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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)
📝 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)

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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。

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【解題思路】利用牛頓第二運動定律之轉動形式,平均力矩等於角動量的時間變化率。 【詳解】 已知:

小題 (二)

減速過程中動能減少了多少焦耳?(8分)

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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。

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【解題思路】利用轉動動能與角動量的關係式 $K = \frac{L^2}{2I}$,直接計算初態與末態的動能差值。 【詳解】 已知:飛輪轉動慣量 $I = 0.125 \text{ kg}\cdot\text{m}^2$,初始角動量 $L_i = 10.00 \text{ kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}$,末狀態角動量 $L_f = 6.00 \text{ kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}$。

小題 (三)

減速過程中飛輪轉了多少圈?(8分)

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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。

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【解題思路】由「角動量均勻減少」可知系統作等角加速度運動。先由 L=Iω 求出初末角速度,再利用等角加速度運動的平均角速度求得總角位移,最後除以 2π 轉換為圈數。 【詳解】 已知:轉動慣量 I = 0.125 kg·m²,時間 Δt = 2.00 s,初角動量 Li = 10.00 kg·m²/s,末角動量 Lf = 6.00 kg·m²/s。

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