TH8-2.¦ÒÃDch5.3®Õ.²M

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1 第 5 章功與能量 5-1 單選題 1. 質量 m 的物體作自由落體, 重力加速度 g, 則第 t 秒內重力所做之功為 (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(A) 第 t 秒內所走的距離為 則所做的功 故正確選項為 (A) 2. 一鐵鍊置於光滑水平桌面上, 其長度垂直懸於桌邊, 若鍊長質量 m, 欲將鍊子全部拉回 桌面需做功多少? (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(D) 難易度 : 可視為將長 的鐵鍊質心位置提高 所做的功 故正確選項為 (D) 3. 一物體質量 1kg 原向東以 30m/s 運動, 受向北的力作用 4 秒, 而力和時間關係為, 則 4 秒後物體動能增加多少? (A)40 (B)45 (C)50 (D)60 (E)80J 難易度 : 解答 :(C) F-t 圖所圍的面積即, 且即增加動能故正確選項為 (C) 5-1

2 4. 一 30kg 重的盒子, 以等速滑下 60 的斜面 10m 求摩擦力以及摩擦力所作的功? 解答 : 由等速下滑的條件知合力為零難易度 : 用分量表示為 由此可得 因此, 5. 質量 M 公斤的物塊, 被俯角 θ 的定力推著, 在水平地板上以等速行進 S 公尺 地板與物塊間之摩擦係數為 μ k, 求該力作功多少? 難易度 : 解答 : 由等速運動的條件知合力為零 用分量表示為 由此可得 因此 6. 某一質量 120 公斤的物體, 以 10 公尺長的繩子懸掛, 今用一水平力拉此物體使其移向一側, 距離鉛垂線 2 公尺, 求此水平力的大小為何, 以及此力對物體所作的功為何?( 設拉動的過程 5-2

3 中, 物體時時刻刻保持平衡 ) 解答 : 難易度 : 1=10 公尺 2 公尺 m=120 公尺 由於物體保持平衡, 因此, 作用於其上的合力為零, 即用分量表示為 由此可得 物體沿著圓弧 s 移動, 所作的功為 焦耳 單選題 7. 一物體質量 3kg, 受一力作用而做水平面的直線運動, 其位置及時間的關係為 X=3t-4t 2 +t 3, X 單位為公尺, 時間 t 為秒, 求 4 秒內此力所做的功為 (A)450 (B)248 (C)528 (D)324 (E)135 J 難易度 : 解答 :(C) 位置 5-3

4 故正確選項為 (C) 8. 將彈力常數為 k 的彈簧壓縮 x 後, 彈簧兩端各置質量 m 1 及 m 2 的物體, 釋放後求 m 1 所獲得的 動能為 (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(D) 因為彈力為內力, 故動量守恆先求壓縮後 m 1 m 2 的動能比 難易度 : 因為壓縮的位能可全部轉為動能, 故 m 1 所獲得之 故正確選項為 (D) 9. 有一個鉛球自由下落 1 公尺的過程中, 重力做功為 W 1 ; 當此鉛球以等速度下降 1 公尺時, 重 力做功為 W 2, 則之值為 (A)g (B) (C)1 (D) (E) 條件不足, 不能判定 解答 :(C) 物體自由落下或是等速落下, 其重力所做之功皆相同 難易度 : 故 W 1 =W 2 故正確選項為 (C) 10. 將一條彈簧的伸長量由 x 0 緩緩增加為 2x 0 時, 若外力做功為 W, 則此彈簧的力常數為 (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(C) 5-4

5 故正確選項為 (C) 11. 質量 10kg 的木塊由斜面上升至頂端, 斜面長 5m, 高 3m 假設斜面光滑,g=9.8m/s 2, 施一外力沿斜面方向使木塊等速上升至頂端, 但斜面和木塊間有動摩擦係數 0.5, 則此外力做功為 (A)490 (B)294 (C)0 (D)147 (E)100 J 難易度 : 解答 :(A) 欲施外力使物體等速上升所須之外力 : 所作之功 F S 故正確選項為 (A) 12. 兩木塊以細繩連接, 置於光滑面上, 如右圖所示 當質量 m 的木塊沿著斜面下滑 L 時, 張力對木塊 m 做功為 (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(C) 難易度 : 重力平行斜面的分力為, 故細繩張力為 張力對木塊 m 做功為 故正確選項為 (C) 13. 質量 10kg 的木塊由斜面上升至頂端, 斜面長 5m, 高 3m 假設斜面光滑,g=9.8m/s 2, 施一外力沿斜面方向使木塊等速上升至頂端, 但斜面和木塊間有動摩擦係數 0.5,( 外力做功 ): ( 重力做功 ):( 摩擦力做功 ) 為 (A)5:3:2 (B)2:3:5 (C)3:4:5 (D)5:(-3):(-2) (E)3:(-2):(-1) 難易度 : 解答 :(D) 外力做功 : 重力作用 : 摩擦力作用 5-5

6 故正確選項為 (D) 14. 一物體質量 5kg, 受力作用於光滑水平面上做直線運動, 其受力及位置的關係如右圖, 則物體由原點受力移動至 x=15(m) 時, 此力做功為 (A)100 (B)50 (C)200 (D)150 (E)70 J 難易度 : 解答 :(A) F-x 圖所圍的面積即所做用的功做功故正確選項為 (A) 15. 一質量 2 公斤的木塊初速度為 v 0=36 i-8 j m/s, 末速 v=96 i-72 j m/s, 求此木塊動能的變化 量為 (A)6524 (B)7696 (C)13040 (D)1538 (E)10000 J 難易度 : 解答 :(C) 動能變化 故正確選項為 (C) 16. 一木塊質量 m 置於 30 度的斜面上, 木塊和斜面間摩擦係數 0.5, 則將木塊沿斜面等速向上拉一 段距離 s 所做之功為 (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(C) 難易度 : 外力 做功 F S 故正確選項為 (C) 17. 施 6 牛頓的拉力於光滑水平面上的木塊 ( 質量為 1 公斤 ), 如右圖所示, 當木塊移動的距離為 10 公尺時, 則拉力做功為 (A)0 (B)30 (C) (D)60 (E) 焦耳 難易度 : 解答 :(C) 做功 5-6

7 W= F X 故正確選項為 (C) 18. 施 10 牛頓的水平力使質量 1 公斤的木塊, 沿著光滑斜面上滑, 如右圖所示, 則在木塊移動 4 公尺距離的過程中, 水平力做功為 (A)0 (B) (C) (D)40 (E) 焦耳 難易度 : 解答 :(C) 做功 W= F X 故正確選項為 (C) 19. 一光滑斜面和水平面成 30 角 今有質量為 1 公斤的物體, 由靜止開始, 沿著斜面下滑 2 公尺的距離, 則就整個運動過程而言, 下列有關 功 的敘述, 何者錯誤?( 重力加速度為 9.8 公 2 尺 / 秒 ) (A) 重力垂直於斜面的分力, 總共做了 9.8 焦耳的功 (B) 重力平行於斜面的分力, 總共做了 9.8 焦耳的功 (C) 重力總共做了 9.8 焦耳的功 (D) 斜面施於物體的正向力, 總共做了 0 焦耳的功 難易度 : 解答 :(A) (A) (D) 物體沿斜面下滑, 在垂直於斜面方向無位移, 故垂直斜面的力做功等於零 (B) 重力平行於斜面的分力為 牛頓 沿斜面方向位移 2 公尺, 故做功 W=4.9 2=9.8 焦耳 (C) 重力 mg=1 9.8 牛頓鉛直方向位移 h=2sin30 =1 公尺重力做功 =9.8 1=9.8 焦耳故正確選項為 (A) 20. 一木塊質量為 m, 放在傾斜 60 的斜面上, 而木塊與斜面間的動摩擦係數為 0.5, 則將木塊自斜 面底沿斜面等速拉上一段距離 s 所做的功為 (A) (B) (C) (D) 難易度 : 解答 :(C) 下滑力 =mgsin60, 動摩擦力 f k =μmgcos60 等速 拉力 F=mgsin60 +μmgcos60, 做功 故正確選項為 (C) 5-7

8 21. 用繩將質量為 m 公斤的木塊垂直上提, 以 的加速度上移 s 公尺距離, 則繩對木塊所做的功 為 (A) (B) (C) (D) 焦耳 難易度 : 解答 :(D) 設繩的拉力 F 做功 故正確選項為 (D) 多重選擇題 22. 水平面上有 A B C 三木塊, 其質量分別為 m 2m 與 3m 今施一個 量值為 8mg 的水平力於木塊 A 上, 如右圖所示, 使木塊組移動 L 的距 離 已知平面與木塊間的動摩擦係數皆為 0.5, 則 (A) 木塊 A 對 B 做 功為 (B) 木塊 B 對 C 做功為 4mgL (C) 水平力對木塊 A 做功為 8mgL (D) 摩擦力對 木塊 A 做功為 (E) 合力對木塊組做功為 5mgL 難易度 : 解答 :(A) (B) (C) (D) (E) (A) 對木塊組來說, 故 W AB= FAB S == (B) 對 C 來說,, 故 (C) A 受水平力 (D) A 受摩擦力 F S f S 23. 下列何者做功為零? (A) 在水平粗糙面上, 沿一封閉圓軌道切線方向推物, 使物等速行一周, 推力所做的功 (B) 火箭升空時, 重力對火箭所做的功 (C) 鉛球拋出後, 在飛行過程, 手對鉛球所做的功 (D) 在下坡道時, 手施力推嬰兒車, 使嬰兒車加速度運動, 手對嬰兒車所做的功 (E) 錐動擺擺動時, 重力對擺錘所做的功 難易度 : 解答 :(C) (E) (A) 推力做功 = 摩擦力做功 5-8

9 (B) 重力對火箭做負功 (C) 飛行過程, 手對鉛球施力為零, 故做功 =0 (D) 手施力做負功 (E) 鉛直方向無位移, 重力做功 =0 故正確選項為 (C) (E) 填充題 24. 用繩繫住質量 m 的木塊並垂直以的向下加速度下降 s 距離, 則繩對木塊所做的功為 解答 : 難易度 : 設繩張力 F, 做功 25. 敘述單一質點功能定理 難易度 : 質點所受合力做功等於動能的改變量 26. 用細繩懸吊一質量為 M 的木塊後, 若再以的加速度垂直下降距離 L, 則在此過程中, 細繩的拉力對木塊做功若干? ( 重力加速度為 g) 難易度 : 拉力 解答 : 27. 一質量 m 物體以初速 v 在水平地面上滑行, 若物體與地面間之動摩擦係數 μ, 則在整個滑行過 程中, 合力所做之功為若干 難易度 : 解答 : 合力做功 = 摩擦力做功 = 28. 一彈簧原長度 20cm, 若施以 10 牛頓的拉力, 可伸長至 25cm 今將該彈簧的一端固定, 另一端施外力將彈簧的長度由 15cm 緩慢壓縮為 10cm, 則此過程中外力做功若干 J 解答 :0.75J 難易度 : 5-9

10 29. 如右圖, 一長度 L 質量 m 的均勻繩子, 其長度的置於光滑水 平桌面上, 長度的 掛於桌外, 重力加速度 g 今欲將此繩全部 拉回桌面上, 所需做功至少為若干? 難易度 : 解答 : 30. 下列各情形中, 物體受外力作用之下, 做功不為零者有哪些? (A) 鉛球拋出後, 在飛行過程中, 手對鉛球所做的功 (B) 物體沿粗糙斜面等速下滑時, 斜面對物體之作用力 (C) 鉛直掛物於彈簧下端, 物體達平樣而靜止以後, 彈力對物體做功 (D) 單擺運動時, 擺錘所受懸線之張力 (E) 人造衛星繞地球運行, 由近地點至遠地點, 重力做功 (F) 人造衛星繞地球一周, 萬有引力對衛星所做之功 (G) 手持重物, 但手未運動, 則手對重物所做之功 (H) 以手沿一粗糙表面推一重物以等速前進, 則手對重物所做之功 ( 複選 ) 解答 :(B) (E) (H) 難易度 : 31. 一木塊質量為 m, 放在傾斜 37 的斜面上, 而木塊與斜面間之摩擦係數為 0.5, 則將木塊沿斜 面自底部等速拉上一段距離 S 所做之功為 ( 重力加速度 g) 難易度 : 解答 :mgs 32. 若一衝量 J=1.5 i +2.5 j N-s, 作用在初速 V=7.0 i -3.0 j m/s 而質量為 100g 的質點上, 則在此 過程中力對該質點所做的功為若干焦耳? 難易度 : 解答 :45.5(J) 5-10

11 5-4 單選題 33. 質量為 公斤的飛機在 10 分鐘內, 其飛行速率由 50 公尺 / 秒增為 100 公尺 / 秒, 且高度增加 3000 公尺 若引擎輸出的功率有 50% 消耗於克服阻力上, 則該引擎在這 10 分鐘內平均輸出功率為 (A)1 (B)2 (C)2.5 (D)4.5 (E)8.6 百萬瓦特 難易度 : 解答 :(D) 10 分鐘內所輸出的能量用於增加動能 位能以抵抗阻力, 百萬瓦特故正確選項為 (D) 34. 有一瀑布高 100m, 水流量 1200m 3 /s, 若水力發電機能將水的位能的轉換成電能, 則此發電機的輸出功率為何?(g=10m/s 2 ) (A) (B) (C) (D) (E) W 難易度 : 解答 :(D) 水流量 1200m 3 /s 即每秒流過 1200m 3 體積的水, 共重 kg, 發電機功率 =, 水的位能 = 故正確選項為 (D) 35. 一物體質量 2kg 做自由落體, 當落下 2.5m 瞬間重力對該物體的瞬時功率為 (A)196 (B)137 (C)49 (D)14 (E)98 W 難易度 : 解答 :(B) 落下 2.5m 時的速率功率故正確選項為 (B) 36. 一物體自地面作斜向拋射, 初速 v 0, 仰角 θ, 物體質量 m, 重力加速度 g, 則物體在最高點至 著地期間, 重力施於物體的平均功率為 (A) (B) (C)0 (D) (E) 難易度 : 解答 :(B) 5-11

12 從高點落地所花時間 平均功率 故正確選項為 (B) 37. 一物體自地面作斜向拋射, 初速 v 0, 仰角 θ, 物體質量 m, 重力加速度 g, 則物體在最高點至 著地期間, 此物體著地瞬間, 重力施於物體之瞬時功率為 (A) (B) (C)0 (D) (E) 難易度 : 解答 :(A) 重力施於物體瞬間功率 P= F v= 故正確選項為 (A) 38. 汽船引擎輸出功率為 6kW 時, 能使船以 18km/hr 等速行駛, 求船所受阻力為 (A)300 (B)600 (C)1000 (D)1200 (E)900 N 難易度 : 解答 :(D) 且 故正確選項為 (D) 39. 等重的 A B 兩物, 同時同地出發,A 自由落下,B 則以 20m/s 作水平拋射,B 落地時與地面夾 37,B 落下期間, 重力對 B 的平均功率為多少?g=10m/s 2,B 物質量 4kg (A)300 (B)450 (C)150 (D)600 (E)900 W 難易度 : 解答 :(A) 重力做功 5-12

13 故正確選項為 (A) 40. 以 4 馬力的抽水機由地面將水送至高處的蓄水池, 蓄水池的大小為 4m 4m 4m, 蓄水池頂部 離地 10m, 水由頂部注入, 抽水機因摩擦生熱, 有 50% 電能耗損, 欲將水池充滿需多少時 間? (A)120 (B)80 (C)70 (D)320 (E)300 分鐘 難易度 : 解答 :(C) 1 馬力 =745.7Watt 蓄水池充滿水須做功 抽水機所花時間 故正確選項為 (C) 分 41. 某人重 55kg 於 3.5s 內爬上高度 4.5m 的樓梯 (g=10m/s 2 ), 則此人施出的平均功率為 (A)770 (B)805 (C)707 (D)1050 (E)450 W 難易度 : 解答 :(C) 焦耳瓦特故正確選項為 (C) 42. 質量 0.5kg 之物體原以 1m/s 向東運動, 受向西的外力作用, 此力 F=2t,F 單位為牛頓 N,t 為時間, 單位為秒 s, 則 2 秒內此外力施於物體的平均功率為 (A)1 (B)2 (C)3 (D)4 (E)6 W 難易度 : 解答 :(E) 令向西為正 F-t 圖所圍面積即動量變化 做功 5-13

14 故正確選項為 (E) 43. 質量分別為 2 公斤與 4 公斤的 A B 兩物體, 由相同的高度同時自由落下, 若以下落的時刻為 t =0 秒, 且不計空氣阻力, 則當 t=2 秒時, 重力對兩物所施瞬時功率之比為 (A)1:1 (B)1: 2 (C)2:1 (D)4:1 (E)1:4 難易度 : 解答 :(B) 時間相同時, 速度相同 功率比為 1:2 故正確選項為 (B) 44. 一艘汽艇以等速 v 0 航行時, 所受阻力為 f, 則該汽艇引擎輸出功率至少為 (A)fv 0 2 (B)fv 0 (C) (D) 2 (E)2fv 0 難易度 : 解答 :(A) P= F v=fv 0 故正確選項為 (A) 45. 將質量為 1 公斤的小球, 由地面以初速 20 公尺 / 秒鉛直上拋, 若以小球拋出的時刻為 t=0 秒, 且不計空氣阻力時, 則當時間為 t=1 秒時, 重力對小球所施的瞬時功率為 (A)10 (B) -10 (C)100 (D)-100 (E)-200 瓦特 難易度 : 解答 :(D) 由, 時 且 P= F v= =-100 W 故正確選項為 (D) 46. 假設一船在水中航行時, 所受的阻力和速率成正比 若欲使船速加倍, 則所需功率為原有的多少倍? (A)1 (B)2 (C)4 (D)8 (E)12 難易度 : 解答 :(C) P=vF s, 阻力和速度成正比, 故正確選項為 (C) 47. 以初速 v, 仰角 θ, 斜向拋出一質量 m 之物體, 則 (A) 在空中飛行的時間為 (B) 最小 動能為 (C) 最大位能為 (D) 在飛行時間內之動量變化量為 2mv (E) 在 5-14

15 飛行時間內重力做功功率, 每一時刻均為 0 解答 :(C) (A), 難易度 : (B) 最小動能 (C) 最大位能等於垂直速度的動能所轉化成的, 最大位能 (D) 在飛行時的動量變化, 即為垂直速度在拋出時和落地時的動量變化, 為 2mvsinθ (E) 飛行期間, 重力做功功率皆不同, 為不同時間之速度 ] 故正確選項為 (C) 48. 以等速率拉船所需之力與船速的次方成正比, 若以 v 之速率拉船需功率 P, 則以 4v 的速率 拉船需功率 (A)P (B) P (C)8P (D) P (E)32P 難易度 : 解答 :(E), 且, 即 故正確選項為 (E) 多重選擇題 49. 一單擺擺長, 擺角 θ, 擺錘質量 m, 由最高點靜止釋放, 重力加速度 g, 下列何者正確? (A) 此單擺週期 (B) 擺錘由最高點至最低點, 重力做功 (C) 經, 重力對擺 錘的平均功率 (D) 經, 重力對擺錘的平均功率為 (E) 任何時刻, 擺線張力, 恆不做功 解答 :(A) (C) (E) 難易度 : (A) 單擺週期, 為單擺擺長 (B) 重力做功 : (C) 功率 ; 時平均做功為 5-15

16 功率 (D) 時, 重力做功 (E) 張力與移動方向垂直, 故不做功 故正確選項為 (A) (C) (E) 50. 一物體自地面作斜向拋射, 初速 v 0, 仰角 θ 質量 m, 重力加速度 g, 求重力對物體的功率, 下 列何者正確? (A) 落地時, 瞬時功率為零 (B) 在最高點時, 瞬時功率為零 (C) 下降過程中平 均功率為 (D) 上升過程中平均功率為 (E) 自發射至著地, 全程平均功 率為 難易度 : 解答 :(B) (C) (A) 落地時, 重力有做功, 故不為零 (B) 在最高點時, 行進方向與重力垂直, 故為零 (C) 位移 (D) 與 (C) 相同 (E) 自發射至落地, 重力做功應為零, 故功率為零 故正確選項為 (B) (C) 填充題 51. 質量 m 的質點, 由離地高度 h 處以初速 v 0 水平拋出, 則質點在空中飛行的全程中, 重力所施的平均功率為 ; 質點落地瞬間, 重力施於質點的瞬時功率為 解答 : 難易度 : 重力做功 =mgh 時間 平均功率 瞬間功率 5-16

17 52. 一物體質量 5 公斤, 靜止在光滑水平面, 以水平方向 20 牛頓的力量拉之, 歷時 2 秒, 外力對 物體做功多少?, 平均功率又為何? 難易度 : 解答 :160J 80 瓦, 未達 (A)W= 增加的動能 = (B) 瓦 53. 一汽車質量 2000 公斤, 由靜止在 10 秒內等加速至 90km/hr 的速度, 則在第 10 秒時引擎給予 汽車的瞬時功率為何? 難易度 : 解答 : 瓦 瞬時 P= F v= = 瓦 54. 質量 5 公斤的物體, 自高空靜止並且自由落下, 當落下 19.6 公尺時, 重力對物體的瞬時功率為 難易度 : 解答 :960.4 瓦 設落地瞬時速率 v 瞬時功率 瓦 55. 一質量 5kg 的質點, 若以仰角 53 初速 40m/s, 自地面斜向拋射 則當質點速度方向為俯角 37 時, 重力做功的瞬時功率為 W 難易度 : 解答 :900 W, 又 P= F v= 瓦 56. 某汽艇在水面等速運動時, 所受阻力與速度成正比, 今以 v 等速運動時, 馬達功率為 P 馬力, 若改以 3v 等速, 則馬達功率須為 難易度 : 解答 :9P 5-17

18 57. 於地面上以 v 0 =20m/s 之初速,θ 0 =53 之仰角, 斜拋質量 m=1kg 物體, 求第 1 秒末重力所做 的瞬時功率 (g=10m/s 2 ) 為 W 難易度 : 解答 :-60 第一秒末物體之瞬時速度 v =v 0 cosθ i +(v 0 cosθ-gt) j =(20 ) i +( ) j =12 i +6 j F v =-mgv y= =-60 W 一砲彈質量 100kg 以 500m/s 的初速,45 的仰角自地面發射, 在最高點時, 砲彈的位能為多 少? 設 g=10m/s 2 (A) (B) (C) (D) (E) J 解答 :(B) 最高點高度 難易度 : 位能 故正確選項為 (B) 59. 一砲彈質量 100kg 以 500m/s 的初速,45 的仰角自地面發射, 當砲彈距地面 2500m 高時, 砲彈速度和水平面夾 θ 角,(g=10m/s 2 ) 則值為 (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(C) 由 故正確選項為 (C) 5-18

19 60. 如圖 ( 一 ) 所示, 在無摩擦之水平地面上, 有一彈簧 物體系統, 彈簧之力常數為 k, 物體 m 離開平衡位置之位移以 x 表示 若物體受到如圖 ( 二 ) 所示之水平施力 F 與彈簧力 kx 作用, 由平衡位置移動至 x=1.00m 處, 則下列關於此運動過程之敘述, 何者正確? (A) 施力 F 與彈簧力之合力對物體所做之功為零 (B) 彈簧力對物體所做之功為正, 等於 0.250J (C) 彈簧 物體系統的位能減少 0.25J (D) 物體的動能增加 0.250J (E) 物體的速率愈來愈慢 難易度 : 圖 ( 一 ) 圖 ( 二 ) 解答 :(D) (1) 能瞭解功與能的意義, 並理解彈簧的位能型式及座標圖形的意義 (2) 彈簧位能型式, 也可由座標圖知三角形面積, 即可計算物體的動能增加 焦耳 61. 一均勻繩長為平放於一光滑水平桌面邊緣, 若繩之一端使其沿桌邊垂直由靜止下滑, 則當整 條離開桌面瞬間其速率若干? (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(A) 設繩子質量為 m, 且質心下降 難易度 : 故正確選項為 (A) 62. 一單擺其擺動的最大幅角為 60, 則當擺角為 30 時與擺球擺到最低點時, 其動能的比為 (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(D) 難易度 : 單擺動能即位能變化 故正確選項為 (D) 5-19

20 63. 右圖中, 設平面 AB 與曲面 BCD 均光滑, 若欲使物體自 A 發射經 B C D 再落回 A 點, 設圓半徑 r, 重力加速度 g, 求物體初速 v 0 (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(D) 設 v 0 為 則 D 點時速度 落地所花時間 因此 且知 故正確選項為 (D) 64. 小木塊質量 m 沿光滑軌道內側滑行, 小木塊上升至最高點 R 時, 軌道內側給予小木塊的正向力為 (A)mg (B)2mg (C)3mg (D)4mg (E)5mg 難易度 : 解答 :(A) 已知, 則, 則故正確選項為 (A) 65. 一長度為, 質量為 m 的均勻繩, 其長度置於一光滑水平桌面, 另外垂直懸掛於桌 邊, 若欲將此繩全部拉回桌面, 需做功多少? (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(D) 可視為把質量 的物體, 提升 的高度 故正確選項為 (D) 5-20

21 66. 一物體質量 m 以初速 v 沿斜面底部向上滑行 S 又滑回底部, 速度值量為, 則物體和斜面 間得摩擦力為 (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(B) 損失的動能即摩擦力所做的負功 故正確選項為 (B) 67. 一光滑圓軌道半徑為 R, 軌道平面與水平面垂直 一質點受重力及軌道正向力的作用, 在軌道 上運動時, 其最大速率是最小速率的倍 設重力加速度為 g, 則此質點的最小速率是 : (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(E) (1) 鉛直面圓周運動的質點正向力不做功, 只有重力做功, 故力學能守恆, 質點在軌道最高點時速率最小, 設其值為 v, 質點在最低點時速率最大, 依題意為 (2) 由力學能守恆 故正確選項為 (E) 68. 一彈簧之力常數為 k, 垂直懸掛, 今將一質量為 m 之物體掛在彈簧下端後, 突然釋放, 則物體 之最大動能為何? (A) (B) (C) (D) (E) 難易度 : 解答 :(E) 最大動能即彈簧的最大位能 故正確選項為 (E) 69. 質量為 m 的小木塊從斜角為 θ 的固定斜面的頂端 A 點下滑, 距離 A 點 d 遠處 在斜面的底端有一力常數為 k 質量可不計的彈簧, 如圖所示 彈簧的一端固定在斜面的底端 已知木塊與斜面間的動摩擦係數為 μ 設木塊完全停止時, 彈簧被壓縮的距離為 x, 試問 x 是下面哪一個方程式的解? 難易度 : 5-21

22 (A) (B) (C) (D) (E) 解答 :(A) 重力位能之損失轉為彈力位能儲存起來及損失摩擦力做功 故化簡為 (A) 的答案, 故正確選項為 (A) 多重選擇題 70. 一彈簧吊在天花板上, 下端掛質量為 m 的物體, 平衡時彈簧伸長 x, 如 A 圖 今以手將彈簧下拉後釋放, 今其振動則 (A) 彈力常數 為 (B) 由 A 圖至 B 圖, 手向下施力作功 (C) 振動期間, 彈力位能最小值為零 (D) 最大動能 (E) 最大加速度 難易度 : 解答 :(A) (E) (A) (B) (C) 故正確選項為 (A) (E) 71. 兩小球質量分別為 m 1 及 m 2, 由一長度為之細桿 ( 質量可忽略 ) 相連, 並以通過兩球質量中心且垂直於細桿的軸, 做等角速度的轉動, 則下列敘述何者正確? (A) 旋轉軸與 m 1 的距離 5-22

23 為 (B) 兩球均作速率為的等速圓周運動 (C) 兩球的動量量值相等 (D) 兩球的角 動量量值相等 (E) 兩球的動能和為 難易度 : 解答 :(A) (C) (A) 兩質點之質心在兩者連線上, 且兩者之距離與其質量成反比 設 m 1 距質心 x 1,m 2 距質心 x 2, 又 (B) (C) (D) (E) 兩者動能和 故正確選項為 (A) (C) 72. 一質量為 m 的質點, 在一無摩擦, 半徑為 R 的鉛直圓形軌道上運動, 如圖所示 已知在最高點的速率為,g 為重力加速度, 則 下列敘述何者為正確? (A) 此質點之最大速率為 (B) 在最高 點處, 軌道對質點作用力的量值為 (C) 在任一直徑的兩端點 上, 質點動能之和不變 (D) 此圓周運動之週期大於 (E) 在運動過程中, 質點對圓心之 角動量守恆 難易度 : 解答 :(A) (C) 質點僅受 g 及 N 兩力作用 ( 無摩擦 ), N v N 對質點不做功, 只有重力 g 做功, 故力學能守恆 (A) 由力學能守恆得知 : 最大速率為在最低點之速率 v 5-23

24 (B) 以 m g + N 之合作向心力 m g + N =,( 以向下為正 ) ( 負號表示 N 的方向向上 ) (C) 在任一直線的兩端點上 ( 如右圖 ) 其動能為 E 1 及 E 2 定值 ( 與 θ 值無關 ) (D) 圓周上各點之速率皆大於 v 0, 故週期 (E) 質點對圓心之角動量故正確選項為 (A) (C) 故角動量非定值 73. 一自然長度為 12L 的彈簧, 上端固定, 下端掛一質量為 m 的物體, 並使物體在鉛垂方向做簡諧運動 設重力加速度為 g, 運動過程中彈簧的長度最短時是 11L, 最長時是 15L, 則下列敘述何者正確?( 彈簧的質量不計 ) (A) 彈簧的彈力常數是 (B) 當物體的速率最大時, 彈簧的長度是 13L (C) 物體的最大動能是 2mgL (D) 當彈簧長度是 11L 及 15L 時, 彈簧的彈性位能相同 (E) 當彈簧長度是 12L 及 14L 時, 物體的動能相同 難易度 : 解答 :(A) (B) (C) (E) (1) 平衡點的彈簧長度在最長與最短之中點, 故長度為 13L 簡諧運動的振幅為 2L (2) 平衡點伸長量為 L, 淨力為零 (3) 在平衡點速率最大, 動能最大, 總位能 ( 重力位能 + 彈性位能 ) 最小 由最大動能 代入 5-24

25 74. 一質量為 m 的小星球, 在離太陽無窮遠處的速率為 v, 位能為零 假設小星球不受太陽引力之影響而沿直線運動, 則與太陽的質心最近距離為 b 在太陽的引力作用下, 小星球的軌道是一條以太陽為焦點的雙曲線 設太陽質量為 M, 位置固定 ; 小星球離太陽的質心最短距離為 d (d 大於太陽之半徑 ), 重力常數為 G 則下列有關小星球之敘述, 何者為正確? (A) 對太陽質心的角動量之量值為 mvb (B) 總力學能為 (C) 在離太陽最近處之加速度量值為 (D) 對太陽的最大速率為 v (E) 難易度 : 解答 :(A) (B) (C) (E) (A) 角動量 L= r P =bmv (B) 總力學能 E 為定值, 在無窮遠處無位能, 故 (C) (D) 力學能, 故星球在距太陽 d 處, 速率最大 (E) 角動量守恆 : 力學能守恆 : (1) (2) 式聯立解得 : 故正確選項為 (A) (B) (C) (E) 75. 一彈簧靜止懸吊, 其下端繫質量 m 之物體並以手扶之, 使之慢慢落下 x 1 距離, 然後突然釋 手, 最大伸長量為 x 2, 則 (A) 此物體做 S.H.M., 其平衡點在自然長度下方 (B) 彈簧力 常數為 (C) 物體做 S.H.M., 其振幅為 (D) 週期為 (E) 最大加速度 值必小於 g 難易度 : 解答 :(A) (B) (C) (D) (E) (A) 平衡點為 (B) (C) 振幅為 5-25

26 (D) (E) 最大加速度值必小於 g 故正確選項為 (A) (B) (C) (D) (E) 76. 一物體沿一圓弧形軌道運動, 自上端以等速率下滑, 則下列敘述何者正確? (A) 物與軌道間 之摩擦力量值不變 (B) 物所受淨力恆為零 (C) 物所受淨力之量值不變而方向改變 (D) 因物等 速下滑, 故物之動量守恆 (E) 物體之動能為定值 難易度 : 解答 :(C) (E) (A) 摩擦力量值增加 (B) 速度改變 ( 速率一定, 方向改變 ) 物所受淨力不為零 (C) 方向為指向圓弧形軌道的中心 (D) 動量 P=m v 速度改變, 故物之動量不守恆 (E) 動能 速率一定, 故物體之動能為定值 故正確選項為 (C) (E) 77. 長的繩, 一端繫一小球手握另一端, 使小球做鉛直面的圓周運動則 (A) 維持小球恰能做圓周運動, 球在最高點的速率為零 (B) 承 (A) 球在最低點的速率是最高點的倍 (C) 承 (A) 最低點時小球所受繩的張力為小球重量的 6 倍 (D) 小球於最低點處合力為零 (E) 小球於最高點合力為零 難易度 : 解答 :(B)(C) (A) 最高點速率 (B) 最低點速率 (C) 張力 6 倍重量 (D) 合力向上, 為 5mg (E) 合力向下, 為 mg 故正確選項為 (B) (C) 78. 鉛直圓周運動的半徑為 L, 質量為 M 的質點在最低點的速度為, 如果每繞完圈, 力 學能就少 焦耳, 求下列敘述正確的為何? (A) 經過最高點的次數為 16 次 (B) 最後一次 過最高點後, 物體仍能沿圓軌滑到最低點 (C) 倒數第二次過最高點時, 向心力為 3Mg (D) 一 開始, 在最低點的向心力為 36Mg (E) 每繞一圈, 最低點的繩子張力就少 1Mg 解答 :(A) (C) (D) 難易度 : (A) 設第一次達最高點的速率 v

27 設質點可再經過 N 次最高點 故經過最高點共為 N+1=16 次 (B) 最後一次達最高點速率為, 因摩擦力做功, 故無法沿圓軌道滑到最低點 (C) 倒數第 2 次達最高點速率 v 下列敘述正確者為何? (A) 鉛直上拋時, 引力做負功 (B) 由近日點到遠日點, 引力做負功 (C) 衛星繞地球做圓周運動, 引力做負功 (D) 單擺的擺錘由最低點向上擺時, 繩子的張力做負功 (E) 一物的動能如果不變, 這一定是外力都沒做功 難易度 : 解答 :(A) (B) (B) 引力做功 (C) 引力做功 =0 (D) 張力做功 =0 (E) 動能不變合力做功 =0, 非外力做功 =0 故正確選項為 (A) (B) 80. 一質量為 m 的小星球, 在離太陽無窮遠處的速率為 v, 位能為零 假設小星球不受太陽引力之影響, 而沿直線運動, 則與太陽質心的最近距離為 b 在太陽的引力作用下, 小星球的軌道是一條以太陽為焦點的雙曲線 設太陽質量為 M, 位置固定 ; 小星球離太陽的質心最短距離為 d (d 大於太陽之半徑 ), 重力常數為 G 則下列有關小星球之敘述, 何者為正確? (A) 對太陽質心的角動量之量值為 mvb (B) 總力學能為 (C) 在離太陽最近處之加速度量值為 (D) 對太陽的最大速率為 v (E) 難易度 : 解答 :(A) (B) (C) (E) (A) 角動量 =mvb (B) 位能 =0, 總能量 = (C) (D) 角動量守恆,, 為最大速度 5-27

28 (E),( 力學能守恆 ) 故正確選項為 (A)(B)(C)(E) 填充題 81. 一個物體質量為 m, 以一細繩繫住做半徑為 R 的鉛直圓周運動, 已知該物體在最高點時的速率 為, 其中 g 為重力加速度, 則 (A) 此物體在最低點的速率為 (B) 在最低 點時, 繩之張力為 難易度 : 解答 :(A),(B) (A) 設最低點速率 v (B) 82. 如右圖, 重力加速度 g=10m/s 2, 一力常數 k=100n/m 原長度 L=5m 的理想彈簧, 下端固定於地面 若先將彈簧壓縮 d= 3m, 再置一質量 10kg 的物體於此壓縮彈簧的頂端, 釋放後物 體被鉛直向上彈升 則 (A) 物體上升最高點離地的高度為 m (B) 物體上升期間的最大速率為 m/s 解答 :(A)6.5 公尺,(B) 難易度 : (A) 設釋放點重力位能為零 h=4.5 公尺, 距地 6.5 公尺 (B) 合力 =0 時, 加速度為零, 速率為最大,kx 0 =mg 公尺 由力學能守恆 5-28

29 83. 不計摩擦力, 一質點由 A 點以 v 0 初速滑行, 再沿半徑 R 之半圓 球內側上滑, 若通過最高點恰落於 A 點,( 如右圖 ), 求質點 在 D 點之正向力為 ( 重力加速度 g) 難易度 : 解答 :0 設在 D 點瞬間速度為 v D 84. 單擺之擺錘質量 m=1lg, 擺長, 今由幅角 θ 0 =53 自由釋放, 求擺至幅角 θ=37 時, 繩張力 T= ( 重力加速度 g=10m/s 2 ) 難易度 : 解答 : 由力學能守恆 法線方向合力 85. 如右圖所示, 在水平面上有一滑車, 質量 M, 滑車上有一圓弧軌道, 高度為 H, 軌道底端成水平, 有一質量 m 的物體從軌道頂端沿著軌道自由下滑, 設摩擦力均不計, 則當物體 m 滑離軌道底端之瞬間, 滑車的速度量值為 ( 重力加速度 g) 解答 : 難易度 : 因力學能守恆 因動量守恆 5-29

30 由 (2) 代入 (1) 86. 如圖, 平面 AB 曲面 BCD 均光滑, 質量 m 之物體在 A 點以初速 v 0 發射, 經 B C D 各點又落回 A 點, 則 : (A)v 0 值為 (B) 若物體達水平位置 C 時, 曲面作用於物體之正向力大小為 難易度 : 解答 :(A),(B) (A) 設 D 點速度為,, 又 (B) 由力學能守恆 在 C 點以正向力做向心力 綜合題 87. 一彈力常數為 k 的彈簧被垂直懸吊於天花板 ( 彈簧的重量不計 ) 今如將彈簧另端繫一質量為 m 的物體, 且使之自由下墜 (A) 試問彈簧最大可伸長若干? (B) 物體在何處受力為零? 並求該處物體的速度 ( 如圖 ) 難易度 : 解答 :(A),(B) (A) (B) 5-30

31 88. 一彈力常數為 k, 長, 質量可忽略的彈簧, 底端被固定於地面 ( 如圖 ) 茲將此彈簧壓縮 D 公尺, 並以一質量為 m 之鋼珠置於此一被壓縮之彈簧頂端 當彈簧被釋放, 鋼珠上彈, 則鋼珠可被彈升多高? 設 難易度 : 解答 : 89. 如右圖所示, 均為光滑面, 質量 m 之物體以向右滑行, 求 (A) 抵 B 點時軌道對物體之正向力為何? (B) 物體最後落於 AC 面上之點與 A 之距離為何? 難易度 : 解答 :(A),(B) (A) 達 B 點速率 (B) 達 D 點速率 v D, 設落地點距 A 為 x, 90. 有一人造衛星以動能 K, 繞地球做半徑為 R 的等速率圓周運動, 試問地球對衛星的萬有引力為何? 難易度 : 解答 : 5-31

32 91. 一斜面質量為 M, 一物體質量為 m, 同置於一光滑水平面上 物體以 2v 的初速朝靜止的斜面運動 若斜面與物體間無摩擦, 則物體沿斜面上升的最大高度為何? 難易度 : 上升高度 解答 : 達最高點時, 內動能 =m 的重力位能 92. 已知某行星質量為 m, 繞太陽運行, 軌道為圓形, 半徑為 r, 在單位時間內半徑掃過的面積為 A, 如圖示 則此行星 (A) 繞太陽公轉之動能為若干? (B) 設 r= 時, 重力位能為 0, 則此時太陽與此行星系統的力學能為若干? 難易度 : 日 解答 :(A),(B) (A) (B) 由萬有引力作向心力 93. 一擺長為 R 的單擺懸於牆上 O 點 在 O 點的正下方距離 H 處 ( 且 ) 有一水平細桿, 細桿垂直進入牆面 今拉擺錘 擺錘 至擺線呈水平後放開 ( 如圖所示 ) 擺錘在細桿擋住擺線後, 繞細桿繼續做圓周運動, 則當繩索鬆弛瞬間與鉛直線夾角 θ 為若干? 難易度 : 解答 : 94. 一質量為 m 的質點, 以一細繩繫住而做半徑為 R 的鉛直圓周運動, 如圖所示 已知在最高點的速率為,g 為重力加速度, 回答下列問題 (A) 此質點的最大速率為若干? (B) 在最高點處, 繩子對質點作用力的量值為質點重量的多少倍? 難易度 : 5-32

33 解答 :(A),(B)1 (A) (B) 95. 如圖示, 設平面 AB 與圓形曲面 BCD( 半徑為 r) 均光滑, 一質點以初速自 A 點朝曲面運動,(g 為重力加速度 ), 此質點經 B C D 各點後落回平面 AB 上, 則落點與 B 點的距離為若干? 難易度 : 解答 : 自 D 點出發至落地之時間 故 96. 一線性彈簧之彈力常數為 k, 鉛直懸掛 ; 在下端掛上 3 個質量均為 m 的物體, 使系統成靜止狀態 今綁線突然斷裂, 掉落 2 個物體, 仍有一個質量 m 的物體懸吊在彈簧下端, 物體上下振動, 則物體的最大速度為若干? 難易度 : 解答 : 97. 一塑膠圓盤以彈簧掛起, 彈簧之力常數為 k, 設有一質量為 m 之重物之圓盤上方高度為 H 處落下附於盤內做簡諧運動, 如圖示, 彈簧及圓盤之質量可以忽略, 則圓盤振盪之最大速率為若干? 難易度 : 解答 : 設彈簧之最低點為原長再下降 x 5-33

34 (- 不合 ) 則振幅 98.25kg 的木塊頂住一水平彈簧 ( 彈簧質量可不計 ), 使其壓縮 0.1m 彈簧鬆開後, 木塊在離開彈簧時又走了 0.5m 後停止 彈簧常數是 200nt/m 求木塊和桌面間的滑動摩擦係數 解答 : 難易度 : 假設此段無摩擦 設木塊剛要離開彈簧時的速度為 V, 由能量守恆知 本塊因摩擦力的作用而停下來可利用公式,W f = E 99. 將一 mkg 的木塊, 與常數 k(n/m) 彈簧相連 一與水平向上夾 θ 方向的 F(nt) 作用其上 此系統在彈簧未伸長時, 由靜止開始, 至木塊移動 d(m), 試求 : (A)F (B) 摩擦力, 及 (C) 彈簧所作的功 (D) 木塊的末速率為何?( 設動摩擦係數為 μ k ) 難易度 : 解答 : 作用於木塊的總功為 其中 5-34

35 由功能原理 W= K, 可得 100. 質量為 m 1 與 m 2 的兩個乾冰盤之間有一線性彈簧, 其力常數為 k, 彈簧被壓縮 d, 用細線綁住, 則當線繞斷兩盤彈開後, (A)m 1 的動量為若干? (B)m 2 的動能與原來的彈性位能比為若干? 難易度 : 解答 :(A),(B) 由動量守恆 由能量守恆 由 (1) 代入 (2) 101. 如圖之單擺, 擺長為, 靜止時小球離地面之高度亦為 如擺線拉直與鉛垂線成 θ 角, 將小球放開使其自由擺動, 當小球擺動至最低點時將擺線切斷, 則小球落地點與懸掛點之水平距離 d 為多少? 難易度 : 解答 : 依力學能守恆 知水平速率 水平拋射時水平距離 5-35

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12345678901234567890123456789012345678 74 第 5 章直線運動 第 5 章直線運動 一 自我評量 一 選擇題 題前標註 *, 表示重要且常考的題目 5-1 運動的種類 ( A )1. 作等速運動的物體, 下列何者正確? (A) 必沿直線進行 (B) 必沿曲線進行 (C) 必沿圓周進行 (D) 可沿直線或曲線進行 ( D ). 速度與時間之關係如圖 (1) 所示, 則其為 (A) 等加速度運動 (B) 變形之等速運動 (C) 等加速度運動及等減速度運動

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