向心加速度与合力:HSC 物理练习试卷

透过这份 tutorgum 原创 40 分练习试卷,测试你对向心加速度及净向内合力的理解。内容包括限时考试指示、八道题目、完整详解及评分指引。

这份 tutorgum 原创练习试卷评量 NSW HSC 物理课程中的一个特定主题范围:向心加速度、造成圆周运动的净向内合力、提供该合力的实际作用力,以及移除向内作用力后的运动。这是一份针对特定主题的复习试卷,并非完整课程考试,也不是 NESA 官方、认可、历届或预测试卷。

01考试指示

  • 建议阅读时间: 5 分钟。
  • 建议作答时间: 50 分钟。
  • 总分: 40 分。
  • 允许使用的器材: 原子笔或铅笔,以及科学计算机。进行计时练习时,不得使用笔记或网际网路。
  • 回答全部八题。请展示计算过程、将数值代入方程式、标示单位,并在题目要求时解释你的推理。
  • 除非另有说明,数值答案请取至两位有效数字。

评量范围

本试卷涵盖以下内容:

  • 速度方向改变与向心加速度之间的关系。
  • 计算向心加速度及净向内合力。
  • 比较速率、质量或半径改变时,加速度与力的变化。
  • 辨识提供向内合力的实际作用力。
  • 根据各题所述的假设,预测移除向内作用力后的运动。

本试卷不涵盖角速度与周期的计算、垂直圆周运动的能量分析,以及其他较广泛的课程主题。

公式参考与假设

你可以使用以下方程式:

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]

其中,\(a_c\) 代表向心加速度,单位为 \(\text{m/s}^2\);\(F_c\) 代表净向内合力的大小,单位为牛顿(N);\(v\) 代表速率,单位为公尺每秒(m/s);\(r\) 代表圆周路径的半径,单位为公尺(m);而 \(m\) 代表质量,单位为公斤(kg)。

除非题目另有说明,计算加速度与力时,均假设物体进行等速率圆周运动。半径是从圆心量度至运动物体的距离。

对于涉及某个力被移除的题目,请遵循题目所述有关其他剩余作用力的假设。你的预测必须符合这些条件。

02试题

第 1 题(4 分)

(a) 一颗小珠以固定速率沿圆形路径移动。解释为甚么即使速率保持不变,它的速度仍然在改变。(2 分)

(b) 说明在任何瞬间,小珠的加速度方向,以及作用于小珠的合力方向。(2 分)

第 2 题(5 分)

一个物体以 \(3.0\ \text{m/s}\) 的速率,沿半径为 \(1.5\ \text{m}\) 的圆形路径移动。

(a) 计算物体的向心加速度。(2 分)

(b) 物体的速率增加至 \(6.0\ \text{m/s}\),而半径保持不变。计算新的向心加速度,并说明加速度改变了多少倍。(3 分)

第 3 题(5 分)

一个质量为 \(0.80\ \text{kg}\) 的物体,以 \(5.0\ \text{m/s}\) 的速率进行等速率圆周运动,圆周半径为 \(2.0\ \text{m}\)。

(a) 计算维持此运动所需的净向内合力大小。(3 分)

(b) 质量增加至 \(1.2\ \text{kg}\),而速率与半径保持不变。计算新的净向内合力大小。(2 分)

第 4 题(4 分)

对于以下每种情况,指出提供向内合力的实际作用力。

(a) 一辆汽车在平坦路面的圆形弯道上行驶,且没有打滑。(1 分)

(b) 一个球系于绷紧的细绳上,并在水平面内作圆周运动。(1 分)

(c) 一颗卫星沿著围绕地球的圆形轨道运行。(1 分)

(d) 解释为甚么不应将「向心力」视为一个额外的力,与你在 (a)、(b) 或 (c) 部分指出的作用力同时存在。(1 分)

第 5 题(4 分)

一个圆盘在几乎没有摩擦力的水平桌面上作水平圆周运动。在某一瞬间,它的速度方向正东。提供向内作用力的细绳突然断裂。

假设细绳断裂后,没有其他水平方向的作用力,而垂直方向的作用力仍然保持平衡。

(a) 描述细绳断裂后,圆盘立即如何运动,包括其运动方向。(2 分)

(b) 说明细绳断裂后,圆盘的速率会如何变化。(1 分)

(c) 从合力的角度解释你在 (b) 部分的答案。(1 分)

第 6 题(6 分)

一个质量为 \(0.50\ \text{kg}\) 的物体以固定速率 \(4.0\ \text{m/s}\) 移动。以下各次实验均使用同一个物体,但各次实验的半径有所不同。

实验速率 (m/s)半径 (m)向心加速度 (m/s²)
A4.08.02.0
B4.04.0–
C4.02.0–

(a) 计算实验 B 和 C 中缺少的向心加速度数值。(2 分)

(b) 根据实验 A 和 B,描述在速率保持不变而半径减半时,向心加速度如何改变。(2 分)

(c) 计算实验 C 中净向内合力的大小。(2 分)

第 7 题(6 分)

一辆质量为 \(1.2\times10^3\ \text{kg}\) 的汽车,以 \(12\ \text{m/s}\) 的速率行驶于半径为 \(40\ \text{m}\) 的平坦弯道上。

指向弯道圆心的最大可用静摩擦力为 \(5.0\ \text{kN}\)。假设摩擦力是作用于汽车的唯一水平方向作用力,而垂直方向的作用力保持平衡。

(a) 计算汽车的向心加速度。(2 分)

(b) 计算所需的净向内合力大小,并判断可用的摩擦力是否足以让汽车以 \(12\ \text{m/s}\) 的速率维持圆周运动。(2 分)

(c) 计算汽车在达到上述摩擦力上限之前,能以多大的最大速率行驶于同一弯道上。(2 分)

第 8 题(6 分)

两个物体正在进行等速率圆周运动。

物理量物体 A物体 B
质量\(0.50\ \text{kg}\)\(1.0\ \text{kg}\)
速率\(4.0\ \text{m/s}\)\(4.0\ \text{m/s}\)
半径\(2.0\ \text{m}\)\(4.0\ \text{m}\)

(a) 计算每个物体的向心加速度。(2 分)

(b) 计算作用于每个物体的净向内合力大小。(2 分)

(c) 一名学生声称:「物体 B 的质量是物体 A 的两倍,因此它必定需要较大的向心力。」

根据你的计算结果,评估这项说法。(2 分)

03详细解答与评分指引

第 1 题解答

(a) 为甚么速度会改变

速度是一个向量物理量。这表示它同时描述物体的速率及运动方向。

当小珠沿圆形路径移动时,它的运动方向会持续改变。因此,即使速率保持不变,它的速度仍然会改变。

(b) 加速度与合力的方向

加速度沿径向指向内侧,即指向圆心。合力的方向也指向内侧,因为根据牛顿第二运动定律,加速度与合力的方向相同。

圆周运动三阶段示意图,展示持续改变的切线方向速度向量、向内的向心加速度,以及向内的合力。
即使速率保持不变,速度方向的改变仍会产生向心加速度,因此合力也会指向圆心。

评分指引(4 分)

  • (a) 1 分:指出速度包含方向;1 分:说明运动方向会改变。
  • (b) 1 分:指出加速度指向内侧;1 分:指出合力指向内侧。

第 2 题解答

(a) 计算向心加速度

使用

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

代入已知数值:

\[ \begin{aligned} a_c&=\frac{(3.0)^2}{1.5}\\ &=\frac{9.0}{1.5}\\ &=6.0\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

向心加速度为 \(6.0\ \text{m/s}^2\)。

(b) 计算新的加速度

现在速率为 \(6.0\ \text{m/s}\),而半径保持不变。

\[ \begin{aligned} a_c&=\frac{(6.0)^2}{1.5}\\ &=\frac{36}{1.5}\\ &=24\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

将新的加速度与原本的加速度比较:

\[ \frac{24}{6.0}=4 \]

加速度变为原来的四倍。

这是因为当半径固定时,向心加速度与速率的平方成正比。速率加倍会使加速度乘以 \(2^2=4\),而不是乘以二。

评分指引(5 分)

  • (a) 1 分:列出正确方程式并代入数值;1 分:得出 \(6.0\ \text{m/s}^2\)。
  • (b) 1 分:正确代入数值;1 分:得出 \(24\ \text{m/s}^2\);1 分:指出加速度变为四倍,并将此结果与速率的平方关系连结。

第 3 题解答

(a) 计算净向内合力

使用

\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]

代入质量、速率及半径:

\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{0.80(5.0)^2}{2.0}\\ &=\frac{0.80\times25}{2.0}\\ &=10\ \text{N} \end{aligned} \]

所需净向内合力的大小为 \(10\ \text{N}\)。

(b) 计算新的合力

质量增加至 \(1.2\ \text{kg}\),但速率与半径保持不变。

\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{1.2(5.0)^2}{2.0}\\ &=15\ \text{N} \end{aligned} \]

新的净向内合力为 \(15\ \text{N}\)。

当速率与半径固定时,所需的合力与质量成正比。质量由 \(0.80\ \text{kg}\) 增加至 \(1.2\ \text{kg}\),所需的合力便增加至原来的 \(1.5\) 倍。

评分指引(5 分)

  • (a) 1 分:列出正确方程式;1 分:正确代入数值并计算;1 分:得出 \(10\ \text{N}\)。
  • (b) 1 分:正确计算或使用比例推理;1 分:得出 \(15\ \text{N}\)。

第 4 题解答

(a) 在平坦弯道上行驶的汽车

轮胎与路面之间的静摩擦力提供向内合力。

(b) 系于细绳上的球

细绳中的张力提供向内合力。

(c) 在圆形轨道上运行的卫星

地球的万有引力提供向内合力。

(d) 为甚么向心力不是额外的力

向心力描述的是圆周运动所需的净向内合力。它并不是一种独立的物理交互作用,不应在摩擦力、张力或重力之外再额外加入。

例如,如果张力是提供向内合力的作用力,再额外加入一个称为「向心力」的力,就会将同一个作用效果重复计算。

评分指引(4 分)

  • (a) 1 分:静摩擦力。
  • (b) 1 分:张力。
  • (c) 1 分:万有引力。
  • (d) 1 分:解释向心力是净向内合力,而不是额外的作用力。

第 5 题解答

(a) 预测细绳断裂后的运动路径

圆盘会沿著圆形路径在细绳断裂位置的切线方向作直线运动。由于它在该瞬间的速度方向正东,因此它会沿直线向东移动。

(b) 速率会如何变化?

在题目所述的假设下,圆盘的速率保持不变。

(c) 利用合力解释

细绳断裂后,没有水平方向的合力。垂直方向的作用力互相平衡,因此总合力为零。

根据牛顿第一运动定律,当物体所受的合力为零时,会维持速度不变。因此,圆盘会以固定速率沿直线继续运动。

这些假设在此十分重要。如果细绳断裂后有其他不平衡的作用力,圆盘便会因应该作用力而产生加速度。细绳断裂时,圆盘并不会自动沿径向向外运动。

评分指引(4 分)

  • (a) 1 分:指出圆盘沿切线方向作直线运动;1 分:指出运动方向为向东。
  • (b) 1 分:指出速率保持不变。
  • (c) 1 分:解释合力为零,因此圆盘会维持速度不变。

第 6 题解答

(a) 计算缺少的加速度

实验 B:

\[ \begin{aligned} a_c&=\frac{v^2}{r}\\ &=\frac{(4.0)^2}{4.0}\\ &=4.0\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

实验 C:

\[ \begin{aligned} a_c&=\frac{(4.0)^2}{2.0}\\ &=8.0\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

缺少的数值分别为:实验 B 的 \(4.0\ \text{m/s}^2\),以及实验 C 的 \(8.0\ \text{m/s}^2\)。

(b) 描述半径减半所造成的影响

在实验 A 和 B 之间,半径由 \(8.0\ \text{m}\) 减少至 \(4.0\ \text{m}\),而速率保持在 \(4.0\ \text{m/s}\)。

加速度由 \(2.0\ \text{m/s}^2\) 增加至 \(4.0\ \text{m/s}^2\)。因此,当速率保持不变时,半径减半会使向心加速度加倍。

这可以从以下方程式看出:

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

当速率固定时,向心加速度与半径成反比。

在速率固定为 4.0 m/s 时,向心加速度随半径变化的反比曲线,并通过 (2, 8)、(4, 4) 及 (8, 2) 三个座标点。
  • a_c = 16/r
  • (2, 8)
  • (4, 4)
  • (8, 2)
当速率固定为 4.0 m/s 时,向心加速度遵循 a_c = 16/r 的关系,因此半径加倍时,加速度会减半。

(c) 计算实验 C 中的净向内合力

使用牛顿第二运动定律:

\[ F_c=ma_c \]

质量为 \(0.50\ \text{kg}\),而实验 C 中的加速度为 \(8.0\ \text{m/s}^2\)。

\[ \begin{aligned} F_c&=0.50\times8.0\\ &=4.0\ \text{N} \end{aligned} \]

净向内合力为 \(4.0\ \text{N}\)。

评分指引(6 分)

  • (a) 1 分:实验 B 的加速度正确;1 分:实验 C 的加速度正确,并包括单位。
  • (b) 1 分:指出加速度加倍;1 分:使用实验数值或反比关系支持此说法。
  • (c) 1 分:使用有效方法计算合力;1 分:得出 \(4.0\ \text{N}\)。

第 7 题解答

(a) 计算向心加速度

使用

\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]

代入 \(v=12\ \text{m/s}\) 及 \(r=40\ \text{m}\):

\[ \begin{aligned} a_c&=\frac{12^2}{40}\\ &=\frac{144}{40}\\ &=3.6\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

汽车的向心加速度为 \(3.6\ \text{m/s}^2\)。

(b) 计算所需合力并检查摩擦力上限

净向内合力为

\[ F_c=ma_c \]

代入数值:

\[ \begin{aligned} F_c&=(1.2\times10^3)(3.6)\\ &=4.32\times10^3\ \text{N}\\ &=4.32\ \text{kN} \end{aligned} \]

取至两位有效数字,所需合力为 \(4.3\ \text{kN}\)。

最大可用摩擦力为 \(5.0\ \text{kN}\)。由于 \(4.3\ \text{kN}\) 小于 \(5.0\ \text{kN}\),因此在题目所述的假设下,可用的摩擦力足以让汽车以 \(12\ \text{m/s}\) 的速率维持圆周运动。

(c) 计算最大速率

当达到摩擦力上限时,最大可用作用力会提供所需的向内合力:

\[ F_{\max}=\frac{mv_{\max}^2}{r} \]

重新整理方程式,使最大速率成为主项:

\[ v_{\max}=\sqrt{\frac{F_{\max}r}{m}} \]

将 \(5.0\ \text{kN}\) 换算成牛顿:

\[ 5.0\ \text{kN}=5.0\times10^3\ \text{N} \]

代入数值:

\[ \begin{aligned} v_{\max} &=\sqrt{\frac{(5.0\times10^3)(40)} {1.2\times10^3}}\\ &=\sqrt{166.7}\\ &\approx12.9\ \text{m/s} \end{aligned} \]

取至两位有效数字,最大速率为 \(13\ \text{m/s}\)。

这是所需向内合力达到指定最大摩擦力时的理想化临界值。在题目所提供的模型下,如果速率超过此数值,可用的摩擦力便不足以维持圆周运动。

评分指引(6 分)

  • (a) 1 分:列出正确方程式并代入数值;1 分:得出 \(3.6\ \text{m/s}^2\)。
  • (b) 1 分:计算所需合力约为 \(4.3\ \text{kN}\);1 分:将其与 \(5.0\ \text{kN}\) 比较,并得出正确结论。
  • (c) 1 分:正确重新整理合力方程式;1 分:得出最大速率约为 \(13\ \text{m/s}\),并标示单位。

第 8 题解答

(a) 计算每个物体的向心加速度

物体 A:

\[ \begin{aligned} a_{c,A}&=\frac{v^2}{r}\\ &=\frac{(4.0)^2}{2.0}\\ &=8.0\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

物体 B:

\[ \begin{aligned} a_{c,B}&=\frac{(4.0)^2}{4.0}\\ &=4.0\ \text{m/s}^2 \end{aligned} \]

物体 A 的向心加速度为 \(8.0\ \text{m/s}^2\),而物体 B 的向心加速度为 \(4.0\ \text{m/s}^2\)。

(b) 计算每个物体的净向内合力

物体 A:

\[ \begin{aligned} F_{c,A}&=ma_{c,A}\\ &=0.50\times8.0\\ &=4.0\ \text{N} \end{aligned} \]

物体 B:

\[ \begin{aligned} F_{c,B}&=ma_{c,B}\\ &=1.0\times4.0\\ &=4.0\ \text{N} \end{aligned} \]

两个物体所需的净向内合力均为 \(4.0\ \text{N}\)。

(c) 评估学生的说法

这项说法并不正确。物体 B 所需的净向内合力并没有比较大;两个物体所需的合力均为 \(4.0\ \text{N}\)。

物体 B 的质量是物体 A 的两倍,但它也以相同的速率,在半径为两倍的圆形路径上运动。因此,它的向心加速度只有物体 A 的一半。这两项变化在合力关系式 \(F_c=ma_c\) 中互相抵销,令两个物体所需的净向内合力相同。

两个圆周运动示意图比较物体 A 和 B。物体 B 的质量和半径均为物体 A 的两倍,而两者的速率相同。物体 A 的向心加速度是物体 B 的两倍,但两者所受的向内合力均为 4.0 N。
物体 B 加倍的质量与减半的向心加速度互相抵销,因此两个物体所需的净向内合力相同,均为 4.0 N。

评分指引(6 分)

  • (a) 1 分:物体 A 的加速度正确;1 分:物体 B 的加速度正确,并包括单位。
  • (b) 1 分:物体 A 的净向内合力正确;1 分:物体 B 的净向内合力正确,并包括单位。
  • (c) 1 分:否定该说法,并指出两个物体所受的合力相等;1 分:解释物体 B 的质量加倍,正好由其加速度减半所抵销。

试卷完毕 – 共 40 分