普考申論題
112年
[天文] 普通物理學概要
第 一 題
📖 題組:
有一個飛輪由細棒穿過短圓柱軸心組成,其轉動慣量為 0.125 kg·m²,起始的角動量為 10.00 kg·m²/s,在2.00秒內飛輪的角動量均勻減少變為 6.00 kg·m²/s。 (一)飛輪受到的平均力矩為何?(4分) (二)減速過程中動能減少了多少焦耳?(8分) (三)減速過程中飛輪轉了多少圈?(8分)
有一個飛輪由細棒穿過短圓柱軸心組成,其轉動慣量為 0.125 kg·m²,起始的角動量為 10.00 kg·m²/s,在2.00秒內飛輪的角動量均勻減少變為 6.00 kg·m²/s。 (一)飛輪受到的平均力矩為何?(4分) (二)減速過程中動能減少了多少焦耳?(8分) (三)減速過程中飛輪轉了多少圈?(8分)
📝 此題為申論題,共 3 小題
小題 (一)
飛輪受到的平均力矩為何?(4分)
思路引導 VIP
看到角動量隨時間變化,應立即聯想牛頓第二運動定律的轉動形式:力矩等於角動量的時間變化率(τ = dL/dt)。題目要求求出平均力矩,直接使用角動量的總變化量除以時間間隔即可求得。
小題 (二)
減速過程中動能減少了多少焦耳?(8分)
思路引導 VIP
面對轉動動能變化的問題,考生應優先聯想角動量 L、轉動慣量 I 與轉動動能 K 之間的直接關係式 K = L² / (2I)。由基本定義推導此式並直接代入初末狀態的角動量,能有效減少計算步驟並降低因先求角速度而產生的運算錯誤率。
小題 (三)
減速過程中飛輪轉了多少圈?(8分)
思路引導 VIP
看到「角動量均勻減少」,應立即聯想到系統受恆定力矩作用,作「等角加速度運動」。解題關鍵在於先利用角動量定義式 L=Iω 求出初、末角速度,接著利用等角加速度的平均角速度觀念求出總角位移(弧度),最後除以 2π 將弧度轉換為實際圈數。