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114物理分科測驗19

[題組:第19-20題]
◎某舊式腳踏車使用的「湯匙煞車」系統是在兩輪胎上方加上一個像湯匙的煞車片,如圖7所示。煞車時,連桿會使煞車片施加一正向推力壓在輪胎表面上,因而產生摩擦力使車子減速。若煞車片所施的推力足夠大,則即使腳踏車在行進中,其車輪仍會被「鎖死」,也就是車輪完全不轉動而和地面處於動摩擦的狀態。
已知該腳踏車之兩輪胎和地面間的靜摩擦係數皆為 \( \mu_{st} = 0.80 \),動摩擦係數皆為 \( \mu_{kt} = 0.50 \);煞車片與兩輪胎間的靜摩擦係數皆為 \( \mu_{sb} = 0.60 \),動摩擦係數皆為 \( \mu_{kb} = 0.40 \)。取重力加速度 \( g = 10 \, \text{m/s}^2 \),並假設此腳踏車和騎車者的總質量為100kg,且車輪質量可忽略不計。

當腳踏車在水平地面上以4.0m/s等速度前進時,因緊急煞車以致兩車輪瞬間被鎖死,則此腳踏車在完全停止之前,最多還會再前進多少距離?(4分)

答案

鎖死時地面動摩擦力 \( f_k = \mu_{kt} N = 0.5 \times 1000 = 500 \, \text{N} \)。由功能原理 \( 0 - \frac{1}{2} \times 100 \times 4^2 = -500 \times S \),得 \( S = 1.6 \, \text{m} \)。
答案:1.6 報錯
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114物理分科測驗20

[題組:第19-20題]
當腳踏車在水平地面上以4.0m/s等速度前進時突然煞車,煞車片對兩輪胎施加的正向力總共為200.0N,此時兩車輪未被鎖死,輪胎沒有在地面上滑動,僅靠煞車片和輪胎面的摩擦力作功來使腳踏車減速,則此腳踏車在完全停止之前,最多還會再前進多少距離?(4分)

答案

煞車片動摩擦力 \( f_k = \mu_{kb} N = 0.4 \times 200 = 80 \, \text{N} \)。由功能原理 \( 0 - \frac{1}{2} \times 100 \times 4^2 = -80 \times S \),得 \( S = 10 \, \text{m} \)。
答案:10 報錯
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105學測自然試題-42

圖13所示為一種打樁機的簡化模型,它可藉由鐵塊從靜止開始自由下落,將鐵樁打入堅硬的岩層中,其中鐵塊最初高度為 h₁,而鐵樁露出在地面上的高度由 h₂ 減少為 h₃。已知鐵塊與鐵樁碰撞後瞬間合而為一,若針對不同的 h₁ 與 h₂ 組合,測得的 (h₁ – h₂) 對 (h₂ – h₃) 的關係如圖14所示,則下列推論何者正確?
(A) 鐵棒在岩層中受到的平均阻力與鐵棒深入的距離成正比
(B) 鐵棒在岩層中受到的平均阻力與鐵棒深入的距離無關
(C) 鐵棒在岩層中移動的時間與鐵棒深入的距離成正比
(D) 鐵棒在岩層中移動的時間與鐵棒深入的距離無關
(E) 在鐵塊與鐵棒碰撞瞬間的前後,兩者的總動能相等

答案

鐵塊下落高度(h₁-h₂)獲得動能,碰撞後動能損失(非彈性碰撞),(E)錯誤。深入距離d = h₂ - h₃。圖14顯示(h₁-h₂)與(h₂-h₃)成正比,即初始動能與作功距離d成正比。由功能定理:平均阻力F * d = 初始動能,即F * d ∝ (h₁-h₂),而(h₁-h₂) ∝ d,故F * d ∝ d,所以F為常數,與d無關,(B)正確。答案:(B) 報錯
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105學測自然試題-43

承上題,若 h₁ 保持定值,但以不同 h₂ 進行打樁實驗。假設鐵棒與鐵塊碰撞後合為一體並以最初速率 v 進入岩層,則下列何者最接近 v 對 (h₂ – h₃) 的正確作圖?

答案

碰撞後速率v由鐵塊下落高度(h₁-h₂)決定:v ∝ √(h₁-h₂)。由上一題結論,(h₁-h₂) ∝ (h₂-h₃) = d。故v ∝ √d,即v與√(h₂-h₃)成正比。作圖為v隨(h₂-h₃)的平方根增加。答案:(D) 報錯
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110學測自然試卷_61

61. 承上題,當木塊由靜止開始,向左滑動的距離為 \( s \) 時,木塊的動能為 \( K_1 \),吊桶與細砂的總動能為 \( K_2 \),則下列等式哪些正確?(應選2項)
(A) \( K_1 = (T – f)s \) (B) \( K_1 = (M_2g + T)s \) (C) \( K_2 = (M_2g + T – f)s \) (D) \( K_1 + K_2 = (M_2g – f)s \) (E) \( K_1 + K_2 = (M_2g – f – T)s \)

答案

功能定理:K\(_1\) = (T - f)s,K\(_2\) = (M\(_2\)g - T)s,總動能K\(_1\)+K\(_2\) = (M\(_2\)g - f)s。答案:(A)(D) 報錯
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