際方位)。經查證,夏至中午時 木馬的影子會落在磁磚砌成的輪廓內。已知特洛伊城位 於北緯 40.7 度,下列哪張示意圖中的虛線最能代表當地 夏至的太陽軌跡? A

C

320

99 學測  B

D


浩瀚的宇宙 橫行江湖

)5 臺灣地區約在北緯二十多度,此地區地面氣象觀測坪內安置之百葉箱,其門開 口最好朝向哪一方? A 東方 B 南方 C 西方 D 北方。

91 學測

)6 下圖為某天發生日全食時太陽、地球、月球相對位置的示意圖(未按比例繪 製),甲乙丙丁四點分別代表在地球上四個不同的位置。試問當時住在地球 上哪一個位置的人最有可能觀察到日全食? A 甲 B 乙 C 丙 D 丁 E 94 學測

北極。

)7 在美國登月計畫中,阿波羅太空船上的太空人有許多 機會從月球看地球,並且拍下畫面。下圖即為美國登 月太空船中的太空人,在月球上空往地球方向所拍攝 的影像,其前景(圖右下角部分)即為月球表面。在 拍攝此圖的同一時刻,我們在地球上看月亮,看到的 97 學測

是哪一種月相? A

 B

 C

 D

 E

)8 發生於 2009 年 7 月的日食,讓居住於臺灣地區的人有機會觀測到日食發生的 經過。試問日食發生的當天晚上最可能觀測到下列哪種月相? 99 學測 A 眉月 B 弦月  C 滿月(望) D 新月(朔)  

 

 

)9 某座口徑一公尺的望遠鏡配合電子感光晶片,曝光一分鐘能拍攝到的最暗恆 星亮度約為 20 星等。若此電子感光晶片對光的接收量與時間呈線性關係,如 果曝光時間增長為 40 分鐘,則該座望遠鏡可以拍攝到最暗的恆星為幾星等?  A 12 B 16 C 20 D 24 E 28。

100 學測

321


)0 民國 99 年春分在 3 月 21 日,秋分在 9 月 23 日,春分與秋分之間相隔幾天有 兩種計算法。第一種是由 3 月 21 日往後推算,經 4 月、5 月…到 9 月 23 日, 有 186 天;第二種計算法則是由 3 月 21 日往前推算,經過 2 月、1 月,再到 前一年的 12 月、11 月…到 9 月 23 日,共計 179 天。地球穩定繞太陽公轉, 每年幾乎相同,誤差遠小於 1 天;兩種計算法得到的天數相差 7 天,其主要理 由為何? A 在 7 月時,地球公轉速率比較慢 B 在 7 月時,地球自轉速率 比較慢 C 在 7 月時,地球公轉速率比較快 D 在 7 月時,地球自轉速率比 較快 E 在 7 月時,地球自轉速率、公轉速率都比較快 F 在 7 月時,地球 100 學測

自轉速率、公轉速率都比較慢。 (

)q 日—月—地的運動會造成不同日、月、年週期間的時間差異,請由下表找出正 確的配對組合: 造成時間差異的日—月—地間的相對運動

選項

恆星日與太陽日 的時間差異

恆星月與朔望月 的時間差異

恆星年與回歸年 的時間差異

A

地球進動

地球公轉

地球公轉

B

地球公轉

月球公轉

地球進動

C

地球自轉

月球自轉

地球公轉

D

地球進動

月球自轉

地球自轉

E

地球公轉

地球公轉

地球進動

F

地球自轉

月球公轉

地球自轉

)w 在臺灣 12 月的某一天,艷陽高照, 建華騎機車去某單位,在上午 10 點 左右抵達,預計下午 2 點離開。機車 停車場如下圖所示,有遮棚,棚高約 2 公尺,甲、乙、丙、丁為四個空的 停車格。為了避免這一段時間陽光照 射,使機車太熱,他應該選擇哪一個 停車格最適當? A 甲 B 乙 C 丙 D 丁。

98 學測

)e 恆星的光度與其球狀的「表面積」成正比,並且與其「表面溫度四次方」成正 比。已知織女星的絕對星等為 0.0、表面溫度為 10,000 K,太陽的絕對星等為 5.0、表面溫度為 6,000 K。織女星的半徑大約是太陽的幾倍? A 1.2 B 3.6  C 7.7 D 10 E 100。

322

101 學測


浩瀚的宇宙 橫行江湖

)r 天蠍座的心宿二與火星都是紅色。有關兩者呈現紅色的成因,下列選項何者較 100 學測

符合科學上的觀點?

心宿二

火星

A

表面溫度

表面溫度

B

表面溫度

表面化學組成

C

表面化學組成

表面溫度

D

表面化學組成

表面化學組成

)t 太陽是一顆穩定的恆星,能源主要來自氫融合反應,這類恆星屬於主序星。而 另有一類體積約為太陽百萬倍以上的恆星,稱為超巨星。織女星的亮度為 0.01 星等,太陽的亮度為- 26 星等,參宿四的平均亮度約為 0.8 星等(變星,星 等變化範圍為 0.4 ∼ 1.3)。其中織女星是藍色主序星,太陽是黃色主序星, 參宿四是紅色超巨星。天文學家將天體置於 32.6 光年處所看到的亮度,稱為 「絕對星等」。依據以上資料,判斷下列哪一選項的敘述是正確的? A 織 女星的表面溫度最高,太陽的絕對星等數值最小 B 太陽的表面溫度最高, 織女星的絕對星等數值最小 C 參宿四的表面溫度最高,太陽的絕對星等數 值最小 D 織女星的表面溫度最高,參宿四的絕對星等數值最小 E 參宿四 的表面溫度最高,織女星的絕對星等數值最小。

96 學測

)y  右圖是甲、乙兩顆恆星輻射能量對電磁波 波長的分布曲線。下列關於甲星、乙星的 比較何者正確? A 甲星的絕對星等比乙 星小 B 甲星的表面溫度比較高 C 甲 星與地球的距離比較短 D 甲星若是黃色 的,乙星可能是藍色。

)u 恆 星 的 能 量 來 自 於 中 心 區 域 的 核 融 合 反 應,距離中心越遠,氣體溫度越低。恆星 在其核心內部所產生的光子,在穿過較低 溫的光球層時,某些特定波長的光子會被 該處的物質所吸收而形成吸收譜線,天文 學家即可藉由譜線組合判別天體的組成, 右圖為 X 恆星與氫、氦、鈣、鎂等四種原 子分別造成不同的吸收光譜,根據光譜的 推斷,下列哪一種元素最不可能存在於 X 恆星的大氣之中? A 氫 B 氦  C 鈣 D 鎂。 323


)i 小嚨在使用光學望遠鏡時,拿一紙板:中間切割掉一小圓洞,直徑為物鏡的一

半,將此紙板放在物鏡前,則所見影像的明亮度與解析度的變化情形為何? 選項

A

B

C

D

影像的明亮程度

減弱

增加

減弱

增加

影像的解析度

減弱

增加

增加

減弱

)o 關於地球磁層的敘述,以下何者錯誤? A 因地球磁場與太陽風的交互作用

而形成 B 受磁力線引導,極光大多出現在兩極地區 C 由於地球磁層的存 在,使得太陽風和宇宙射線幾乎不能到達地球表面 D 當高能帶電粒子闖入 地球磁層,有些會被地球磁層捕獲形成范艾倫輻射帶 E 人造衛星大多在范 艾倫輻射帶中運行,因為此處的輻射粒子比較稀少。 (

)p 下列有關彗星與流星現象的敘述,何者正確? A 兩者存在的時間長短差不 多 B 兩者都發生在地球的大氣層範圍內 C 兩者發光的原理相同 D 兩者 均與太陽系物質有關。

多選題 (

)a 若設計一個能在嘉義的北回歸線紀念碑附近觀星專用的立體星座儀,將天空中 星星的位置呈現在立體星座儀的透明球體上,觀測者只要在立體星座儀內的適 當位置,將星星在透明球體上的位置延伸到天空,即可以找到該星星。所以, 下列關於立體星座儀的製作,哪些符合天文學的原理?(應選四項) A 設 計時刻環時,將透明球體的 180 度圓周區分為 24 個時區 B 假想觀測者位於 透明球體的球心,觀測者頭頂延伸出去為天頂 C 透明球體上所標示赤道和 黃道軌跡線的兩個交會點為冬至和夏至 D 依各個星星的天球坐標資料,繪 製於透明球體上來代表星星的位置 E 代表地軸的長棍貫穿透明球體的南北 極,地軸約與地面夾 23.5 度 F 觀測時先以指北針訂出觀測地點的約略方位, 99 學測

並將代表地軸的長棍指向北極星方向。 (

)s 下表是一些天體的基本資料。選出此表中表面溫度最高與最低的天體。(應選 98 學測

二項)

324

A

B

C

D

E

星名

天蠍 α

獵戶 β

太陽

海王星

火星

視星

1.09

0.12

- 26

約8

-2∼2

顏色


浩瀚的宇宙 橫行江湖

)d 在地面進行天文觀測,所運用的望遠鏡必須選擇特定的電磁波波段,才能夠觀 測天體。試選出下列哪些波段是較適合地面天文觀測?(應選二項) A 紫 外線 B 可見光 C 紅外線 D 微波 E 無線電波。

94 學測

)f 從地球上看,天上的行星會有凌日現象的是(應選二項) A 水星 B 金星  C 火星 D 木星 E 土星。 )g 下列有關太陽系的敘述,何者錯誤?(應選二項) A 八大行星全部位於黃

道面上運行 B 金星的表面大氣濃密,成分以氫氣為主 C 火星之大氣以二 氧化碳為主,兩極之極冠為乾冰和冰所形成 D 小行星帶受地球重力影響, 無法聚成較大行星 E 科伊伯帶、歐特雲為太陽系的一分子,均為彗星的故 鄉。

綜合題 ◎右圖為天球結構示意圖,圖中粗黑箭號 → 代表太陽 在天球上的移動方向。星座ㄅ、ㄆ各位於天球北、南 半球。試回答 26 ∼ 27 題: ( )h 下列敘述何者正確? A 乙點為秋分點  B 冬至、夏至等節氣是看農曆所訂定的  C ㄅ星座距離我們較近 D 星座在天球 上的形狀永遠是固定的。 (

)j 若太陽位於圖中甲處,則 A 地球北極當 天會出現永晝現象 B 臺北當天中午陽光 直射,無竿影 C 臺北當天會出現日夜等 長 D 此時為每年三月二十一日左右。

◎ 12 月 32 日,小唬到天文館參觀遇到隔壁鄰居小嚨。小嚨自告奮勇擔任小唬的嚮導,進了 三樓的宇宙通道,小嚨指著天頂說:「看,那是北極星!它老是在頭頂出現喔!而且是全 天空最亮的星,所以可以用來辨認方位!」但是小唬比較關心他的星座摩羯座能否在冬天 看到,小嚨很高興的說:「摩羯座的人不是在冬天出生嗎!摩羯座當然是冬季的星座了!」 小唬說:「真的在冬季夜空可以看到摩羯座嗎?」試回答 28 ∼ 30 題: ( )k 關於北極星的位置,小嚨唬嚨的緊,他的錯誤是 A 沒有一個地方可以看到 北極星在天頂 B 北極星會東升西落,改變位置 C 北極星屬於夏季星座, 所以冬季時看不見 D 在臺北看北極星約在北方仰角約 25 度處。

325


)l 關於北極星的亮度,小嚨也唬嚨的緊,他的錯誤發生在 A 夜空中有很多比 北極星更亮的恆星 B 北極星是夜空最亮的恆星,但是還有更亮的行星 C 北極星是全天空第三亮的星,還有太陽與月亮比北極星亮。

); 摩羯座是黃道十二宮在冬季之一宮,但是它不是冬季星座,這是因為 A 太 陽在冬季的位置很靠近它 B 它要在南半球才看得到 C 黃道十二宮總是在 改編自 北一女中

白天升起。 ◎右圖為月球、地球、太陽的相關位置及形成月相的 示意圖。當月球繞地球公轉一周從位置甲轉到乙, 它也完成自轉一周。參考右圖,回答 31 ∼ 32 題。 (

91 學測 )z 已知一圓周涵蓋 360 度,則地球在繞太 陽公轉的軌道上,每日平均約前進多少 度? 當 月相 從 滿月到 下一次 滿月,地 球在繞太陽公轉的軌道上,約前進多少 度?(應選二項)

選項

地球繞太陽公轉 「每日」平均前進度數

選項

地球繞太陽公轉 「每月」平均前進度數

A

約1度

E

約1度

B

約 15 度

F

約 15 度

C

約 30 度

G

約 30 度

D

約 45 度

H

約 45 度

)x 下列敘述,何者錯誤?(應選二項) A 地球除自轉外,也繞太陽公轉 B 地球除繞太陽公轉外,也繞月球公轉 C 地球繞太陽公轉的方向為自西向東  D 月球繞地球公轉的方向為自西向東 E 月球從圖之位置甲轉到乙,月相從 滿月又再次滿月。

)c 當月球由甲運行到乙時,約經過多少時間,且此一運行週期的名稱是?請選出 正確的組合:

326

選項

週期時間

週期名稱

A

29.53 天

恆星月

B

27.32 天

恆星月

C

29.53 天

朔望月

D

27.32 天

朔望月


浩瀚的宇宙 橫行江湖

◎將恆星的光度對表面溫度作圖,稱為赫羅圖,如下圖所 示。參考右圖,回答 34 ∼ 36 題: 學測 ( )v 從左上到右下的帶狀區中的恆星,稱為主序 星,下面的敘述,何者是錯誤的? A 太陽 是一顆主序星 B 主序星是恆星演化的末期 階段 C 恆星的一生大部分都在主序帶上度 過 D 主序星的中心正在進行氫融合反應。 (

)b 下列有關主序帶上質量最大星體的敘述何者正 確? A 因其質量最大,所以壽命最長 B 因其位於主序帶右下方,可知其溫度最低 C 因其密度最大,所以半徑最小  D 因其位於主序帶左上方,可知其光度最大。

)n 在赫羅圖中的恆星可以分為主序星、白矮星與紅巨星,下列敘述何者正確?  A 白矮星的體積比主序星大 B 紅巨星的光度比主序星小 C 太陽型恆星在 演化末期會成為一顆紅巨星 D 紅巨星的中心正在進行氫融合反應。

◎ 37 ∼ 40 題為題組 (

)m 右圖為小唬在今年 2 月 28 日晚上 10 點鐘, 於羊鳴山所製作的星象觀測紀錄圖,則下列 關於此圖的敘述,何者正確? A 圖中的 X 代表東方 B 圖中的 Y 代表黃道 C 虛線圓 弧代表赤道,也就是太陽在一年當中在天空 中的位置 D 星座盤上太陽並不是位於同一 個位置,而會隨著日期改變,是因為地球每 年會繞太陽公轉一周。

), 依 圖 判 斷, 哪 個 星 座 的 可 以 觀 測 的 時 間 最 久? A 天龍座 B 大熊座 C 獵戶座 D 巨蟹座。

). 若依照小唬的星象觀測紀錄圖來看,那麼北斗七星在實際星空中出現的情況應 為下列何者?

A

 B

 C

 D

327


)/ 一個月後(3 月 28 日)小唬再到羊鳴山觀星,同樣是晚上 10 點鐘,那麼他們 將會發現 A 獵戶座向東偏移了 15 度 B 巨蟹座向西偏了 30 度 C 大犬座 向北移了 45 度 D 北極星的仰角增加了 15 度。

◎飛馬座附近的 X 彗星,其視星等是 8.6。大明、小華、大琳、小美四人相約攜帶不同類型 的望遠鏡(如下表所示)與相關天文觀測器材資料到山上觀測。回答 41 ∼ 43 題: 91 學測補考

大明

小華

8 公分折射式望遠鏡 焦距:800mm 目鏡焦距:8mm、 12mm

8 公分反射式望遠鏡 焦距:1000mm 目鏡焦距:8mm、 10mm

大琳

小美

12 公分反射式望遠鏡 焦距:1200mm 7×50 雙筒望遠鏡 目鏡焦距:8mm、 物鏡直徑:50mm 18mm

)! 已知望遠鏡放大倍率為物鏡焦距與目鏡焦距的比值,下列有關他們四人經由望 遠鏡可以看到的彗星影像放大倍率的敘述,何者正確?(應選二項) A 大 明最大可看到 8 倍影像 B 小華最大可看到 125 倍影像 C 大琳最大可看到 100 倍影像 D 小美最大可看到 7 倍影像 E 小美最大可看到 350 倍影像。

)@ 他們四人當中,何人的望遠鏡口徑最小?已知物鏡口徑越大,能收到的光線越 多,則何人所看到的 X 彗星最明亮? (應選二項)

選項

口徑最小

選項

彗星最明亮

A

大明

E

大明

B

小華

F

小華

C

大琳

G

大琳

D

小美

H

小美

)# 飛馬座的 α 星的視星等是 2.6,其亮度約為 X 彗星的多少倍?其計算方法為 何? (應選二項)

328

選項

倍數

選項

計算方法

A

6.0

E

8.6 減 2.6

B

11.2

F

8.6 加 2.6

C

90

G

6 的 2.51 次方

D

250

H

2.51 的 6 次方


浩瀚的宇宙 橫行江湖

◎右圖是一幅使用哈伯望遠鏡拍攝的影像,呈現 甲、乙兩個星系與散布在圖面上的恆星。試根據 93 學測 下圖回答 44 ∼ 45 題: ( )$ 下列有關影像中的恆星與甲、乙兩 星 系 的 敘 述, 哪 一 選 項 是 正 確 的? A 恆星分別屬於甲或乙星系 B 恆 星與甲、乙兩星系都屬於我們銀河系 C 甲、乙兩星系不屬於我們銀河系, 而是與我們銀河系差不多的系統 D 甲星系屬於我們銀河系,乙星系則不是。 (

)% 下列有關地球與甲、乙兩星系遠近的敘述,哪一選項是正確的? A 甲星系 比較近,因為所有星系體積大小都差不多 B 甲星系比較近,因為距離愈遠 的星系,我們觀測到的體積愈小 C 乙星系比較近,因為距離愈遠的星系, 我們觀測到的體積愈小 D 無法由圖中得知,須由其他方法才能判斷星系的 距離。

◎假設有一顆與太陽類似的恆星,其中有三顆固態行星在一共同軌道上繞著它運轉,如下圖 所示。這三顆行星的質量與大小都與地球差不多,其他基本資料與軌道參數如下表所示。 為了方便對照,地球的資料附在下表中的最後一列作為參考。依據以下圖表,回答 46 ∼ 97 學測

47 題。

自轉週期

軌道傾角

大氣壓力(atm)

甲行星

42 小時

24 度

0.001

乙行星

20 小時

12 度

0.8

丙行星

12 小時

65 度

1.2

地球

24 小時

23.5 度

1.0

)^ 丙行星之極區的緯度範圍為何? A 23.5 度至 90 度 B 25 度至 90 度 C 65 度至 90 度 D 67.5 度至 90 度 E 該行星沒有極區。

)& 甲、 乙、 丙 三 行 星 中, 晝 夜 溫 度 差 別 最 大 與 最 小 的 分 別 是 哪 一 顆 行 星? A 最大的是甲行星,最小的是乙行星 B 最大的是甲行星,最小的是丙行星  C 最大的是乙行星,最小的是甲行星 D 最大的是乙行星,最小的是丙行星  E 最大的是丙行星,最小的是甲行星 F 最大的是丙行星,最小的是乙行星。

329


◎請閱讀下列短文後,回答 48 ∼ 50 題: 人們對宇宙的探索,主要是靠觀察星光。因為真空中的光速是每秒 30 萬公里,我們所觀 察到的其實都是在稍早時間的天體的形象。除了光波外,來自外太空的輻射線還包括紫外 線,以及由高速的帶電粒子所組成的宇宙射線等。對於較接近我們的太陽系中的星體,科 學家們也曾發射一些偵測器,以作更近距離的觀察。例如,美國航太總署所發射的精神號 探測車,在 2004 年初降落於火星的古希柏(Gusev)隕石坑。這個隕石坑直徑約 200 公里; 而地球上常見的隕石坑直徑則約為 20 公尺到 1 公里。火星是太陽系中的行星,其表面的 大氣壓力及重力加速度大約分別是地球對應值的 0.006 和 0.4 倍。精神號的裝備類似於地 質探勘機器人,主要是利用立體攝影機和紅外線攝影機拍攝火星的地形影像,再以無線電 100 學測

波傳回地球。 (

)* 上文提及的輻射線與光波中,哪一種不以光速傳播? A 可見光 B 宇宙射 線 C 紫外線 D 紅外線 E 無線電波。

)( 當地球距離火星約為 6×107 公里時,精神號探測車將火星表面影像利用無線 電波傳回地球,則地球上的科學家須等待多久後才能收到訊號? A2 分鐘  B 20 分鐘 C 2 秒 D 20 秒 E 200 秒。

)) 下列何種撞擊原因,最可能造成火星與地球上的隕石坑直徑差別? A 地球 表面各處均較火星表面堅硬,受撞擊形成的坑洞較小 B 地球的大氣密度較 大,隕石通過大氣層時,因摩擦燃燒損失較多質量 C 地球的重力場較大, 造成隕石通過大氣層的時間較久,因摩擦燃燒損失較多質量 D 地球有磁場, 會使隕石加速落下,隕石通過大氣層時,因摩擦燃燒損失較多質量 E 地球 有電離層,會使隕石加速落下,隕石通過大氣層時,因摩擦燃燒損失較多質量。

答案 1D qE a BDEF z AG ! BD

330

2B wD s BD x BE @ DG

3C eB d BE cB # DH

4B rB f AB vB $C

5D tD g BD bD %D

6B yB hA nC ^B

7D uB jA mD &B

8D iA kD ,A *B

9D oE lA .B (E

0A pD ;A /B )B


浩瀚的宇宙 橫行江湖

「長於」另外半年,(簡單假設:兩個半年

解析

的地球公轉軌道長度相同,)則表示在這期

2 A 同一經線上,基本上時間相同。C 因地

間內的 7 月時,地球公轉速率比較慢,所以

軸傾斜 23.5 度,使得南北半球的季節相反, 例如:北半球夏季時,南半球冬季。D 日食 的發生須「日 - 月 - 地」依序直線排列,月

同樣繞行公轉軌道半圈卻耗時比較久。 q

恆星日 vs 恆星月 vs 恆星年 vs 太陽日

食的發生須「日 - 地 - 月」依序直線排列, 而同一日內,「日 - 月 - 地」無法轉變為「日 -

引發

地球自轉

時間差的

的同時

3 於正午時影子達最長  冬至:1 地球在公

日-月-

「地球公

轉軌道上靠近近日點的位置;2 太陽光直

地運動

轉」了

地 - 月」排列。

射南回歸線。

朔望月

回歸年

月球(繞 地球繞太 地)公轉 陽公轉的 的同時

同時也發

「地球公 生「地球 轉」了

進動」

5 因為氣象觀測的目的在獲取客觀性的資料,

r 1 心宿二是「恆星」,因內部的核融合反

須避免太陽直射觀測百葉箱中的溫度或溼度

應而發光,顏色反應恆星的表面溫度:表面

量測相關儀器。臺灣地區位居北回歸線附

溫度越低,越呈紅色;反之,呈藍白色。2

近,太陽的視軌跡大多是位在南方的天空,

火星是「行星」,本身不會發光,只能靠反

因此百葉箱的門應當開口朝北!

射太陽光線而被我們觀測到;其顏色會受表

6 要觀察到日全食必須 1 面向太陽(白天); 2 位在太陽會「完全」被月亮遮蔽的位置; 故選擇「乙」。

面物質的化學組成所影響。 t 1 表面溫度可由星光的顏色判斷:藍白色 表示恆星表面溫度較高,黃、紅色則漸次降

9 1 由題目「此電子感光晶片對光的接收量

低。 表面溫度由高而低:織女星(藍色)

與時間呈線性關係」:曝光時間由 1 分鐘增

>太陽(黃色)>參宿四(紅色)。2 絕

加到 40 分鐘=光的接收量增加 40 倍,即亮

對星等反映恆星的發光強度:光度愈強,絕

度增加 40 倍。2 恆星星等相差 5 等,亮度

對星等的數值愈小。恆星體積愈大時,表示

相差 100 倍= 星等相差 1 等,亮度相差約 2.5

其內部的核融合反應產生愈多的能量,即具

5

(2.5 ≒ 100) 倍: 亮 度 增 加 40 倍(40 = 1

4

有較大的發光強度,因此體積最大的參宿四

100/2.5 ≒ 2.5 ),所以可以觀察到星等再

(超巨星)的光度最強,絕對星等數值最小。

暗 4 等(4 = 5 - 1)的恆星。3 星等數值

u 四種元素的吸收譜線中,只有氦的吸收譜線

越大,表示越暗:所求= 20 + 4 = 24。 0 1 地球的「自轉」速率與「一日」的長短

無法在 X 恆星中找到,故推論氦元素最不 可能存在於此恆星大氣中。

息息相關: 因為一整年當中,每日均是 24

i 1 影像的明亮程度由望遠鏡的「聚光力」

小時,故此現象與地球自轉的速率較無關。

決定:聚光力與口徑面積成正比。2 影像

2 地球的「公轉」速率與「一年」的長短

的解析度由望遠鏡的「解析力」決定:口徑

(包括:日數)息息相關。根據題目,從 3

越大,解析力越好。 題目的設定為望遠鏡

月 21 日春分、夏至到 9 月 23 日秋分的日數

的口徑面積縮小,因此影像的明亮程度與解

331


析度都減弱。 p A 彗星長,流星短。B 彗星位於大氣層外。 C 彗星:反射太陽光;流星:與空氣摩擦 生熱發光。 d 來自宇宙中的電磁波大多會被大氣吸收,若

目鏡焦距,最大放大倍率=物鏡焦距(基 本上會是固定值)÷「最短的」目鏡焦 距。 2 雙筒望遠鏡:「『7×』50」=放大倍率 為 7 倍(物鏡口徑為 50mm)。

電磁波能順利通過大氣而抵達地面,我們就 能利用這些電磁波進行天文觀測。其中,可

物鏡焦距

見光與無線電波不被大氣吸收,故選 B、

(mm)

E,也因此地面天文觀測主要使用光學望遠 鏡以及無線電波望遠鏡。紅外線雖然也有機 會抵達地面,但是僅限於少數水氣稀少的地 區(高山或沙漠),因此不是最佳的選擇。 f 凌日:從地球觀測時,星體行進路徑會穿越 太陽盤面,行星公轉半徑小於地球者才會發 生。

星:天狼星。

大琳

小美

800

1000

1200

8

8

8

目鏡焦距 (mm) 最大放大 倍率

100 倍 125 倍 150 倍

7倍

@ 彗星最明亮,則需望遠鏡(物鏡)口徑最大:

物鏡口徑 (mm)

大明

小華

大琳

小美

80

80

120

50

z 1 地球繞太陽公轉一圈 360~,週期為一年,

$ 星系是構成宇宙的基本單位,每一個星系跟

即耗時 365.25 日:地球繞太陽公轉「每日」

我們身處的銀河系都分別是一個單位系統。

平均前進度數=(360~÷365.25 日)≒ 1~ /

故影像中所見到的星系均不屬於我們銀河

日。2 地球繞太陽公轉一圈 360~,週期為

系,僅是與銀河系差不多的系統。而圖面上

一年,即耗時 12 個月:地球繞太陽公轉「每

的恆星則無法直接判斷所屬,需要有每一顆

月」平均前進度數=(360~÷12 月)≒ 30~

恆星距離地球的數據資料後,才能正確知道

/ 月。

該恆星的位置。

x B 月球繞地球公轉,地球繞太陽公轉。E 滿月時,月球 - 地球 - 太陽三者須依序排列 成線,因此,月球從圖中位置甲轉到丙時, 月相才會從滿月又再次滿月。 c 月球從甲運行到乙:對遙遠恆星而言,已公 轉一周,故為「恆星月」;週期是 27.32 天。 月球從甲運行到丙:對太陽而言,已公轉一 周,故為「朔望月」;週期是 29.53 天。 ! 1 單 筒 望 遠 鏡: 放 大 倍 率 = 物 鏡 焦 距 ÷

332

小華

最短的

g B 金星的大氣主要以二氧化碳為主。 l 天空中最亮的恆星:太陽;夜空中最亮的恆

大明

% 宇宙間的各恆星、星團或星系均無法直接由 影像判讀其距離。 * 電磁波(光波)以光速傳播,由低頻到高頻, 包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線等; 但由題目知「由高速的帶電粒子所組成的宇 宙射線」不是電磁波,故選 B。 ( 無 線 電 波 以 光 速( 約 3×108 公 尺 / 秒 = 3×105 公里 / 秒)行進: 距離=時間 × 速率


浩瀚的宇宙 橫行江湖

7 5 6×10 公里=時間 ×3×10 公里 / 秒

 時間= 200 秒。 ) A 地球與火星地表均由岩石組成,堅硬度 上沒有明顯的差異。C 若僅考慮地球重力 場較大,則隕石下落的加速度較高、速率較 快,通過大氣層的時間較短。D、E 磁場 與電離層對隕石落下的速率無明顯影響。

333

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