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普考申論題 107年 [天文] 普通物理學概要

第 一 題

📖 題組:
一個質量為1.0公斤的物體在靜止狀態從距離地面 490 公尺的高處落下,若空氣阻力不計,請計算出以下問題的答案:
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

該物體剛到達地面時速度大小為何?(10分)

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看到自由落體且不計空氣阻力的題目,應直覺聯想到力學能守恆或等加速度直線運動。為了展現物理觀念的嚴謹性,建議由加速度與速度的微積分關係式出發,積分推導出末速與高度的關係,再代入數值求得答案。

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【解題思路】運用加速度的微積分定義推導運動學關係式,結合邊界條件進行求解。 【詳解】 已知:

小題 (二)

如果有人在地面接住該物體,並且是用 0.1 秒的時間就讓該物體停住,請問在此情況下該物體的撞擊力是幾牛頓?相當於幾公斤物體的重量?(10分)

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看到此題,應先將問題拆解為兩階段:第一階段為『自由落體』,可利用力學能守恆或等加速度運動學公式求出落地瞬間的末速;第二階段為『碰撞緩衝』,利用『衝量-動量定理(Impulse-Momentum Theorem)』計算物體在極短時間內速度歸零所需的平均作用力。

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【解題思路】運用自由落體運動學公式求出物體觸地瞬間的速度,再由衝量-動量定理($J = \Delta p$)計算使物體停止的平均阻力,最後考量受力平衡換算為公斤重。 【詳解】 已知:

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