106指考物理科試題解析 - HackMD
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106指考物理科試題解析> 作者:王一哲> 日期:2021/5/2.
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#106指考物理科試題解析
>作者:王一哲
>日期:2021/5/24
##試題與詳解
###單選題
1.日常生活中常見的運動與牛頓運動定律息息相關,下列有關牛頓三大運動定律的敘述,何者正確?
(A)依據第二定律,運動物體的速度方向必定與其所受合力的方向相同
(B)依據第二定律,運動物體的位移方向必定與其所受合力的方向相同
\(C\)用槳划水使船前進及加速的過程,可分別利用第三與第一定律解釋
(D)用噴氣使火箭前進及加速的過程,可分別利用第三與第二定律解釋
(E)溜冰選手站立於光滑水平地面以手猛推一下牆壁,反彈及其後以等速度離開,可分別利用第一與第二定律解釋
B錯,同上。
C錯,用槳划水,槳給水向後的力量,水給槳向前的反作用力,這是用第三定律解釋,但是由水給槳向前的反作用力獲得加速度要用第二定律解釋。
D對,火箭將氣體向後的力量將氣體向後噴出,氣體給火箭向前的反作用力,這是用第三定律解釋,由氣體給火箭向前的反作用力獲得加速度可用第二定律解釋。
E錯,溜冰選手以手猛推一下牆壁,藉由牆壁對溜冰選手的反作用力加速,這要用第三及第二定律解釋。
2.光滑水平地面上靜置一長板,板上有一人相對於板面自靜止開始向右直行,如圖1所示。
若長板和地面間的摩擦力因地面光滑而可完全忽略,則下列相關敘述何者正確?
(A)人在行走過程中,人對長板不作功
(B)人在行走過程中,地面對長板作負功
\(C\)人和長板所形成的系統,其質心位置不變
(D)人和長板所形成的系統,其質心會漸向右移
(E)此人停下腳步後,人會連同長板相對於地面向左滑動
B錯,同上。
C對,人和長板所形成的系統水平方向外力為0,系統動量守恆。
由於人與長板原為靜止,質心速度為0,當人向右移動時,質心速度仍為0,系統質心位置不變,。
D對,同上。
E錯,此人停下腳步後,人與長板會同時停下。
3.近年科學家發現某一顆巨大的類地球行星,其質量為地球的17倍、直徑為地球的2.3倍,它像地球一樣擁有堅固的表層,因此被天文學家歸類為“巨無霸地球”。
假設該星球與地球皆可視為均質的球體,則該行星表面的重力加速度約為地球的多少倍?
(A)0.31 (B)2.2 \(C\)3.2 (D)7.3 (E)39
4.在平直光滑軌道上有一運動中的甲玩具車,質量為$m_1$,與另一質量為$m_2$的靜止乙玩具車發生正面的彈性碰撞,碰撞後甲車反彈,乙車則沿甲車碰撞前之運動方向前進,若碰撞後兩車的速率相同,則$m_1$與$m_2$的關係為下列何者?
(A)$3m_1=m_2$ (B)$2m_1=m_2$ \(C\)$m_1=2m_2$ (D)$m_1=3m_2$ (E)$2m_1=3m_2$
5.一靜止於光滑水平地面的彈簧槍,將一顆質量為0.2kg的鋼珠以相對於地面為4.0m/s的水平速度射出,已知這一發射過程的能量完全由壓縮的理想彈簧提供,彈簧的力常數為$2.4\times10^3~\mathrm{N/m}$,裝鋼珠前彈簧槍的質量為1.0kg。
彈簧槍槍身可於地面上自由滑動,若忽略過程中的所有摩擦力,則彈簧槍在一開始要發射鋼珠時,彈簧被壓縮的長度為下列何者?
(A)3.6cm (B)4.0cm \(C\)4.6cm (D)5.0cm (E)5.6cm
假設彈簧被壓縮的長度為$x$,由系統力學能守恆可得
$$
\frac{1}{2}\times2.4\times10^3\timesx^2=\frac{1}{2}\times0.2\times4.0^2+\frac{1}{2}\times1.0\times0.8^2~\Rightarrow~x=0.04~\mathrm{m}=4~\mathrm{cm}
$$
6.在飛機發生空難沉入海中後,飛機上的黑盒子會發出頻率為33kHz的超聲波,以提供搜救船隻利用聲納探測其位置。
已知海水中的聲速約為1500m/s,則此超聲波的波長約為下列何者?
(A)500m (B)150m \(C\)22m (D)0.045m (E)0.010m
7.在一項水波槽實驗中,當水波由深1公分的淺水區入射至深2公分的深水區時,在淺水區與深水區的交界處發生折射現象。
假設水深與水波的振幅都比波長小得多,以致水波的波速平方與水深成正比,則下列敘述何者正確?
(A)若入射角為30°,則折射角為45°
(B)若入射角為30°,則折射角為53°
\(C\)若入射角為45°,則折射角為60°
(D)若入射角為53°,則折射角為30°
(E)若入射角為60°,則折射角為45°
8.如圖2所示,一個很寬的水槽內裝有深度為$H$的水,水的折射率為4/3。
若在水槽底部放置一半徑為$H/2$之半球形凸面鏡,並以平行光源垂直液面入射,則由水面上方沿著接近鉛直主軸的方向往下看時,所觀察到的凸面鏡焦點,最接近水面下哪一深度處?
(A)$3H/8$ (B)$2H/3$ \(C\)$9H/16$ (D)$3H/4$ (E)$3H/2$
9.有一登山隊員攜帶一個圓筒形鍋子上山,此鍋子蓋上鍋蓋後可以只靠鍋蓋重量而完全密閉,煮飯時在高山營地中測得當地氣壓為720毫米水銀柱,若要使鍋內的水恰在100°C時沸騰,而圓筒鍋的內直徑為20公分,則鍋蓋約需為多少公斤重?(1大氣壓=760毫米水銀柱=$1.03\times10^3$克重/平方公分=$1.01\times10^5$牛頓/平方公尺)
(A)0.7 (B)7 \(C\)17 (D)37 (E)70
**第10-11題為題組**
美國早期使用愛迪生創設的直流供電系統,電壓為110V。
已知此系統之傳輸電纜線的電流為100A,供電區域的地球磁場量值為$5.0\times10^{-5}~\mathrm{T}$,而真空磁導率$\mu_0=4\pi\times10^{-7}~\mathrm{T\cdotm/A}$。
10. 若每一用戶平均每月使用300度的電,假設可忽略傳輸電纜線所消耗的能量,則此供電系統約可供給幾戶的電力需求?
(A)10 (B)26 \(C\)35 (D)48 (E)60
11. 試問距此供電系統中一段長直的電纜線多少垂直距離處,其電流所產生的磁場與地球磁場的量值相等?
(A)50m (B)35m \(C\)10m (D)2.5m (E)0.40m
12.現代科技中常以光電倍增管將微弱的光訊號轉換並增強為電訊號。
有一光電倍增管的訊號輸出端串聯一個$50~\mathrm{\Omega}$的電阻器,形成迴路。
若此電阻器兩端之電壓與時間的關係如圖3實線所示,則光電倍增管所輸出脈衝訊號的電量最接近下列何者?(1ns=10-9s)
(A)10-7C (B)10-9C \(C\)10-11C (D)10-13C (E)10-15C
13.一長度及截面積固定且符合歐姆定律的柱形電阻器串接安培計後,兩端再接上直流電源供應器,若各器材均正常運作且溫度變化的影響可忽略,則改變直流電源供應器的輸出電壓時,下列敘述何者正確?
(A)電流隨輸出電壓增大而減小
(B)電流不隨輸出電壓的變化而變動
\(C\)電阻器的電阻隨輸出電壓增大而增大
(D)電阻器的電阻隨輸出電壓增大而減小
(E)電阻器的電阻固定,不隨輸出電壓的變化而變動
14.一個質子與一個$\alpha$粒子以相同速度分別射入不同的均勻磁場中,其速度皆與磁場方向垂直,因而質子與$\alpha$粒子在各別磁場中皆作等速率圓周運動。
若質子與$\alpha$粒子的軌道半徑大小相同,則質子與粒子所進入的磁場強度比為何?
(A)1:2 (B)2:1 \(C\)1:8 (D)8:1 (E)1:1
15.為驗證通有電流$I$的長直導線在磁場中受到磁力,將一條平行於$x$軸的導線通以沿$+x$軸方向的電流,如圖4所示,其中$x$、$y$軸在紙面上。
若一均勻磁場對導線的作用力可使導線懸浮空中,即磁力指向$+z$軸方向(垂直穿出紙面),則此均勻磁場的方向為何?
(A)$+y$軸方向 (B)$-y$軸方向 \(C\)$+z$軸方向 (D)$-z$軸方向 (E)$-x$軸方向
16.在如圖5所示的水平面(即紙面),有均勻的電場和磁場兩者方向皆由紙面上方垂直穿入紙面,一電子沿紙面以向右的初速度行進,則由紙面上方往下觀察時,電子在進入電磁場後將會如何運動?
(A)向右進行直線運動
(B)順時針方向偏轉、在紙面運動
\(C\)反時針方向偏轉、在紙面運動
(D)順時針方向偏轉、朝紙面上方離開
(E)反時針方向偏轉、朝紙面下方離開
依照右手開掌定則判斷電子所受磁力方向,姆指為電流方向向左,另外四指為外加磁場方向進入紙面,手掌為磁力方向向下,使電子順時針方向偏轉。
下圖是用VPython繪製的電子運動軌跡,這是[線上版動畫連結](https://glowscript.org/#/user/yizhe/folder/Public/program/22-3106%E6%8C%87%E8%80%83%E5%96%AE%E9%81%B816)。
17.一電磁鐵所產生的磁場垂直通過一截面積為的平面線圈。
若某段時間通過此線圈的磁場量值與時間的關係如圖6實線所示,則在第15秒瞬間,線圈上的應電動勢最接近下列何者?
(A)10-1V (B)10-2V \(C\)10-3V (D)10-4V (E)0
18.下列關於近代物理的敘述,何者正確?
(A)黑體輻射具有單一波長的性質
(B)核能發電的主要關鍵機制是光電效應
\(C\)物質波是波長遠小於可見光波長的一種電磁波
(D)依據波耳氫原子模型,電子的角動量與主量子數無關
(E)比較氦原子核中質子間作用力的量值大小時,強力>電磁力>重力
B錯,主要的關鍵機制是質能互換$E=mc^2$。
C錯,物質波的振幅平方代表粒子出現在某個位置的機率分布。
D錯,電子的角動量$L=n\frac{h}{2\pi}=n\hbar\propton$。
E對。
19.以頻率為$f_0$的紫外光分別照射兩塊金屬甲與乙後,均可測得光電子。
金屬甲所產生的光電子的截止電壓為$V$,金屬乙的截止電壓為$3V/2$。
若金屬甲的底限頻率為$f_甲=\frac{2}{3}f_0$,金屬乙的底限頻率為$f_乙$,則兩者的比值$\frac{f_甲}{f_乙}$為下列何者?
(A)2/3 (B)3/4 \(C\)1 (D)4/3 (E)3/2
20. 以中子撞擊$\mathrm{{}_{4}^{9}Be}$會產生$\mathrm{{}_{4}^{8}Be}$及兩個中子,故$\mathrm{{}_{4}^{9}Be}$可做為中子的倍增劑。
$\mathrm{{}_{4}^{8}Be}$緊接著會衰變為兩個相同的未知粒子X,如下所示:
$$
\mathrm{{}_{4}^{9}Be+n\rightarrow{}_{4}^{8}Be+2n\rightarrow2X+2n}
$$
此未知粒子X撞擊$\mathrm{{}_{4}^{9}Be}$後,會使其轉變為$\mathrm{{}_{6}^{12}C}$及另一未知粒子Y,如下所示:
$$
\mathrm{{}_{4}^{9}Be+X\rightarrow{}_{6}^{12}C+Y}
$$
試問Y可能為下列何者?
(A)質子 (B)中子 \(C\)氫 (D)氦 (E)光子
同理,第二條反應式為
$$
\mathrm{{}_{4}^{9}Be+{}_{2}^{4}He\rightarrow{}_{6}^{12}C+{}_{0}^{1}n}
$$
###多選題
21.甲、乙兩車直線前進行駛於筆直的水平道路上,其速度$v$對時間$t$的關係如圖7所示。
已知時間$t=0$時甲車領先乙車5公里,下列關於兩車的敘述,哪些正確?
(A)甲車在4小時內均維持等速運動
(B)甲乙兩車在第一個小時末第一次相遇
\(C\)乙車在第一個小時內作加速度為負值的等加速運動
(D)乙車在第一個小時末至第三個小時末之間作等加速運動
(E)4小時之後,兩車均停了下來,此時兩車的距離為5公里
B錯,$v-t$圖線條與橫軸圍起來的面積代表位移,因此兩車在第一個小時內的位移分別為
$$
s_甲=\frac{(40+30)\times1}{2}=35~\mathrm{km}
$$
$$
s_乙=\frac{(60+20)\times1}{2}=40~\mathrm{km}
$$
$$
s_乙-s_甲=40-35=5~\mathrm{km}
$$
乙多走5km追上甲,看起來像是對的,但其實在第一個小時末之前乙已經追上甲。
假設於$t$小時追上,則
$$
s_乙-s_甲=\frac{[60+(60-40t)]t}{2}-\frac{[40+(40-10t)]t}{2}=5
$$
$$
120t-40t^2-80t+10t^2=10
$$
$$
3t^2-4t+1=0
$$
$$
t=\frac{1}{3}~~or~~1
$$
於$t=1/3~\mathrm{h}$時乙第一次追上甲。
C對,加速度為$a_乙=-40~\mathrm{km/h^2}$
D錯,由圖中可知乙在第一個小時末至第三個小時末之間速度固定為20km/h。
E對,0到4小時之間,兩車的位移分別為
$$
s_甲'=\frac{40\times4}{2}=80~\mathrm{km}
$$
$$
s_乙‘=\frac{(60+20)\times1}{2}+20\times(3-1)+\frac{20\times(4-3)}{2}=40+40+10=90~\mathrm{km}
$$
$$
s_乙'-s_甲'=90-80=10~\mathrm{km}
$$
由於甲原來在乙前方5km處,因此4小時末乙在甲前方5km處。
22.如圖8所示,一錐擺(亦稱錐動擺或圓錐擺)的擺線長為$l$,擺錘質量為$m$,一端固定於天花板上。
若摩擦力、空氣阻力與繩子的質量可忽略不計,擺線與鉛垂線的夾角為$\theta$,擺線的張力設為$F$且擺錘在水平面上以O點為圓心作等速率圓周運動,重力加速度為$g$,則下列敘述哪些正確?
(A)擺錘作圓周運動所需的向心力為$F\cos\theta$
(B)擺錘在鉛垂線的方向所受合力為0
\(C\)擺錘所受合力的方向沿擺線的方向
(D)擺錘所受合力的方向指向O點
(E)擺錘對O點的角動量守恆
B對,由為擺錘維持在固定的高度,因此鉛直方向合力為0。
C錯、D對,合力指向圓心。
E對,因為合力經過O點,相對於O點的力臂為0,產生的力矩為0,角動量守恆。
23.某生做密閉容器內單原子理想氣體之壓力$P$與絕對溫度$T$的關係實驗,隨的變化由甲到乙有五個數據點,其關係接近一直線,如圖9所示。
下列關於本實驗過程中的敘述哪些正確?
(A)容器內氣體密度保持不變
(B)容器內氣體的總動能隨絕對溫度上升而線性增大
\(C\)實驗時僅需保持容器體積不變,氣體外洩並不影響實驗的結果
(D)當容器內氣體溫度由$T$上升為$2T$時,其分子的方均根速率增為原來的$\sqrt2$倍
(E)當容器內氣體溫度由$T$上升為$2T$時,其分子的方均根速率也增為原來的2倍
B對,氣體的總動能$E=\frac{3}{2}nRT\proptoT$。
C錯,氣體莫耳數要固定。
D對、E錯,分子的方均根速率$v_{rms}=\sqrt{\frac{3kT}{m}}\propto\sqrt{T}$。
24.在光電效應中,已知電子要由甲金屬內部移出脫離其表面所需的最小能量為2.5eV。
某生欲使用氣態乙原子中的電子在最低4個能階之間躍遷時所發出的不同波長之光波,分別照射甲金屬以產生光電子。
若此4個能階分別為-5.4eV、-3.5eV、-1.6eV與-0.9eV,則在乙原子所發出之不同特定波長的光分別照射下,甲金屬所產生之光電子的最大動能有哪些可能?
(A)0.1eV (B)1.0eV \(C\)1.3eV (D)2.0eV (E)3.5eV
$\DeltaE_{4\rightarrow2}=(-0.9)-(-3.5)=2.6~\mathrm{eV}~\Rightarrow~K_{max}=2.6-2.5=0.1~\mathrm{eV}$,A對。
$\DeltaE_{4\rightarrow3}=(-0.9)-(-1.6)=0.7~\mathrm{eV}$,無法產生光電子。
$\DeltaE_{3\rightarrow1}=(-1.6)-(-5.4)=3.8~\mathrm{eV}~\Rightarrow~K_{max}=3.8-2.5=1.3~\mathrm{eV}$,C對。
$\DeltaE_{3\rightarrow2}=(-1.6)-(-3.5)=1.9~\mathrm{eV}$,無法產生光電子。
$\DeltaE_{2\rightarrow1}=(-3.5)-(-5.4)=1.9~\mathrm{eV}$,無法產生光電子。
###非選擇題
請參考大考中心公告的非選擇題參考答案。
##參考資料
1.[大考中心106指考物理科試題](https://www.ceec.edu.tw/files/file_pool/1/0j075624691867326634/08-106%e6%8c%87%e8%80%83%e7%89%a9%e7%90%86%e8%a9%a6%e5%8d%b7%e5%ae%9a%e7%a8%bf.pdf)
2.[大考中心106指考物理科選擇題參考答案](https://www.ceec.edu.tw/files/file_pool/1/0j075624692401295651/08-106%e6%8c%87%e8%80%83%e7%89%a9%e7%90%86%e9%81%b8%e6%93%87%e9%a1%8c%e7%ad%94%e6%a1%88.pdf)
3.[大考中心106指考物理科非選擇題參考答案](https://www.ceec.edu.tw/files/file_pool/1/0j075624690788578689/07-106%e6%8c%87%e8%80%83%e7%89%a9%e7%90%86%e8%80%83%e7%a7%91%e9%9d%9e%e9%81%b8%e6%93%87%e9%a1%8c%e5%8f%83%e8%80%83%e7%ad%94%e6%a1%88.pdf)
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