航空器與側風問題:原創物理練習試卷
透過這份 tutorgum 原創 40 分物理練習試卷,測驗你對航空器與側風問題的理解,適用於新南威爾斯第 11 和第 12 年級學生。內容包括限時考試條件、多樣化計算題,以及完整詳解與評分指引。
這份 tutorgum 原創練習試卷旨在測驗學生對航空器與側風問題的理解,包括航向與地面航跡的差異、空速與地速的差異、如何選擇航向以補償風的影響,以及如何根據指定的地面航程計算風速或空速。本試卷採用所提供、與 Physics 2017 和 Physics 2025 課綱版本相容的範圍,不考查其他物理學主題。這是一份原創練習試卷,並非 NESA 官方試卷、經其認可的試卷、歷屆試卷或預測試卷。
01考試指示
- 建議閱讀時間: 5 分鐘。
- 建議作答時間: 50 分鐘。
- 總分: 40 分。
- 允許使用的器材: 科學計算機、筆或鉛筆,以及可選用的直尺。不得使用筆記。
- 作答要求: 展示計算過程、數值代入、單位和方向。只有數值答案而沒有相關計算過程,可能無法獲得滿分。
以上是本練習試卷建議採用的考試條件,並非對官方考試規則的陳述。
慣例與公式
使用以下向量關係式:
\[ \vec v_g=\vec v_a+\vec v_w \]
其中:
- \(\vec v_g\) 是航空器相對地面的速度向量。
- \(\vec v_a\) 是航空器相對周圍空氣的速度向量。
- \(\vec v_w\) 是風相對地面的速度向量。
除非另有說明,所有速度均以 km/h 為單位。
以東方和北方作為分量的正方向。方位角以正北為起點,順時針量度:\(000^\circ\) 表示北,\(090^\circ\) 表示東,\(180^\circ\) 表示南,而 \(270^\circ\) 表示西。
對於速率為 \(v\)、方位角為 \(\theta\) 的速度向量,其分量為:
\[ v_E=v\sin\theta \]
\[ v_N=v\cos\theta \]
若風被描述為從西方吹來,表示風向東方移動。假設每次飛行期間,所有給定的速度均保持不變。
除非另有指定,最終速率的答案須四捨五入至 3 位有效數字,方位角或角度則四捨五入至最接近的整數度。中間計算應保留未經四捨五入的數值。
02題目
題目 1(6 分)
一架航空器以 \(180\text{ km/h}\) 的空速飛行,航向正北。穩定的風從西方吹來,風速為 \(40\text{ km/h}\)。
(a) 說明航向與地面航跡之間,以及空速與地速之間的差異。(2 分)
(b) 計算航空器的地速及地面航跡方位角。(4 分)
題目 2(7 分)
一架小型飛機的空速為 \(200\text{ km/h}\)。風的速度為 \(50\text{ km/h}\),方向正東。飛行員希望航空器維持正北的地面航跡。
(a) 求相對於正北的所需航向角,並說明航空器必須朝正北偏東還是偏西的方向。(3 分)
(b) 以三位數方位角表示所需航向,答案四捨五入至最接近的整數度。(1 分)
(c) 計算航空器沿所需航跡飛行的地速。(3 分)
題目 3(6 分)
在一次穩定飛行期間,一架航空器的航向正東,空速為 \(150\text{ km/h}\)。測得其地速為 \(130\text{ km/h}\),地面航跡則為正東偏南 \(10.0^\circ\)。
(a) 計算航空器地面速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(b) 求風的速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(c) 計算風速,並以相對於正西的角度或方位角表示風的方向。(2 分)
題目 4(6 分)
一架航空器的空速為 \(220\text{ km/h}\),航向方位角為 \(030^\circ\)。穩定的風正東吹,風速為 \(45\text{ km/h}\)。
(a) 計算航空器空氣相對速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(b) 求航空器地面速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(c) 計算航空器的地速及地面航跡方位角。(2 分)
題目 5(7 分)
一架航空器必須維持方位角為 \(060^\circ\)、地速為 \(180\text{ km/h}\) 的地面航跡。
風包含兩個分量:向西 \(25\text{ km/h}\),以及向南 \(40\text{ km/h}\)。
(a) 計算所需地面速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(b) 求航空器所需空氣相對速度向量的東向分量和北向分量。(2 分)
(c) 計算所需空速。(1 分)
(d) 以三位數方位角求所需航向,答案四捨五入至最接近的整數度。(2 分)
題目 6(8 分)
一架航空器的空速為 \(200\text{ km/h}\),而在以下各次觀測期間,風均保持不變。
在第一段航程中,航空器的航向正北。測得其地面速度為 \(220\text{ km/h}\),方位角為 \(010^\circ\)。
(a) 求風的東向分量和北向分量、風速,以及以方位角表示的風向。(5 分)
接著,航空器轉向正東飛行,空速保持不變。風仍然不變。
(b) 預測航空器新的地速及地面航跡方位角。(3 分)
03詳解與評分指引
以下解答採用本練習試卷建議的分數分配。若學生使用正確的物理原理,可給予方法分;若後續計算一致地沿用先前計算所得的數值,即使該數值有誤,也可給予後續計算分。方向的等效描述及合理的四捨五入方式均可接受。
解答 1
(a) 航向是航空器機頭所指的方向,而地面航跡是航空器相對地面實際移動的方向。空速是航空器相對周圍空氣的速率,而地速是航空器相對地面的速率。
風可以改變地面航跡和地速,但不會因此改變航空器的航向或空速。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確區分航向與地面航跡。
- 1 分:正確區分空速與地速。
(b) 地速為 \(184\text{ km/h}\),地面航跡方位角為 \(013^\circ\)。
航空器的空氣相對速度方向正北,而風則提供一個向東的分量。
以東為正方向 \(E\),以北為正方向 \(N\):
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=0+40=40\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=180+0=180\text{ km/h} \end{aligned} \]
地速是地面速度向量的大小:
\[ \begin{aligned} v_g&=\sqrt{40^2+180^2}\\ &=\sqrt{34000}\\ &=184.39\text{ km/h}\\ &\approx184\text{ km/h} \end{aligned} \]
地面航跡相對於正北向東偏轉的角度為:
\[ \begin{aligned} \theta&=\tan^{-1}\left(\frac{40}{180}\right)\\ &=12.5^\circ \end{aligned} \]
四捨五入至最接近的整數度後,航跡為正北偏東 \(13^\circ\),因此方位角為 \(013^\circ\)。
評分指引(4 分):
- 1 分:正確相加速度分量。
- 1 分:正確計算地速。
- 1 分:正確計算航跡角度。
- 1 分:正確指出方向及方位角。
航空器運動的兩種參考系
| 相對於空氣 | 航向:航空器機頭所指的方向 空速:航空器相對於周圍空氣的速率 |
|---|---|
| 相對於地面 | 地面航跡:航空器相對於地面的運動方向 地速:航空器相對於地面的速率 |
解答 2
(a) 航空器必須朝正北偏西 \(14^\circ\) 的方向飛行;在四捨五入之前,角度約為正北偏西 \(14.5^\circ\)。
風會將航空器向東推移。為了維持正北的地面航跡,航空器的空氣相對速度必須具有大小相等、方向相反的向西分量。
令 \(\delta\) 為相對於正北向西偏轉的角度。空氣相對速度的向西分量,其大小必須為 \(50\text{ km/h}\)。
\[ \begin{aligned} 200\sin\delta&=50\\ \sin\delta&=\frac{50}{200}\\ \delta&=\sin^{-1}(0.25)\\ &=14.48^\circ \end{aligned} \]
因此,所需航向約為正北偏西 \(14.5^\circ\)。
評分指引(3 分):
- 1 分:指出所需的向西空氣相對速度分量為 \(50\text{ km/h}\)。
- 1 分:正確建立正弦關係式。
- 1 分:求出角度,並指出方向為正北偏西。
(b) 所需航向方位角為 \(346^\circ\)。
方位角是從正北開始順時針量度。因此:
\[ \begin{aligned} \text{方位角}&=360^\circ-14.48^\circ\\ &=345.52^\circ\\ &\approx346^\circ \end{aligned} \]
評分指引(1 分):
- 1 分:正確寫出三位數方位角。
(c) 地速為 \(194\text{ km/h}\)。
由於航空器空氣相對速度的向西分量抵消了風的向東分量,地面速度便沒有向東分量。其向北分量決定地速。
利用空氣相對速度的大小:
\[ \begin{aligned} v_{a,N}&=\sqrt{200^2-50^2}\\ &=\sqrt{37500}\\ &=193.65\text{ km/h} \end{aligned} \]
向東分量互相抵消,因此地速等於向北分量:
\[ v_g=193.65\text{ km/h}\approx194\text{ km/h} \]
評分指引(3 分):
- 1 分:正確計算空氣相對速度的向北分量。
- 1 分:指出向東分量互相抵消。
- 1 分:正確求出地速。
補償側風影響
- 找出側風分量
求出風的側向分量。
- 抵消側向運動
以大小相等、方向相反的空氣速度分量抵消它。
- 求出地速
使用沿航線方向剩餘的分量。
解答 3
(a) 地面速度向量的分量為向東 \(128\text{ km/h}\) 及向南 \(22.6\text{ km/h}\)。
地面航跡為正東偏南 \(10.0^\circ\),因此東向分量為正,而北向分量為負。
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=130\cos10.0^\circ\\ &=128.025\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=-130\sin10.0^\circ\\ &=-22.573\text{ km/h} \end{aligned} \]
以 3 位有效數字表示,分量為向東 \(+128\text{ km/h}\),以及向北 \(-22.6\text{ km/h}\)。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確求出東向分量。
- 1 分:正確求出北向分量,包括其正負號。
(b) 風的速度向量分量為向西 \(22.0\text{ km/h}\) 及向南 \(22.6\text{ km/h}\)。
重新整理速度關係式:
\[ \vec v_w=\vec v_g-\vec v_a \]
航空器的空氣相對速度方向正東,因此其分量為 \(v_{a,E}=150\text{ km/h}\) 及 \(v_{a,N}=0\)。
因此:
\[ \begin{aligned} v_{w,E}&=128.025-150\\ &=-21.975\text{ km/h}\\ v_{w,N}&=-22.573-0\\ &=-22.573\text{ km/h} \end{aligned} \]
兩個分量均為負值,證實風的方向為西南方。
評分指引(2 分):
- 1 分:使用 \(\vec v_w=\vec v_g-\vec v_a\)。
- 1 分:正確求出風的速度分量。
(c) 風速為 \(31.5\text{ km/h}\),方向為正西偏南 \(46^\circ\),方位角為 \(224^\circ\)。
計算風的速度向量大小:
\[ \begin{aligned} v_w&=\sqrt{(-21.975)^2+(-22.573)^2}\\ &=31.5\text{ km/h} \end{aligned} \]
相對於正西向南偏轉的角度為:
\[ \begin{aligned} \phi&=\tan^{-1}\left(\frac{22.573}{21.975}\right)\\ &=45.8^\circ \end{aligned} \]
因此,風的方向約為正西偏南 \(46^\circ\)。其方位角為 \(270^\circ-45.8^\circ\approx224^\circ\)。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確計算風速。
- 1 分:正確指出方向或方位角。
解答 4
(a) 空氣相對速度向量的分量為向東 \(110\text{ km/h}\) 及向北 \(191\text{ km/h}\)。
航向方位角為 \(030^\circ\),表示從正北開始順時針量度 \(30^\circ\)。
\[ \begin{aligned} v_{a,E}&=220\sin30^\circ\\ &=110\text{ km/h}\\ v_{a,N}&=220\cos30^\circ\\ &=190.526\text{ km/h} \end{aligned} \]
評分指引(2 分):
- 1 分:正確求出東向分量。
- 1 分:正確求出北向分量。
(b) 地面速度向量的分量為向東 \(155\text{ km/h}\) 及向北 \(191\text{ km/h}\)。
風的東向分量為 \(45\text{ km/h}\),北向分量則為零。
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=110+45\\ &=155\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=190.526+0\\ &=190.526\text{ km/h} \end{aligned} \]
評分指引(2 分):
- 1 分:正確求出地面速度的東向分量。
- 1 分:正確求出地面速度的北向分量。
(c) 地速為 \(246\text{ km/h}\),地面航跡方位角為 \(039^\circ\)。
首先,計算地面速度向量的大小:
\[ \begin{aligned} v_g&=\sqrt{155^2+190.526^2}\\ &=245.61\text{ km/h}\\ &\approx246\text{ km/h} \end{aligned} \]
地面航跡相對於正北順時針量度的角度為:
\[ \begin{aligned} \theta&=\tan^{-1}\left(\frac{155}{190.526}\right)\\ &=39.1^\circ \end{aligned} \]
因此,四捨五入至最接近的整數度後,方位角為 \(039^\circ\)。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確計算地速。
- 1 分:正確求出地面航跡方位角。
解答 5
(a) 所需地面速度向量的分量為向東 \(156\text{ km/h}\) 及向北 \(90.0\text{ km/h}\)。
地速為 \(180\text{ km/h}\),地面航跡方位角為 \(060^\circ\)。
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=180\sin60^\circ\\ &=155.885\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=180\cos60^\circ\\ &=90.0\text{ km/h} \end{aligned} \]
評分指引(2 分):
- 1 分:正確求出東向分量。
- 1 分:正確求出北向分量。
(b) 所需空氣相對速度向量的分量為向東 \(181\text{ km/h}\) 及向北 \(130\text{ km/h}\)。
風在兩個方向上的分量均為負值:
\[ v_{w,E}=-25\text{ km/h},\qquad v_{w,N}=-40\text{ km/h} \]
重新整理速度關係式,得出:
\[ \vec v_a=\vec v_g-\vec v_w \]
因此:
\[ \begin{aligned} v_{a,E}&=155.885-(-25)\\ &=180.885\text{ km/h}\\ v_{a,N}&=90.0-(-40)\\ &=130\text{ km/h} \end{aligned} \]
由於風會將航空器向西及向南推移,因此航空器所需的空氣相對速度向東及向北的分量,必須分別大於所需地面速度的相應分量。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確重新整理速度關係式。
- 1 分:正確求出空氣相對速度的分量。
(c) 所需空速為 \(223\text{ km/h}\)。
空速是空氣相對速度向量的大小:
\[ \begin{aligned} v_a&=\sqrt{180.885^2+130^2}\\ &=222.75\text{ km/h}\\ &\approx223\text{ km/h} \end{aligned} \]
評分指引(1 分):
- 1 分:正確計算空速並得出正確答案。
(d) 所需航向方位角為 \(054^\circ\)。
兩個空氣相對速度分量均為正值,因此航空器朝東北方向飛行。從正北開始順時針量度的航向角為:
\[ \begin{aligned} \theta&=\tan^{-1}\left(\frac{180.885}{130}\right)\\ &=54.3^\circ \end{aligned} \]
因此,四捨五入至最接近的整數度後,所需航向方位角為 \(054^\circ\)。
評分指引(2 分):
- 1 分:正確使用反正切關係式。
- 1 分:正確求出航向方位角。
空氣相對速度 = 地面速度 − 風速
- 分解地面速度
地速:180 km/h · 地面航跡方位角:060°
東向分量:156 km/h
北向分量:90 km/h
- 減去風的分量
空氣相對速度 = 地面速度 − 風速
風:向西 25 km/h、向南 40 km/h
所需空氣相對速度分量:向東 181 km/h、向北 130 km/h
- 計算空速與航向
空速:√(181² + 130²) ≈ 223 km/h
航向:tan⁻¹(181 ÷ 130) ≈ 054°
航向角從正北開始順時針量度。
解答 6
(a) 風速為 \(41.7\text{ km/h}\),方位角為 \(066^\circ\)。其分量為向東 \(38.2\text{ km/h}\) 及向北 \(16.7\text{ km/h}\)。
在第一段航程中,地速為 \(220\text{ km/h}\),地面航跡方位角為 \(010^\circ\)。
計算地面速度向量的分量:
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=220\sin10^\circ\\ &=38.202\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=220\cos10^\circ\\ &=216.658\text{ km/h} \end{aligned} \]
航空器的空氣相對速度方向正北,其分量為向東 \(0\text{ km/h}\) 及向北 \(200\text{ km/h}\)。
從地面速度中減去空氣相對速度,以求出風的速度向量:
\[ \begin{aligned} v_{w,E}&=38.202-0\\ &=38.202\text{ km/h}\\ v_{w,N}&=216.658-200\\ &=16.658\text{ km/h} \end{aligned} \]
風速為:
\[ \begin{aligned} v_w&=\sqrt{38.202^2+16.658^2}\\ &=41.7\text{ km/h} \end{aligned} \]
其方位角為:
\[ \begin{aligned} \theta_w&=\tan^{-1}\left(\frac{38.202}{16.658}\right)\\ &=66.4^\circ\\ &\approx066^\circ \end{aligned} \]
兩個分量均為正值,因此風朝東北方向吹。
評分指引(5 分):
- 2 分:正確求出地面速度向量的東向及北向分量。
- 1 分:正確減去空氣相對速度,以求出風的速度分量。
- 1 分:正確計算風速。
- 1 分:正確指出風的方向或方位角。
(b) 新的地速為 \(239\text{ km/h}\),新的地面航跡方位角為 \(086^\circ\)。
在第二段航程中,航空器的空氣相對速度方向正東,因此其分量為向東 \(200\text{ km/h}\) 及向北 \(0\text{ km/h}\)。
風保持不變,其分量仍為向東 \(38.202\text{ km/h}\) 及向北 \(16.658\text{ km/h}\)。
新的地面速度向量分量為:
\[ \begin{aligned} v_{g,E}&=200+38.202\\ &=238.202\text{ km/h}\\ v_{g,N}&=0+16.658\\ &=16.658\text{ km/h} \end{aligned} \]
地速為:
\[ \begin{aligned} v_g&=\sqrt{238.202^2+16.658^2}\\ &=238.8\text{ km/h}\\ &\approx239\text{ km/h} \end{aligned} \]
地面航跡方位角為:
\[ \begin{aligned} \theta_g&=\tan^{-1}\left(\frac{238.202}{16.658}\right)\\ &=86.0^\circ\\ &\approx086^\circ \end{aligned} \]
航空器的機頭指向正東,但由於風具有向北分量,因此其地面航跡會略微偏向正東以北。
評分指引(3 分):
- 1 分:正確求出新的地面速度向量分量。
- 1 分:正確計算地速。
- 1 分:正確求出地面航跡方位角。
總分:40 分。