111 年 國立臺灣大學大氣系碩士班乙組《普通物理學》
第 1 題5 分
A wheel with rotational inertia is mounted on a fixed, frictionless axle. The angular speed of the wheel is increased from zero to in a time interval .
- What is the average net torque on the wheel during this time interval?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念:角動量定理與平均角加速度。
解題過程:
根據角動量定理,外加的淨力矩等於角動量的變化率。對於平均淨力矩,我們可以考慮在給定時間間隔內的總角動量變化除以時間。
角動量 的定義為 ,其中 是轉動慣量, 是角速度。
在時間 時,角速度為 ,所以角動量 。
在時間 時,角速度為 ,所以角動量 。
在時間間隔 內的總角動量變化為 。
平均淨力矩 定義為總角動量變化除以時間間隔:
第 2 題5 分
A wheel with rotational inertia is mounted on a fixed, frictionless axle. The angular speed of the wheel is increased from zero to in a time interval .
2. What is the average power input to the wheel during this time interval?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念:平均功率的定義與功-能定理。
解題過程:
功率 的定義是單位時間內所做的功 ,即 。平均功率 則為總功除以總時間。
根據功-能定理,對物體所做的淨功等於其動能的變化量。在這裡,我們討論的是輸入的功率,這會增加物體的轉動動能。
物體的轉動動能 為 。
在時間 時,角速度為 ,轉動動能 。
在時間 時,角速度為 ,轉動動能 。
在時間間隔 內,輸入的總功 等於轉動動能的變化量:
。
平均功率 為總功除以時間間隔:
。
第 3 題5 分
An Otto refrigerator cycle is shown in figure 1, where processes B to A and D to C are adiabatic and processes C to B and A to D are isochoric (i.e., isovolumetric). The refrigerator is working with an ideal gas with . If and ,
3. What is the ratio of ?
(A) 2
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
Otto 循環的 為可逆絕熱過程。理想氣體在絕熱過程滿足
因此
解題方法
沿著 絕熱膨脹:
整理得
由 ,
第 4 題5 分
An Otto refrigerator cycle is shown in figure 1, where processes B to A and D to C are adiabatic and processes C to B and A to D are isochoric (i.e., isovolumetric). The refrigerator is working with an ideal gas with . If and ,
4. What is the entropy change along the A to D process?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E) 0
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核心觀念:理想氣體熵變計算,特別是等容過程的熵變。
解題過程:
題目要求計算從 A 到 D 的熵變 。
根據熱力學第二定律,對於一個過程,其熵變可以透過計算可逆過程的熱量變化除以溫度來得到:。
對於理想氣體,其熵變可以表示為:
或
在此題中,過程 A 到 D 是等容過程,即 。
因此,在 A 到 D 的過程中,體積沒有變化。根據熵變的公式,包含體積變化的項 將會是零,因為 。
所以,對於等容過程,熵變只取決於溫度的變化:
。
第 5 題5 分
An ideal gas with is the working substance in an engine that operates on the cycle shown in figure 2. If and ,
5. What is the total heat transferred during the full cycle?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
完整循環後系統回到原狀,因此
由熱力學第一定律,循環的淨熱量等於循環淨功:
圖 2 的四個狀態為:
其中 、 為等壓過程,、 為等溫過程。
由
可得
且
解題方法
等壓過程的熱量為
因此
兩個等壓過程的熱量恰好互相抵消。
等溫過程中 ,所以
對於 ,溫度為 ,壓力由 降至 :
第 6 題5 分
An ideal gas with is the working substance in an engine that operates on the cycle shown in figure 2. If and ,
6. What is the efficiency of this engine?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
圖 2 是 – 圖:
- 水平線:定壓過程。
- 垂直線:定溫過程。
- 循環效率定義為
因為一完整循環的內能變化 。
由
可得
解題方法
循環方向為 ,且
在定溫過程中,由理想氣體方程式 :
各段熱量如下。
- :定壓吸熱
- :定溫膨脹,溫度為
- :定壓冷卻
- :定溫壓縮,溫度為
因此輸入熱量為
第 6 題5 分
An ideal gas with is the working substance in an engine that operates on the cycle shown in figure 2. If and ,
6. What is the efficiency of this engine?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
圖 2 是 – 圖:
- 水平線:定壓過程。
- 垂直線:定溫過程。
- 循環效率定義為
因為一完整循環的內能變化 。
由
可得
解題方法
循環方向為 ,且
在定溫過程中,由理想氣體方程式 :
各段熱量如下。
- :定壓吸熱
- :定溫膨脹,溫度為
- :定壓冷卻
- :定溫壓縮,溫度為
因此輸入熱量為
A round cylinder of mass , radius , and moment of inertia is released from rest at the top of an incline (A) tilted at degrees relative to the horizontal. The cylinder rolls down the incline to the bottom without slipping, as shown in figure 3. The gravitational acceleration is .
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
第 7 題
What is the acceleration of the cylinder as it rolls down the incline?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
圓柱沿斜面「無滑動滾動」時,質心有平移加速度,也有角加速度。沿斜面方向套用牛頓第二定律,並對圓柱中心套用轉動定律;無滑動條件則為
其中 是質心沿斜面向下的加速度, 是角加速度。
解題方法
圖 3 顯示圓柱由斜面頂端由靜止釋放,沿與水平夾角為 的斜面向下無滑動滾動;題目給定轉動慣量 。沿斜面向下的重力分量為 ,靜摩擦力則沿斜面向上。
沿斜面列平移運動方程:
以圓柱中心為轉軸,靜摩擦力提供轉矩:
代入無滑動條件 ,得
將摩擦力代回平移方程:
因此
選項分析
第 8 題
What is the minimum coefficient of friction necessary for the cylinder to roll without slipping down the ramp?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
圓柱純滾動時,斜面上的靜摩擦力提供轉動所需的力矩;其大小由平動與轉動方程共同決定。純滾動條件為
而靜摩擦力不能超過最大靜摩擦力 。
解題方法
圖中圓柱由斜面頂端沿斜面向下滾動,斜面與水平夾角為 ,且題目給定 ,圓柱不打滑。取沿斜面向下為正方向,列出平動方程與轉動方程。
沿斜面方向的平動方程為
以圓柱中心為轉軸,只有靜摩擦力提供力矩:
代入 及 ,得到
因此
將此式代入平動方程:
解得
所以所需靜摩擦力為
垂直斜面的正向力為
Two masses, and , are connected together by a spring with a spring constant of , as shown in figure 4.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
第 9 題
What is the oscillating amplitude ratio of over ?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
這題考兩物體系統的質心守恆。彈簧力是系統內力,若系統沒有外力,質心位置不變;因此兩個物體相對質心的位移必須滿足質心定義。
解題方法
圖 4 顯示質量為 、 的兩物體以彈簧相連,並以質心 為參考點;、 分別標示兩物體相對質心的位移。兩物體振動時,位移方向相反,質心條件為
取位移振幅的大小,得
因此 的振幅除以 的振幅為 。代回質心條件,兩側質量加權位移大小相等,符合質心固定。
選項分析
第 10 題
What is the natural angular frequency of the system?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
兩個質量以彈簧相連時,系統的內部振動可視為「約化質量」受到彈簧力作用的簡諧運動。約化質量為
因此自然角頻率為
解題方法
圖 4 顯示 、 由彈簧常數為 的彈簧連接,並標出質心(CM)及兩質量相對質心的位移。系統沒有固定支點,因此質心可以平移;題目所求的自然角頻率是兩質量間距變化所對應的內部振動頻率。
令 為彈簧相對平衡長度的伸長量,彈簧力大小為 。以 表示兩質量的相對位移,兩質量的相對加速度為
整理成簡諧運動方程 ,得
第 11 題
Two infinite planes of constant surface charge densities and are located at and , respectively, both parallel to the - plane. What is the electric field in the range ?
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
均勻帶電無限平面的電場大小為 ,方向垂直平面:正電面指向遠離平面的一側,負電面則指向平面。若以 作帶正負號的面電荷密度,電場可直接寫成帶符號的向量式。
解題方法
依原卷圖,面電荷密度 位於 , 位於 ,兩平面都平行於 - 平面;求的是兩平面之間 的電場。
在這個區域,觀察點位於下方平面 的上側,因此該平面的電場為
觀察點位於上方平面 的下側,因此該平面的電場為
由電場疊加原理,
A very long cylindrical conducting shell of total charge , length , inner radius and outer radius () is concentric to a conducting wire of total charge at the center. (The figure on the right shows the cross-sectional view.) Choose as a convention. Answer the following two questions.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
第 12 題
Which statement below is correct? (In the following, denotes natural log.)
(A) , for .
(B) , for .
(C) , for .
(D) , for .
(E) , for .
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核心觀念
本題考高斯定律在長圓柱對稱下的應用,以及導體靜電平衡時導體內部電場為零。由於圓柱長度遠大於半徑,可忽略端點效應,採用圓柱座標處理。
解題方法
由圖可讀出:中央導線帶總電荷 ,外圍同心導體殼帶總電荷 ,內、外半徑分別為 、,長度為 ;電位零點指定在 。
取半徑 、長度 的同軸圓柱形高斯面。此高斯面包住中央導線與整個導體殼,因此包圍電荷為 。由高斯定律,
所以
以 為基準,電位為
因此
第 13 題
What is the electric potential for ?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
本題考查同軸圓柱的高斯定律與電位差。由圓柱對稱性,在空腔 取半徑為 、長度為 的高斯面,可求出電場;再用
計算電位。導體殼內部是等電位,因此內表面 的電位等於外表面 的電位。
解題方法
圖示與題幹給出:中央導線帶總電荷 ,外側是帶總電荷 的同軸導體圓柱殼,內、外半徑分別為 、,且 ;電位參考點選為 。由於導體殼為等電位,故 。
在空腔內取半徑 、長度 的同軸圓柱高斯面。此高斯面包住中央導線的總電荷 ,所以由高斯定律,
因此,從 積分到 :
代入 ,得到
Consider the circuit on the right. The switch remains off for and it is turned on at . Answer the following two questions.
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】
第 14 題
What is the potential difference on the capacitor and the current on the inductor at , instantaneously after the circuit is closed?
(A) ,
(B) ,
(C) ,
(D) ,
(E) ,
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核心觀念
電容的電壓不能瞬間改變,電感的電流也不能瞬間改變:
因此,先求開關閉合前很久、電路已達直流穩態時的電容電壓與電感電流,再利用連續性判斷 的值。
解題方法
圖中電源 上端為正、下端為負;電容 與電阻 接在電源兩端,另一支路則由開關、電阻 和電感 串接而成。開關閉合前,含 與 的支路上端斷開;電容仍與 、 相連。
開關長時間保持關閉前的狀態,電路已達直流穩態。此時電容相當於開路,流經 的電流為零,因此 上沒有電壓降,電容兩端電壓等於電源電壓:
含電感的支路上端被開關斷開,沒有電流流過電感,所以
由電容電壓與電感電流的連續性,
選項分析
第 15 題
What happens in the limit ?
(A) ,
(B) ,
(C) ,
(D) ,
(E) ,
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核心觀念
直流穩態時,理想電感相當於短路,理想電容相當於開路。短路兩端電壓為零;開路支路電流為零。
解題方法
依圖可讀出:開關在 閉合後,電壓源 的上端為正;左側支路由 與電感 串聯,右側支路由電容 與 串聯,兩支路接在電壓源兩端。圖中電容的電壓極性與電源極性相同。
當 ,電感成為短路,因此左側支路的電流為
電容成為開路,右側支路沒有電流;因此 上的電壓降為零。電容兩端便承受電源的全部電壓:
選項分析
第 16 題
Which statement below is correct?
(A) Two capacitors in parallel is equivalent to the capacitance of .
(B) The potential energy of a capacitor at potential difference equals .
(C) Maxwell's equations imply charge conservation.
(D) Maxwell's equations imply the Lorentz force law.
(E) The (volume) energy density for a magnetic field in vacuum is .
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核心觀念
本題檢查電容器的等效電容與能量,以及 Maxwell 方程組和電荷守恆、洛侖茲力定律、磁場能量密度之間的關係。
電容器儲存的能量為
真空中的磁場能量密度為
Maxwell 方程組也能推出電荷守恆的連續方程:
解題方法
逐項比對基本定義與定理。對於 (C),取 Maxwell–Ampère 方程兩側的散度,並代入高斯定律,即可得到連續方程。對於 (E),直接比對真空中的磁場能量密度公式。其餘選項可由電容器串、並聯公式、電容器能量公式,以及洛侖茲力定律的地位判斷。
選項分析
-
(A) 錯誤。 並聯電容器兩端電壓相同,總電荷為各電容器電荷總和,因此
題目所列的 是兩電容器串聯時的等效電容。
-
(B) 錯誤。 電容器在電位差 下的能量是
題目漏掉了因子 。
-
(C) 正確。 Maxwell–Ampère 方程為
第 17 題
A background magnetic field is prepared on the - plane for given constants and . A rectangular loop (see figure) moves at a constant velocity . The bottom of the loop coincides with the axis, and its left side is at when . What is the induced emf on the loop at time ? ( direction points out of plane.)
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(A) , clockwise.
(B) , counter-clockwise.
(C) , clockwise.
(D) , counter-clockwise.
(E) .
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核心觀念
本題探討運動中導線迴路在非均勻磁場中的電磁感應現象,核心觀念包含:
- 法拉第電磁感應定律(Faraday's Law of Induction):
迴路上的感應電動勢 等於穿過該迴路磁通量 的時變率負值: - 磁通量定義(Magnetic Flux):
- 楞次定律(Lenz's Law):
感應電流與感應電動勢的方向,恆朝向抵抗造成感應之磁通量變化的方向。 - 動生電動勢(Motional EMF):
運動導線中電荷所受磁力產生的電動勢為 。
解題方法
從原卷圖中可知,矩形線圈寬度為 、高度為 ,其底邊與 軸重合(即 範圍為 到 );在 時左側邊位於 ,線圈整體以等速度 沿 方向前進。
1. 確定線圈隨時間變化的位置邊界
在時間 時:
- 左側邊位置:
- 右側邊位置:
- 底邊位置:
- 頂邊位置:
2. 計算穿過線圈的磁通量
背景磁場為 , 軸垂直朝向紙面外。取面積法向量朝向 方向(),對應右手定則之正向迴路方向為逆時針(counter-clockwise):
將 與 的積分分開計算:
- 對 積分:
- 對 積分:
相乘可得磁通量為:
3. 計算感應電動勢大小與方向
對時間 微分求磁通量時變率:
由法拉第定律,有向電動勢(以逆時針為正向)為:
第 18 題
Which statement below is correct?
(A) A point charge at constant velocity radiates due to Lorentz contraction.
(B) A point charge in free fall in a gravitational field feels no back-reaction force.
(C) A point charge in free fall does not radiate.
(D) Radiation in an inertial frame may appear like vacuum in another inertial frame.
(E) The energy radiated from an accelerating point charge per unit time is the same in every inertial frame.
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核心觀念
本題考查「帶電粒子是否輻射」與「輻射反作用力」的區別。粒子以加速度運動時會產生電磁輻射;但輻射反作用力取決於運動狀態的變化,兩者不必同時為零或同時不為零。
非相對論情況下,拉莫爾公式給出輻射功率:
其中 是電荷量, 是加速度大小。輻射反作用力則可用亞伯拉罕–洛侖茲公式表示:
解題方法
逐項檢查敘述是否符合輻射公式、輻射反作用力,以及慣性系間的洛侖茲轉換。尤其要區分「粒子有加速度,因此會輻射」和「粒子受到非零輻射反作用力」:在理想的均勻重力場中,自由落體的加速度為常數,因此會輻射,但反作用力公式中的 為零。
選項分析
(A) 錯誤。 等速運動的點電荷加速度為零,依拉莫爾公式不輻射。洛侖茲收縮會改變觀察者所見的電場分布,但不會使等速電荷產生輻射。
(B) 正確。 在標準的經典電磁學理想模型中,均勻重力場中的自由落體具有固定加速度,因此
第 19 題
An electromagnetic wave in vacuum has the electric field , where . What is the magnetic field?
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
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核心觀念
真空中的平面電磁波,電場、磁場與傳播方向彼此垂直,且滿足:
其中 是波的傳播方向單位向量。電場與磁場同相,振幅關係為 。
解題方法
題目給定:
令相位 為常數,隨時間增加, 也增加,因此波沿 方向傳播,即 。電場沿 方向,所以磁場方向為:
磁場振幅為 ,且與電場同相,因此:
選項分析
第 20 題
Which statement below is correct?
(A) In the double-slit experiment, it would be easier to see the double-slit interference pattern if the width of the slits is larger than the distance between the slits.
(B) Electromagnetic plane waves have 3 independent polarizations.
(C) The sky is blue because it reflects the image of the sea.
(D) For a small spherical mirror of radius , its focus is .
(E) The rainbow appears in the direction of the sun.
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核心觀念
本題考查四種普通物理觀念:雙狹縫干涉、電磁波偏振、天空顏色、球面鏡焦距,以及彩虹的觀察方向。判斷時要分清各現象的成因與幾何關係。
解題方法
逐項檢查敘述是否符合基本定律或定義:
- 雙狹縫干涉的條紋會受到單狹縫繞射包絡調制。
- 電磁平面波的電場與磁場都垂直於傳播方向。
- 天空顏色與大氣分子對陽光的散射有關。
- 球面鏡的焦距與曲率半徑有固定關係。
- 彩虹出現在與太陽相反的天空方向。
選項分析
(A) 錯誤。 設狹縫寬度為 、兩狹縫中心間距為 。干涉條紋由兩狹縫的相位差決定;單狹縫繞射則形成包絡,兩者合成的強度分布可寫成