角速度、線速度、週期與頻率:練習試卷
透過這份原創的 36 分物理練習試卷,測試你對等速圓周運動的理解,內容符合 NSW HSC Physics 2017 年版課程範圍。試卷包括限時作答指示、七道題目、完整詳解及詳細評分指引。
這是 tutorgum 原創的練習試卷,主題是等速圓周運動中角度與線性運動的相關描述。本試卷評估所提供的《物理》2017 年版課程範圍內有關角速度、線速度、週期及頻率的知識。本試卷是針對特定主題設計的練習試卷,並非涵蓋整個課程的模擬考試,也不是 NESA 官方發布、認可、歷屆使用或預測的試卷。
01考試指示
- 建議作答時間: 50 分鐘。
- 閱讀時間: 5 分鐘。
- 總分: 36 分。
- 允許使用的器材: 科學計算機、原子筆及鉛筆。不得使用筆記。
- 考試條件: 以上為練習試卷的作答條件,並非對 NESA 官方考試規則的聲明。
評核範圍
本試卷涵蓋以下內容:
- 在轉數、弧度、頻率及週期之間進行換算。
- 根據角位移及經過時間計算角速度。
- 說明角速度與頻率、週期及線速度之間的關係。
- 比較同一旋轉物體上不同半徑位置的各點。
- 區分相同角速度與相同線速度。
- 解讀等速圓周運動的數值資料。
本試卷不包括向心加速度與向心力、力矩、角加速度、非等速圓周運動,以及其他課程綱要版本的內容。
符號與單位
請在整份試卷中使用以下符號。
- 角位移 \(\Delta\theta\) 是角位置的變化量,以弧度(rad)為單位。
- 角速度 \(\omega\) 描述角位移的變化率,以每秒弧度(\(\text{rad s}^{-1}\))為單位。
- 半徑 \(r\) 以公尺(m)為單位。
- 線速度 \(v\) 以公尺每秒(\(\text{m s}^{-1}\))為單位。
- 經過時間 \(t\) 以秒(s)為單位。
- 週期 \(T\) 是完成一整轉所需的時間,以秒(s)為單位。
- 頻率 \(f\) 是每秒完成的轉數,以赫茲(Hz)為單位。
凡是描述為等速旋轉的情況,均假設為等速圓周運動。請使用 \(\pi\) 或計算機提供的數值,並在答案中標明單位。除非所提供的數據只支持較少的有效數字,否則答案均應取至三位有效數字。
所有題目均列於詳解之前。請先在限時條件下完成試卷,再查閱評分指引。
02題目
第 1 題(4 分)
一個轉盤在 10.0 s 內完成 15 轉。
(a) 求轉盤的頻率及週期。(2 分)
(b) 求轉盤在這 10.0 s 時間內的角位移,以弧度表示。(1 分)
(c) 計算這段時間內的平均角速度。(1 分)
第 2 題(5 分)
一根傳動軸以每分鐘 120.0 轉(rpm)的恆定速率旋轉。
(a) 將此旋轉速率換算為以赫茲表示的頻率。(1 分)
(b) 計算傳動軸的角速度,以每秒弧度表示。(2 分)
(c) 計算傳動軸在 3.50 s 時間內的角位移。(2 分)
第 3 題(5 分)
旋轉平台上的一個標記點沿著半徑為 0.400 m 的路徑作等速圓周運動。它每隔 1.60 s 完成一整轉。
(a) 計算該標記點的線速度。(2 分)
(b) 計算該標記點的角速度。(1 分)
(c) 計算該標記點在 12.0 s 內行經的距離。(2 分)
第 4 題(5 分)
一個剛性轉盤以 \(0.80\ \text{rad s}^{-1}\) 的恆定角速度旋轉。
A 點距離轉盤中心 0.10 m,而 B 點距離轉盤中心 0.30 m。
(a) 比較 A 點與 B 點的角速度,並解釋你的答案。(2 分)
(b) 計算每個點的線速度。(2 分)
(c) 求 B 點的線速度與 A 點的線速度之比。(1 分)
第 5 題(6 分)
物體 X 和 Y 均作等速圓周運動。物體 X 沿著半徑為 0.200 m 的圓周運動,每隔 0.500 s 完成一整轉。物體 Y 沿著半徑為 0.350 m 的圓周運動。
兩個物體的線速度相同。
(a) 計算物體 X 的線速度。(2 分)
(b) 求物體 Y 的週期。(2 分)
(c) 哪個物體的角速度較大?請運用線速度、半徑與角速度之間的關係,說明你的答案。(2 分)
第 6 題(5 分)
一個旋轉感應器記錄了不同時間相對於起始位置的角位移。在整個測量過程中,旋轉均保持等速。
| 時間,\(t\)(s) | 角位移,\(\Delta\theta\)(rad) |
|---|---|
| 0.00 | 0.00 |
| 0.50 | 1.20 |
| 1.00 | 2.40 |
| 1.50 | 3.60 |
(a) 使用 0.00 s 至 1.50 s 的測量數據,計算角速度。(2 分)
(b) 計算 6.0 s 後的角位移,並將此位移表示為轉數。(2 分)
(c) 感應器上有一點距離旋轉軸 0.250 m。計算該點的線速度。(1 分)
第 7 題(6 分)
一個旋轉檢測平台以 45.0 rpm 運作。感應器 A 安裝在距離中心 0.120 m 的位置,而感應器 B 安裝在距離中心 0.280 m 的位置。
(a) 將平台的旋轉速率換算為角速度,以每秒弧度表示。(2 分)
(b) 計算每個感應器的線速度。(2 分)
(c) 將感應器 B 移至半徑為 0.200 m 的位置,並調整平台的旋轉速率,使該感應器的線速度維持在原來的數值。計算新的角速度,以每秒弧度表示,並將新的旋轉速率表示為 rpm。(2 分)
03詳解與評分指引
請根據以下列出的解題步驟給分。接受在數學上等價的方法及適當的數值取捨。若學生正確使用先前的數值結果,即使該結果包含較早出現的錯誤,仍應給予相應的後續步驟分。
解答 1
(a) 求頻率及週期。(2 分)
頻率是每秒完成的轉數。轉盤在 10.0 s 內完成 15 轉,因此
\[ f=\frac{15}{10.0}=1.50\ \text{Hz} \]
週期是完成一整轉所需的時間,亦即頻率的倒數:
\[ T=\frac{1}{f}=\frac{1}{1.50}=0.667\ \text{s} \]
答案:\(f=1.50\ \text{Hz}\) 及 \(T=0.667\ \text{s}\)。
評分指引:
- 頻率正確,得 1 分。
- 週期正確,得 1 分。
(b) 求角位移。(1 分)
一整轉相當於 \(2\pi\) 弧度。因此,15 轉相當於
\[ \Delta\theta=15(2\pi)=30\pi \]
\[ \Delta\theta=94.2\ \text{rad} \]
評分指引:
- 角位移正確,並以弧度為單位,得 1 分。
(c) 計算平均角速度。(1 分)
角速度等於角位移除以經過的時間:
\[ \begin{aligned} \omega&=\frac{\Delta\theta}{\Delta t}\\ &=\frac{30\pi}{10.0}\\ &=9.42\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
評分指引:
- 角速度及其單位正確,得 1 分。
總分:4 分。
解答 2
(a) 將 rpm 換算為頻率。(1 分)
一分鐘有 60 秒。將旋轉速率除以 60,即可得到每秒轉數:
\[ f=\frac{120.0}{60}=2.00\ \text{Hz} \]
評分指引:
- 頻率正確,並以赫茲為單位,得 1 分。
(b) 計算角速度。(2 分)
每轉一整圈相當於 \(2\pi\) 弧度。由於傳動軸每秒完成 \(f\) 轉,因此其角速度為
\[ \omega=2\pi f \]
代入頻率:
\[ \begin{aligned} \omega&=2\pi(2.00)\\ &=4\pi\\ &=12.6\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
評分指引:
- 正確寫出角速度與頻率之間的關係,得 1 分。
- 數值答案及其單位正確,得 1 分。
(c) 計算 3.50 s 內的角位移。(2 分)
對於等速旋轉,角位移等於角速度乘以經過的時間:
\[ \begin{aligned} \Delta\theta&=\omega t\\ &=(4\pi)(3.50)\\ &=14\pi\\ &=44.0\ \text{rad} \end{aligned} \]
評分指引:
- 使用正確的角位移關係式,得 1 分。
- 數值答案及其單位正確,得 1 分。
總分:5 分。
由轉數到角速度
- 將轉數換算為弧度
1 revolution = 2π rad
將轉數乘以 2π,求出角位移。
- 求頻率
f = revolutions ÷ time
頻率 f 以赫茲 (Hz) 為單位;1 Hz = 每秒 1 轉。
- 計算角速度
ω = 2πf
角速度 ω 以 rad s⁻¹ 為單位。
解答 3
(a) 計算線速度。(2 分)
標記點在每個週期 \(T\) 內行經一個圓周,其長度為 \(2\pi r\)。線速度等於行經的距離除以所需時間,因此
\[ v=\frac{2\pi r}{T} \]
代入 \(r=0.400\ \text{m}\) 及 \(T=1.60\ \text{s}\):
\[ \begin{aligned} v&=\frac{2\pi(0.400)}{1.60}\\ &=1.57\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
答案:\(1.57\ \text{m s}^{-1}\)。
評分指引:
- 公式正確,得 1 分。
- 數值答案及其單位正確,得 1 分。
(b) 計算角速度。(1 分)
一整轉相當於 \(2\pi\) 弧度,因此角速度為
\[ \begin{aligned} \omega&=\frac{2\pi}{T}\\ &=\frac{2\pi}{1.60}\\ &=3.93\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
評分指引:
- 角速度及其單位正確,得 1 分。
(c) 計算 12.0 s 內行經的距離。(2 分)
標記點以恆定線速度運動,因此行經的距離等於線速度乘以經過的時間:
\[ \begin{aligned} d&=vt\\ &=(1.5708)(12.0)\\ &=18.8\ \text{m} \end{aligned} \]
答案:\(18.8\ \text{m}\)。
評分指引:
- 使用 \(d=vt\),得 1 分。
- 距離及其單位正確,得 1 分。
總分:5 分。
解答 4
(a) 比較角速度。(2 分)
兩個點都位於同一個剛性轉盤上。在任何指定的時間間隔內,轉盤上所有位置的角位移都相同。
因此,
\[ \omega_A=\omega_B=0.80\ \text{rad s}^{-1} \]
即使兩個點位於不同半徑的位置,它們的角速度仍然相同。
評分指引:
- 指出兩點的角速度相同,得 1 分。
- 解釋兩點在相同時間內經歷相同的角位移,得 1 分。
(b) 計算線速度。(2 分)
角速度與線速度的關係為
\[ v=\omega r \]
對於 A 點:
\[ \begin{aligned} v_A&=(0.80)(0.10)\\ &=0.080\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
對於 B 點:
\[ \begin{aligned} v_B&=(0.80)(0.30)\\ &=0.24\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
由於 B 點距離旋轉軸較遠,因此其運動速度較快。在相同時間內,B 點在完成相同角位移的同時,會沿著較長的圓弧移動。
評分指引:
- A 點的線速度正確,得 1 分。
- B 點的線速度正確,得 1 分。
(c) 求線速度之比。(1 分)
\[ \frac{v_B}{v_A}=\frac{0.24}{0.080}=3.0 \]
因此,
\[ v_B:v_A=3:1 \]
評分指引:
- 比值正確,得 1 分。
總分:5 分。
解答 5
(a) 計算物體 X 的線速度。(2 分)
物體 X 的半徑為 \(r_X=0.200\ \text{m}\),週期為 \(T_X=0.500\ \text{s}\)。
利用每轉一整圈所行經的圓周長,
\[ v_X=\frac{2\pi r_X}{T_X} \]
代入數值:
\[ \begin{aligned} v_X&=\frac{2\pi(0.200)}{0.500}\\ &=2.51\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
評分指引:
- 公式及代入數值正確,得 1 分。
- 線速度及其單位正確,得 1 分。
(b) 求物體 Y 的週期。(2 分)
兩個物體的線速度相同,因此
\[ v_Y=v_X=2.513\ \text{m s}^{-1} \]
物體 Y 的線速度等於其圓周長除以週期:
\[ v_Y=\frac{2\pi r_Y}{T_Y} \]
重新整理公式,以週期為主項:
\[ T_Y=\frac{2\pi r_Y}{v_Y} \]
代入數值:
\[ \begin{aligned} T_Y&=\frac{2\pi(0.350)}{2.513}\\ &=0.875\ \text{s} \end{aligned} \]
答案:\(T_Y=0.875\ \text{s}\)。
評分指引:
- 公式正確地重新整理並代入數值,得 1 分。
- 週期及其單位正確,得 1 分。
(c) 比較角速度。(2 分)
線速度與角速度之間的關係為
\[ \omega=\frac{v}{r} \]
對於物體 X:
\[ \omega_X=\frac{2.513}{0.200}=12.6\ \text{rad s}^{-1} \]
對於物體 Y:
\[ \omega_Y=\frac{2.513}{0.350}=7.18\ \text{rad s}^{-1} \]
物體 X 的角速度較大。兩個物體的線速度相同,但 X 的半徑較小。因此,X 必須具有較大的角速度,才能產生相同的線速度。
評分指引:
- 正確運用線速度、半徑與角速度之間的關係,得 1 分。
- 正確指出物體 X 的角速度較大,得 1 分。
總分:6 分。
解答 6
(a) 根據測量數據計算角速度。(2 分)
角速度等於角位移的變化量除以經過的時間:
\[ \omega=\frac{\Delta\theta}{\Delta t} \]
使用 0.00 s 及 1.50 s 時的測量數據:
\[ \begin{aligned} \omega&=\frac{3.60-0.00}{1.50-0.00}\\ &=2.40\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
答案:\(2.40\ \text{rad s}^{-1}\)。
評分指引:
- 關係式正確,並正確使用數據,得 1 分。
- 角速度及其單位正確,得 1 分。
(b) 計算角位移並換算為轉數。(2 分)
由於旋轉是等速的,因此 6.0 s 後的角位移為
\[ \begin{aligned} \Delta\theta&=\omega t\\ &=(2.40)(6.0)\\ &=14.4\ \text{rad} \end{aligned} \]
一整轉相當於 \(2\pi\) 弧度。因此,轉數為
\[ \begin{aligned} N&=\frac{\Delta\theta}{2\pi}\\ &=\frac{14.4}{2\pi}\\ &=2.29\ \text{revolutions} \end{aligned} \]
此處的 \(N\) 代表轉數。
答案:\(14.4\ \text{rad}\),或 \(2.29\) 轉。
評分指引:
- 角位移正確,得 1 分。
- 換算為轉數的結果正確,得 1 分。
(c) 計算線速度。(1 分)
該點距離旋轉軸 \(0.250\ \text{m}\)。使用 \(v=\omega r\),
\[ \begin{aligned} v&=(2.40)(0.250)\\ &=0.600\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
評分指引:
- 線速度及其單位正確,得 1 分。
總分:5 分。
- 斜率 = ω = 2.40 rad s⁻¹
解答 7
(a) 將旋轉速率換算為角速度。(2 分)
平台以每分鐘 45.0 轉的速率旋轉。換算為每秒轉數:
\[ f=\frac{45.0}{60}=0.750\ \text{Hz} \]
由於每轉一整圈相當於 \(2\pi\) 弧度,
\[ \begin{aligned} \omega&=2\pi f\\ &=2\pi(0.750)\\ &=4.71\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
答案:\(4.71\ \text{rad s}^{-1}\)。
評分指引:
- 正確將 rpm 換算為頻率,得 1 分。
- 角速度及其單位正確,得 1 分。
(b) 計算兩個感應器的線速度。(2 分)
旋轉物體上某一點的線速度為
\[ v=\omega r \]
對於感應器 A:
\[ \begin{aligned} v_A&=(4.712)(0.120)\\ &=0.565\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
對於感應器 B:
\[ \begin{aligned} v_B&=(4.712)(0.280)\\ &=1.32\ \text{m s}^{-1} \end{aligned} \]
由於感應器 B 距離旋轉軸較遠,因此其線速度較大。兩個感應器安裝在同一個剛性平台上時,具有相同的角速度。
評分指引:
- 感應器 A 的線速度正確,得 1 分。
- 感應器 B 的線速度正確,得 1 分。
(c) 計算新的角速度及旋轉速率。(2 分)
感應器 B 必須維持原來約為 \(1.319\ \text{m s}^{-1}\) 的線速度。其新的半徑為 \(0.200\ \text{m}\)。
重新整理 \(v=\omega r\),
\[ \begin{aligned} \omega_{\text{new}}&=\frac{v}{r_{\text{new}}}\\ &=\frac{1.319}{0.200}\\ &=6.60\ \text{rad s}^{-1} \end{aligned} \]
若要將新的角速度換算為每分鐘轉數,先將每秒弧度換算為每秒轉數,再乘以 60:
\[ \begin{aligned} f_{\text{new}}&=\frac{\omega_{\text{new}}}{2\pi}\\ &=\frac{6.596}{2\pi}\\ &=1.05\ \text{Hz} \end{aligned} \]
\[ \text{Rotation rate}=1.05(60)=63.0\ \text{rpm} \]
答案:\(\omega_{\text{new}}=6.60\ \text{rad s}^{-1}\),旋轉速率為 \(63.0\ \text{rpm}\)。
新的旋轉速率較高,因為感應器更靠近旋轉軸。要在較小的半徑下維持相同的線速度,平台就必須旋轉得更快。
評分指引:
- 正確使用保持不變的線速度,計算新的角速度,得 1 分。
- 正確將角速度換算為 rpm,得 1 分。
總分:6 分。
最終分數核對
| 題目 | 分數 |
|---|---|
| 第 1 題 | 4 |
| 第 2 題 | 5 |
| 第 3 題 | 5 |
| 第 4 題 | 5 |
| 第 5 題 | 6 |
| 第 6 題 | 5 |
| 第 7 題 | 6 |
| 總分 | 36 |
本試卷的核心關係是:角速度描述角位置變化的快慢,而線速度描述沿圓形路徑移動的距離變化的快慢。對於等速圓周運動,兩者之間的關係為
\[ v=\omega r=\frac{2\pi r}{T} \]
同一個剛性旋轉物體上的各點具有相同的角速度,但它們的線速度取決於各點與旋轉軸之間的距離。相反,若兩個物體具有相同的線速度,半徑較小的物體便具有較大的角速度。