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普考申論題 108年 [天文] 天文學概要

第 一 題

📖 題組:
四、
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

繪製簡圖並說明刻卜勒第二定律的主要內容。(5 分)

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看到克卜勒第二定律,應立即聯想到核心概念「等面積定律」與其背後的物理本質「角動量守恆」。解題時,簡圖需明確標示焦點(太陽)、向徑與掃過面積;文字說明不僅要給出定律的幾何定義,更應列出數學關係式與近日點/遠日點的速度變化,展現物理邏輯。

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【破題】克卜勒第二定律(Kepler's Second Law)又稱為「等面積定律」,定量描述了行星在軌道運動時,向徑與時間的幾何關係。 【論述】 一、簡圖說明

小題 (二)

第二定律反映的是行星遵守什麼物理量守恆?(5 分)

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看到「第二定律」應直覺聯想到克卜勒第二定律(等面積定律)。接著從力學角度切入,思考行星受太陽引力為「連心力」,由於力臂與作用力相互平行致使外力矩為零,進而推導出其對應的物理守恆律。

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【解題思路】克卜勒第二定律(等面積定律)本質上是中心力場中「角動量守恆」的幾何表現。 【詳解】 已知:設行星質量為 $m$,相對於太陽的位置向量為 $\vec{r}$,速度向量為 $\vec{v}$,動量為 $\vec{p}$。

小題 (三)

以圓形軌道簡化計算,並提供第二小題所指物理量的證明。(10 分)

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遇到「圓形軌道簡化計算」的證明題,核心切入點是「萬有引力提供等速率圓周運動之向心力」。解題時需先明確定義各物理符號(如恆星質量、軌道半徑、週期等),再將力學平衡方程式透過角速度或週期展開,即可推導出天文學中連結觀測性質(如週期、軌距)與本徵性質(如系統總質量)的重要關係式(如牛頓形式的克卜勒第三定律)。

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【解題思路】利用牛頓萬有引力定律提供雙星系統圓周運動之向心力,推導觀測性質(軌道半徑、週期)與本徵性質(系統總質量)之關係(即牛頓推廣之克卜勒第三定律)。 【詳解】 已知:

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