民國115年 高考三級 體育行政 運動自然科學考古題

民國115年 高考三級 體育行政 運動自然科學收錄考選部官方試題,共 4 題可線上瀏覽,考選部未公告本科目答案。

官方資料

題目與答案

第1題

在球類運動(如足球的香蕉球、網球的上旋球、棒球的變化球)中,球 體的旋轉常使其軌跡產生明顯偏折。請說明何謂馬格努斯效應(Magnus Effect)?其流體力學原理為何?並請繪圖及以文字描述當投出一顆球帶 有「逆向旋轉(Backspin)」時,其所受到的升力方向及對飛行軌跡的影 響。(25 分)

參考解答(AI 生成,非官方)

  • 一、定義與現象:馬格努斯效應(Magnus effect)是指球體在流體中同時前進與自轉時,球體表面邊界層(boundary layer)的流速不對稱,因而產生一個垂直於運動方向與自轉軸的側向力,使球路偏折。足球的香蕉球(banana kick)、網球的上旋球(topspin)、棒球的變化球都是實例;此現象於1852年由德國物理學家 Gustav Magnus 以實驗描述而得名。
  • 二、流體力學原理:旋轉的球面會帶動附著其上的空氣,球體一側的邊界層與來流同向而加速,另一側則與來流反向而減速。依白努利原理(Bernoulli principle)p+½ρv²=常數,流速快的一側壓力低、流速慢的一側壓力高,於是形成橫向壓力差;也可由動量觀點理解為球體使邊界層偏轉,流體再以反作用力回饋於球。馬格努斯力 F=½ρv²A·C_L,升力係數 C_L 隨自轉參數 S=ωR/v 增加,並受雷諾數(Reynolds number)與表面粗糙度(縫線、絨毛)影響邊界層分離點,故實際偏折量須以實驗或數值模擬求得。
  • 三、逆向旋轉的升力方向:設球向右飛(+x 方向)、重力朝-z 方向(向下)。Backspin 使球體上表面向後轉(與來流反向)、下表面向前轉(與來流同向),因此上表面流速慢、壓力高,下表面流速快、壓力低,淨壓力差向上,升力方向為+z,與重力相反;以向量式表示 F_M ∝ ω × v,方向可由右手定則判定。
  • 四、對飛行軌跡的影響:升力抵消部分重力,使滯空時間延長、射程增加、彈道較平直,棒球四縫線速球因而產生「上飄錯覺」(實為下墜量減少);高爾夫球的後旋亦靠此延長滯空。惟升力隨球速平方與轉速而變,球速衰減後升力下降,尾段仍會下墜;若轉軸傾斜,則出現側向漂移。
  • 五、繪圖要領:畫一球體置中,標前進速度 v(向右箭頭)、自轉角速度 ω(以弧形箭頭表示上表面向後、下表面向前)、升力 F_M(向上箭頭)、重力 mg(向下箭頭);上表面註明「流速慢、壓力高」,下表面註明「流速快、壓力低」;再以虛線畫出帶後旋時較平直且延長的軌跡、實線畫無旋轉時的拋物線並標示比較。考生繪圖時務必標出各力方向與壓力標註。

第2題

跳水與體操運動員在空中進行翻騰(Somersault)與轉體(Twist)動作 時,皆與角動量守恆定律有關。請說明何謂轉動慣量(Moment of Inertia)?其影響因子為何?運動員在空中若想在不借助外力的情況下 「加速翻騰」,應如何透過肢體展縮來改變轉動慣量與角速度的關係? (25 分)

參考解答(AI 生成,非官方)

  • 一、定義:轉動慣量(moment of inertia, I)是物體抵抗角加速度的慣性量,I=Σm_i·r_i² 或 I=∫r²dm,單位為 kg·m²;亦可寫成 I=mk²,其中 k 為迴轉半徑(radius of gyration)。轉動版本的牛頓第二定律為 τ=Iα,角動量 L=Iω,是分析翻騰與轉體動作的基礎。
  • 二、影響因子:其一為質量總量,質量越大 I 越大;其二為質量分布,離轉軸越遠,因 r² 的關係影響越大;其三為轉軸的位置與方向,人體對縱軸、橫軸(左右軸)、前後軸的 I 差異極大;其四為身體姿勢,展體時四肢遠離質心、I 大,團身時質量集中、I 小。教練通常透過改變迴轉半徑來調整轉速,而非改變體重。
  • 三、角動量守恆:運動員離地後若不計空氣阻力,外力矩為零,L=Iω 保持定值,故 I 縮小則 ω 增大、I 增大則 ω 減小。起跳瞬間的 L 由蹬地反作用力矩、擺臂與擺腿的角動量轉移決定,空中只能重新分配,不能無中生有。
  • 四、加速翻騰的肢體策略:起跳後迅速團身(tuck),收髖屈膝、雙手抱小腿,使質量向橫軸集中,橫軸 I 可降至展體時的三分之一至二分之一,ω 相應提高;接近落地前再展體(layout),以增大 I、降低 ω,利於控制與著地。要點在「快收、緊抱、早放」,收縮越快、抱得越緊,轉速越高;因 L 固定,技術重點是縮短收縮時間,而非增加 L。
  • 五、延伸與限制:轉體(twist)多於起跳時製造斜向的角動量分量,或利用髖部與手臂不對稱擺動的「貓轉身」(cat twist)技巧,與翻騰共用同一 L 向量;空氣阻力與落地前的二次發力會造成偏差。繪圖時可用同一 L 箭頭,搭配「I 大/ω 小(展體)」與「I 小/ω 大(團身)」兩圖對照。提醒:角動量守恆解釋的是轉速的變化,並非增加總角動量。

第3題

比較Type I(慢縮肌縮纖維)、Type IIa(快縮氧化型纖維)、Type IIx(快 縮醣解型纖維)肌纖維的生理與代謝特性。並且說明運動員肌纖維比例 是天生還是能透過訓練轉換?(25 分)

參考解答(AI 生成,非官方)

  • 一、Type I(slow-twitch oxidative,慢縮氧化型):肌凝蛋白 ATPase 活性低、收縮速度慢、抗疲勞性最高;粒線體密度、微血管密度與肌紅蛋白含量高,呈紅肌外觀;以有氧代謝供能,PCr 與醣解能力較低;運動單位招募閾值低,適合姿勢維持與耐力項目(馬拉松、長距離自由車)。
  • 二、Type IIa(fast-twitch oxidative glycolytic, FOG,快縮氧化醣解型):收縮速度快、力量較大、抗疲勞性中等;粒線體與微血管密度居中,兼具氧化與醣解能力,屬「耐力型快肌」,適合中距離與間歇性高強度項目(400至1500公尺、球類反覆衝刺)。
  • 三、Type IIx(fast-twitch glycolytic,快縮醣解型,舊稱 IIb):收縮最快、力量最大、最易疲勞;粒線體與微血管少、肌紅蛋白低,呈白肌;磷酸肌酸系統與醣解酵素(如 PFK)活性高,乳酸生成快;適合短時間爆發(100公尺、舉重、跳躍)。
  • 四、比較面向與應用:可由收縮時間、ATP 供應途徑、酵素活性、粒線體與微血管密度、抗疲勞性、運動單位大小原則(Henneman size principle,低閾值先招募)等面向列表比較;實務上以肌電圖、肌肉活檢(myosin heavy chain 免疫染色)與磁振頻譜判定比例,並據以設計訓練與選材。
  • 五、天生或可訓練:肌纖維比例受遺傳高度影響(估計遺傳率約四至五成以上),故頂尖耐力與爆發選手的比例有明顯差異;但訓練可造成「表現型轉換」,主要發生於 IIx 與 IIa 之間的可逆轉換,耐力訓練使 IIx 轉為 IIa 並提升氧化能力,高強度訓練可增加 IIa 比例;人類由 I 完全轉為 IIx 的證據薄弱。轉換受神經活動型態、荷爾蒙、衛星細胞與 PGC-1α 等路徑調控。建議依專項需求訓練,而非企圖徹底改變天生比例。

第4題

何謂運動正念訓練?請依據運動心理學理論,闡述正念訓練改變運動員 心理狀態的核心機轉?(25 分)

參考解答(AI 生成,非官方)

  • 一、定義與內涵:運動正念訓練(mindfulness training in sport)係以「刻意、當下、不評價」的注意力覺察為核心的心理技能訓練,常見方案包括 MSPE(Mindfulness Sport Performance Enhancement)、MAC(Mindful Sport Performance)與 MBSR(正念減壓)改編。內容含呼吸覺察、身體掃描、開放覺察、接納(acceptance)與去中心化(decentering),並分正式練習與比賽情境的非正式練習。
  • 二、機轉一:注意力調節。正念訓練提升持續性注意與注意力轉移、抑制無關刺激,減少分心與內在自我對話佔用工作記憶,使認知資源保留給技術執行;此對應注意力資源有限模型與資訊處理理論。選手在關鍵分更能「回到當下線索」,而非懊悔上一球。
  • 三、機轉二:情緒調節與喚醒控制。透過接納與不評價,降低對焦慮與失誤的經驗性逃避及災難化思考;生理上降低交感過度活化、提升心率變異(HRV),使喚醒水準接近倒U曲線(inverted-U)的最適區間,減少失常(choking)現象。
  • 四、機轉三:去中心化與心理彈性。正念使運動員將想法視為「心理事件」而非事實,削弱認知融合(cognitive fusion),提升心理彈性(psychological flexibility),此即接納承諾療法(ACT)與 MAC 模型的核心;對傷後復出、低潮期的因應尤具價值。
  • 五、機轉四:自我決定與流暢體驗。正念降低自我意識過度聚焦(self-focused attention),促進挑戰與技能平衡的流暢(flow)經驗,並透過自主性與勝任感的滿足支持內在動機(self-determination theory)。教練可將正念融入熱身與換局儀式。
  • 六、限制與建議:現有研究多為小樣本、短期介入,效果量中等,且測量工具與介入劑量不一;正念不宜取代意象、自我對話等傳統心理技能訓練,宜加以整合。實務建議每週數次、持續八週以上,並結合專項情境演練與教練支持,避免流於形式化的靜坐。