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105學測自然試題-44

一質量可忽略的理想彈簧左端固定於牆上,其力常數為 k,如圖15所示。一質量為 m 的木塊,以初速率 v 向左滑行於水平面上,在正面擠壓彈簧後與彈簧保持接觸,直到被向右彈回,兩者分離。已知彈簧壓縮量為 x 時,其彈簧位能 U = ½kx²,而木塊與彈簧系統的力學能,定義為木塊動能與彈簧位能的總和。依據上述資料,回答下列44-45題。
若木塊與水平面間沒有摩擦力,則木塊與彈簧系統的力學能守恆。在沒有摩擦力的假設下,下列敘述哪些正確?(應選3項)
(A) 彈簧最大壓縮量 $x =\sqrt{\frac{m}{k}}v$
(B) 在壓縮過程中,木塊的動能守恆
(C) 木塊彈回右方起始位置時的速率為 $v$
(D) 木塊在剛開始壓縮彈簧時受力最大
(E) 彈簧被壓縮到最短時,木塊所受彈簧作用力最大

答案

力學能守恆:初始動能½mv² = 最大壓縮時彈簧位能½kx_max²,得x_max = v√(m/k),(A)正確。(B)錯誤,壓縮過程動能轉為彈簧位能,動能不守恆。(C)正確,無耗散,彈回原處速率同v。(D)錯誤,開始壓縮時彈簧力為0。(E)正確,壓縮最短時x最大,F=kx最大。答案:(A)(C)(E) 報錯
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107學測自然試題-55

55-56為題組
圖 17 為智慧手機之內,加速度感測器的放大示意圖。可以簡單看作中央有一個質量為 \( M \) 的物體經由力帶數為 \( k \) 的兩條相同彈簧,與固定端①與②相連接。感測器平放於水平面(紙面)時,兩彈簧的自然長度各為 \( d_0 \)。將手機靜止直立並使其長邊沿著鉛垂線時,質量 \( M \) 的物體會像彈簧秤上的重物一樣,先輕微上下振盪,然後達成靜止平衡。人們透過無線傳送的方式,可遠端監視加速度感測器所測得的加速度。某生於時間 \( t = 0 \) 時,懸空拿著手機(①在上、②在下),並使手機的長邊沿著鉛垂線,在保持靜止一小段時間後釋放,以進行手機沿著鉛垂線方向運動的實驗,依據感測器的讀數紀錄,彈簧力作用於質量為 \( M \) 的物體所產生的加速度隨時間的變化如圖 18 所示。在本題組中,重力與彈簧力以外的作用力均可忽略。依據以上資訊,回答 55-56 題。
直立靜止的智慧手機可用來測量重力加速度。如果質量為 \( M \) 的物體維持靜止時,手機內加速度感測器的上下兩彈簧的長度分別為 \( d_1 \) 與 \( d_2 \) 且 \( d_1 \neq d_2 \),則該處的重力加速度,其量值為下列何者?
(A) \( 2(d_1 – d_2)M/k \) (B) \( (d_1 – d_2)M/k \) (C) \( (d_1 – d_2)k/(2M) \) (D) \( (d_1 – d_2)k/M \) (E) \( 2kM/(d_1 – d_2) \)

答案

物體靜止時,淨力零:k(d₁-d₀)+k(d₂-d₀)=Mg。但d₁≠d₂,且d₁+d₂=常數? 由上下彈簧伸長量差與重力平衡關係推導:上彈簧拉力F₁=k(d₁-d₀),下彈簧拉力F₂=k(d₂-d₀)。平衡時F₁ - F₂ = Mg(設向下為正)。即k(d₁-d₂)=Mg,故g = k(d₁-d₂)/M。故選 (D)。 報錯
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