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黑洞

關於這個模擬實驗

此 3D 黑洞模擬展示事件視界外繞行的氣體、約為視界半徑 2.6 倍的暗色陰影，以及盤面朝向你移動的較亮一側。滑桿可設定黑洞質量（3 至 100 個太陽質量）和盤面傾角，開關則控制都卜勒眩光。讀數會顯示視界半徑、最內穩定軌道、軌道週期及速率。老師可借此讓學生明白質量與大小的關係，並解釋為何旋轉盤面的一側看起來較亮。

學生可以探索什麼

  • 提高「質量」滑桿，觀察「視界半徑 r_s」讀數以公里為單位增加。
  • 把盤面傾角由 5 度調至 85 度，看看彎曲的光環形狀如何改變。
  • 先關閉、再開啟「都卜勒眩光」，看看為何靠近的一側看起來較亮。
  • 讀取「ISCO 處的軌道速率」，並與光速作比較。
  • 拖曳以環繞鏡頭，並放大比較視界、陰影邊緣及最內穩定軌道的標籤。

學習目標

  1. 1描述黑洞的事件視界是什麼，以及其半徑如何取決於質量。
  2. 2解釋為何旋轉盤面朝向觀察者移動的一側看起來較亮。
  3. 3認識重力會使光線彎曲，從而在暗色陰影周圍形成光環。
  4. 4比較不同質量黑洞的軌道速率和大小。

教師常問的問題

黑洞模擬可免費使用嗎？

是的。它完全免費，可在任何現代網頁瀏覽器上運行，包括互動電子白板、平板電腦、Chromebook 和手機。無需安裝，亦無需註冊或建立帳戶。

黑洞的事件視界有多大？

其半徑即施瓦西半徑，r_s = 2GM/c²，每個太陽質量約為 2.95 km。因此，質量為 10 個太陽質量的黑洞，其視界半徑約為 30 km。

為什麼盤面的一側較亮？

其中一側的氣體以接近光速的很大比例朝你移動，相對論性都卜勒波束使該側明亮得多，而遠離你的一側則變暗。切換都卜勒眩光即可作比較。

我如何在課堂上使用黑洞模擬？

拖動質量滑桿並記下讀數，然後改變盤面傾角並切換眩光。請學生在每次改變前先作預測，然後再對照畫面上的標籤核實。

嵌入這個模擬實驗

免費嵌入你的學習平台、網誌或班級網頁。

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