高中學測
107年
自然
第 57 題
📖 題組：
圖 19 為重力波之示意圖，雙星以緊密而快速的模式互相環繞對方時，會產生以光速 $c = 3.0 \times 10^8$ m/s 向外傳播的重力波。2017 年物理諾貝爾獎頒給證實重力波存在的三位物理學家，他們在 2015 年偵測到一個來自雙黑洞系統產生的重力波訊號，如圖 20 所示，雙黑洞系統最主要會經歷旋近、合併、而歸於沉靜的過程，在它們彼此旋近過程所產生的重力波，波的振盪會由緩漸急、由弱漸強；而在快速合併的過程中，產生的重力波之頻率與能量則會漸增，最終合併為一時，重力波將歸於沉寂。已知此雙黑洞系統的初質量分別為 36 M⊙ 與 29 M⊙，而合併沉靜後，新黑洞之質量會因輻射而減少變為 62 M⊙，其中 M⊙ 為太陽的質量（約為 $2.0 \times 10^{30}$ kg）。依據以上資訊，回答 57-59 題。
圖 19 為重力波之示意圖，雙星以緊密而快速的模式互相環繞對方時，會產生以光速 $c = 3.0 \times 10^8$ m/s 向外傳播的重力波。2017 年物理諾貝爾獎頒給證實重力波存在的三位物理學家，他們在 2015 年偵測到一個來自雙黑洞系統產生的重力波訊號，如圖 20 所示，雙黑洞系統最主要會經歷旋近、合併、而歸於沉靜的過程，在它們彼此旋近過程所產生的重力波，波的振盪會由緩漸急、由弱漸強；而在快速合併的過程中，產生的重力波之頻率與能量則會漸增，最終合併為一時，重力波將歸於沉寂。已知此雙黑洞系統的初質量分別為 36 M⊙ 與 29 M⊙，而合併沉靜後，新黑洞之質量會因輻射而減少變為 62 M⊙，其中 M⊙ 為太陽的質量（約為 $2.0 \times 10^{30}$ kg）。依據以上資訊，回答 57-59 題。
科學家曾對各種天體過程可能的重力波輻射進行模擬估算，並與實驗偵測到的訊號振幅作比對。下列的重力波訊號（橫軸代表時間，由左向右遞增），何者最適合描述雙黑洞系統經歷圖 20 所示之過程？
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A
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B
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C
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D
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E
思路引導 VIP
請你在文章中找出描述雙黑洞系統產生重力波時，「頻率」與「能量」如何變化的關鍵句。接著想一想，這些變化若畫在波形圖上，波的「疏密程度」與「波峰高度」會隨著時間推移發生什麼樣的改變呢？最後「歸於沉寂」又會怎麼呈現？
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了，你精準抓出了文字與圖表的對應關係！這題答得非常好。 從文字敘述還原物理圖像 這題的關鍵在於將文章的敘述轉換為物理波形特徵。文章明確指出，雙黑洞在旋近過程中，重力波振盪「由緩漸急」，這代表頻率 $f$ 變高、波形會越來越密集；同時「由弱漸強」，意味著能量增加、波的振幅會越來越大。當進入合併階段，頻率與能量達到最高點，隨後歸於沉寂，波形便會迅速衰減平息。
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