超强图表教用能量由功到热.docx
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超强图表教用能量由功到热
第3章 能量──由功到热
焦点一
功与功率
1.功(W)
(1)意义:
a.力作用于一物体时,物体必须沿 作用力 的方向有 位移 ,称此作用力有对物体作功。
b.力作用于物体时,会使物体有 能量 变化,我们也可称此力对物体作功。
c.简单的说,传递能量的过程,即为 作功 。
(2)定义:
施力大小与沿运动方向之位移的乘积。
(3)公式:
功=作用力×物体沿运动方向的位移
W=F×S
(4)单位:
1牛顿×1米=1牛顿-米=1 焦耳 。
(5)当作用力F的方向与位移S的方向不同时,作用力F所作的功等于作用力在移动方向的分量F2与位移的乘积。
(6)功的大小与速度快慢、路径大小和时间长短无关。
(7)作功的判断:
功是无方向性的物理量,但功有 正功 和
负功 之分。
示意图
作用力F与物体
移动方向的关系
作功的正负
受力物体
的速率
两者平行且方向相同
此力作 正功
物体速率
增加
两者平行但方向相反
此力作 负功
物体速率
减少
作用力F与位移垂直
作功为 零
物体速率
不变
位移为零
作功为零
物体速率为零
两者不平行且不垂直
其中的平行分力F2作 正功 ,垂直分力F1不作功
物体速率
增加
2.功率(P)
(1)定义:
外力对物体作功的效率,称 功率 。
(2)公式:
功率=
→P=
(3)单位:
焦耳/秒或 瓦特 。
(4)瓦特:
a.瓦特为英国科学家,改良引擎,并发明蒸汽机。
b.在1秒内,对物体作功1焦耳,其功率=1焦耳/秒。
c.瓦特简称瓦。
1仟瓦=1瓩,1kW=1000W。
(5)日常生活中的瓦特:
许多电器都有标示出功率,例如:
电锅标示800W,即电锅每1秒内,会消耗800焦耳的能量。
(C)1.下列何者作功最多?
(A)提 3 公斤的行李站立等候巴士 20 分钟
(B)坐在椅子上安静不动,复习教科书准备基测
(C)由一楼提 3 公斤的重物上二楼
(D)提 3 公斤的物体站在操场上 5 分钟
(C)2.如图,施力F1=F2分别使物体在光滑平面上滑行相同距离时,下列何者正确?
(A)作功大小相同
(B)加速度大小相同
(C)作功大小:
F1>F2
(D)作功大小:
F1<F2
(D)3.如图,在高1米、长2米的光滑斜面上,胖虎把质量100公斤的物体,沿斜面拖到顶端,则重力对物体作功多少焦耳?
(A)-980(B) 980
(C)-1960(D) 1960
(C)4.一静置于无摩擦水平面上的物体,当它受到 10 牛顿的水平定力作用 3 秒钟后,物体的末速度为 15 米/秒,则下列叙述何者错误?
(A)物体作等加速度运动
(B)物体的质量为 2 公斤
(C)物体前进 45 米
(D)力对物体所作的功为 225 焦耳
(B)5.承上题,此力所作的功率应为多少?
(A)450W(B)150W
(C)45W(D)30W
(C)6.A物体质量2公斤,B物体质量1公斤,原静止在水平光滑无摩擦的桌面上,各受水平作用力5牛顿推动3秒,则水平力作用期间,此力对两物体所作的功何者较大?
(A) A>B(B) B>A
(C) A=B(D)无法比较
焦点二
功与动能
1.动能(Ek)
(1)定义:
任何运动的物体,会因运动而具有作功的能力,此能量称之 动能 ,所有物体只要有 速率 就有动能。
(2)公式:
动能=
×物体质量×速率平方→Ek=
mv2
(3)单位:
焦耳、公斤×(米/秒)2
(4)影响动能的因素:
a.质量:
质量愈大、动能愈 大 。
b.速率:
速率愈大、动能愈 大 。
2.功能关系
(1)功和动能的单位都是 焦耳 ,两者是可以互相转换的。
(2)动能是作功的一种本能,功是动能转移的过程。
(3)外力对物体作功不仅造成物体的运动状态改变,更可使物体获得 动能 。
W=F×S=
mv22-
mv12
(B)1.3000公斤的轿车与8000公斤的大卡车分别作撞墙的安全测试(若结构相同),若速度皆为50公里/小时,依学理判断何者破坏力最大?
(A)轿车较大,因为反作用力较大
(B)大卡车较大,因为质量大,产生动能大
(C)两者一样大
(D)轿车较大,因为质量比较轻
(D)2.一汽车质量为1000 kg,以20 m/s 的速度行驶,现紧急煞车,在2秒内停止,则下列何者正确?
(A)车子的加速度为-20 m/s2(B)车子在停止前滑行10 m
(C)车子所受的平均阻力为1000 N(D)阻力对车子作功-2×105 J
(B)3.A物体质量为10公斤及B物体质量为5公斤,静止在水平面上,今各受10牛顿的水平作用力而移动10米时,其速率依次为4米/秒、6米/秒,请问10牛顿水平推力分别推动A、B两物体2秒后,推力对 A、B 物体作功之大小为何?
(A) A>B(B) A<B(C) A=B(D)无法比较
(C)4.质量4 kg的物体由静止状态受20牛顿外力作用,使其在光滑水平面上加速度移动3米,继续改以17牛顿外力作用,使其加速度移动4米,不考虑其他阻力之下,以下叙述何者正确?
(A)最后动能为64焦耳(B)最后动能为148焦耳
(C)末速为8米/秒(D)末速为4米/秒
焦点三
位能、能量守恒定律与能源
1.位能(U)
(1)定义:
物体因位在高处或 位置变化 而储存的能量。
(2)重力位能:
在 重力 的作用下,高处静止的物体所具有的能量。
a.公式:
重力位能=物体质量×重力加速度×高度→U=mgh,单位为焦耳。
b.物体在高处比在低处具有较 大 的重力位能,重力位能与高度成 正 比。
c.物体的质量愈大,则所具有的重力位能愈大,即重力位能和质量成 正 比。
(3)弹力位能:
受外力作用而发生 形状改变 的物体,所具有的能量。
a.形变的大小和弹力位能成 正 比。
2.力学能守恒定律
(1)位能和动能在力学中常出现,它们和运动状态或所受外力有关,且可互相转换,故合称 力学能 或 机械能 。
a.若只在重力的作用下,物体从高处落下,重力对物体作功,使物体的速率愈来愈大,动能逐渐 增大 ,但位置愈来愈 低 ,位能逐渐 减少 。
即物体增加的动能=重力对物体所作的功=物体减少的重力位能。
b.压缩或伸长弹簧时,会将所作的功变成弹力位能储存起来,当放掉弹簧时,弹力会作功,将弹力位能变成受力物体的动能。
(2)若物体只受重力的作用时,则不论在任何位置,其动能和位能的总和皆维持不变,称为 力学能守恒定律 。
即动能+位能=定值。
(3)实例:
a.单摆的力学能守恒
b.弹簧的力学能守恒
3.热是一种能量
(1)公元1843年,焦耳设计了一个实验,他发现容器内水温上升的唯一原因,是重力对重鎚所作的功,或重鎚 位能 的损失。
而且重鎚损失的位能可转换为对水输入的 热量 (热量代表一种传送或流动的量)。
▲焦耳的实验装置
4.能量与能源
(1)能量
化学能
物质内部储存的能量,称为化学能。
化学能经 化学变化 转变成其他能量释放出来。
电能
电荷运动所产生的能量。
热能
热能可使得物质温度升高或使状态改变。
光能
用凸透镜聚集太阳光,可点燃火柴,显示光是一种能量。
声能
是将输入波源的动能,藉波动的方式传到介质的各部位去,引起介质的
振动 。
核能
原子核反应时所释放出来的能量,称为原子核能,简称核能或原子能。
是近代所发现最强大的能量。
(2)能源:
人类所利用能量的来源。
定义
实例
再生 能源
自然界会持续不断补充的能量,在人类的有生之年都不会耗尽
太阳能、风力、水力、海洋能、地热能
非再生 能源
蕴藏量有限的能源,经人类大量开发后,目前正快速减少
化石燃料(如煤、石油和天然气)、核燃料
5.能量守恒定律
(1)能量可以从一种形式转变为另一种形式,但总能量不会增加、也不会减少
(2)实例:
a.水力发电:
位 能→动能→电能。
b.电灯照明:
电能→ 光 能+ 热 能。
c.溜滑梯:
位 能→ 动 能+热能。
d.拉弓射箭:
弹力位能 →动能。
(B)1.如图,在光滑轨道上一无动力玩具车,由起点出发。
若不考虑摩擦阻力,试问滑车在 Y 点与丙点的关系,下列何者正确?
(A)动能 Y 点大于丙点
(B)速率 Y 点与丙点相同
(C)丙点的位能较 Y 点小
(D)丙点位能较 Y 点大
(A)2.质量600公克的芒果,生长在距离地面2米的树上,若重力加速度为10米/秒2,则芒果对地面具有多少焦耳的重力位能?
(A) 12(B) 24
(C) 12000(D) 24000
(D)3.如图,与弹簧连接的物体静置于 O 点,受力作用被压缩到底端(左端)A点后静止释放,使物体在 A、B 间来回移动,若不计摩擦力,下列何者为A点
所具有的能量情形?
(A)动能与弹力位能都是最大
(B)动能与弹力位能都是 0
(C)动能为 0,重力位能最大
(D)动能为 0,弹力位能最大
(A)4.天然气、液化石油或汽油的燃烧,是由何者转换成热能和光?
(A)化学能(B)动能
(C)热能(D)光能
(A)5.火力发电过程中,其间牵涉到一连串的能量转换,包括:
(甲)化学能;(乙)热能;(丙)动能;(丁)电能,则能量转换的先后顺序应为何?
(A)甲→乙→丙→丁
(B)乙→丙→甲→丁
(C)丙→乙→甲→丁
(D)甲→丙→乙→丁
(B)6.一个球自高处自由落下,与地面碰撞后又弹回,理想情况下应弹至原来之高度,但实际远比原来高度为小,下列叙述何者错误?
(A)有部分能量转换成没有用的能量了
(B)能量不守恒
(C)能量守恒
(D)球与地面碰撞时,部分能量变成热能
(B)7.公元1843年,焦耳设计了一个实验,装置如右图。
当两重锤被绳索牵引至高处,接着放开手摇柄,两重锤逐渐缓缓下降,下列相关叙述,何者错误?
(A)重力对重锤作功,使重锤的重力位能减少
(B)重锤下降过程中,动能不断地增加
(C)此实验透过作功的概念与技术,证明了热是一种能量
(D)此实验确立了能量守恒定律
(B)8.下列有关能量的叙述,何者错误?
(A)能量形式的转换过程中,通常伴随热能的产生
(B)电风扇的运转过程,若机盖的温度愈高,则表示能量的转换效率愈高
(C)灯泡通常是将电能转换成热能和光能
(D)将弹簧压缩或伸长,皆可储存弹力位能
(A)9.下列哪些器具主要将电能转换为热能供人们使用?
(甲)瓦斯热水器、(乙)烤箱、(丙)微波炉、(丁)瓦斯炉、(戊)电磁炉、(己)电暖炉。
(A)乙丙戊己(B)丙丁戊
(C)甲乙戊己(D)甲丁戊己
焦点四
杠杆原理
1.物体转动的因素
(1)力的大小:
若作用在相同点,则力愈大,愈 容易 转动。
(2)力臂的大小:
力臂即力到转轴(支点)的 垂直 距离,同一力若力臂愈大,愈容易转动。
2.力矩
(1)决定物体转动的效果,为 力矩 的大小。
(2)定义:
力矩= 力臂 × 力
L=d×F
(3)单位:
力矩(L)
力臂(d)
力的大小(F)
gw-cm
公分(cm)
公克重(gw)
kgw-m
米(m)
公斤重(kgw)
N-m
米(m)
牛顿(N)
(4)力矩是具有方向性的物理量,分 顺时针 、 逆时针 两种转动方向。
(5)当物体同时受数个力矩作用,可以用一个力矩表示总效果,称为 合力矩 。
3.杠杆原理
(1)绕着一定转轴或支点自由转动的装置称为 杠杆 ,例如:
天平、翘翘板。
(2)杠杆原理:
施力臂×施力=抗力臂×抗力 。
4.静力平衡
(1)合力=0, 不 移动。
(2)合力矩=0, 不 转动。
(3)合力=0且合力矩=0, 不 移动也 不 转动,称为静力平衡。
(C)1.木棒一端固定但可自由转动,受三力F1、F2与F3的作用如图。
若三力对支点(转轴)O的力臂分别为d1、d2与d3,则下列大小关系何者正确?
(A) d3>d2>d1
(B) d3>d2=d1
(C) d1>d2>d3
(D) d2>d1>d3
(C)2.下列哪个系统不是处于静力平衡?
(A)
(B)
(C)
(D)
(B)3.如图,作用力 F 产生的力矩大小为多少?
(A) 0 kgw-m(B) 50 kgw-m
(C) 120 kgw-m(D) 130 kgw-m
焦点五
简单机械
1.简单机械
(1)机械:
无论简单或复杂,凡能传递能量,帮人类作功的装置,均称为机械。
(2)简单机械的功用:
a.省力:
对机械的施力小于机械所受的力(负重)时,可以较 小 的力举起物体,但所费的时间较 长 。
b.省时:
对机械的施力大于机械所受的力(负重)时,需以较 大 的力举起物体,但所费的时间或拉动的距离较 短 。
c.操作方便:
既不省力、也不费力,但可改变力的方向。
d.用来传递功和能,但不能用来省 功 。
(3)简单机械的种类
a.应用杠杆原理的机械有:
杠杆、滑轮和 轮轴 。
b.应用斜面原理的机械有:
斜面、 螺旋 和斧头。
2.杠杆:
依杠杆上支点、抗力点、施力点三者相互位置关系,杠杆可分为以下三种。
杠杆
支点在中间的杠杆
(第一类杠杆)
抗力点在中间的杠杆
(第二类杠杆)
施力点在中间的杠杆
(第三类杠杆)
构造
两力臂
大小
施力臂
抗力臂
施力臂>抗力臂
施力臂<抗力臂
两力大小
施力
抗力
施力<抗力
施力>抗力
使用目的
省力、省时或改变力的方向
省 力
省 时
实例
剪刀、起钉杆、开洞器、杆秤、天平、翘翘板、钳子、桨、脚踏车把手
起重杆、瓶盖起子、独轮车、压榨器、切纸刀、大型订书机、破果钳
镊子、球棒、扫帚、铲子、面包夹、筷子、扇子、安全别针、钓鱼杆、锄头
▲轮轴示意图
3.轮轴
(1)构造:
由两个半径不等的圆柱固定在同一转轴上而成,半径大的圆柱称为 轮 ,半径小的圆柱称为 轴 ,合称轮轴。
(2)公式:
轴半径×抗力=轮半径×施力
r×W= R× F
(3)轮轴可视为 杠杆 的一种变形装置,也就是说轮轴和杠杆一样,具有改变方向、省力或省时的功用。
轮轴
省力
省时
原理
施力作用在 轮 上,
抗力作用在 轴 上
施力作用在 轴 上,
抗力作用在 轮 上
构造
公式
F.R=W.r
F.r=W.R
施力×轮半径=物重×轴半径
施力×轴半径=物重×轮半径
实例
螺丝起子、方向盘、门把
后轮传动汽车的后轮轴、擀面棍
4.滑轮
滑轮
示意图
特色
定滑轮
(1)滑轮轴固定不动。
(2)定滑轮为 支点 在中间的一种杠杆变形。
(3)因施力臂等于抗力臂,所以施力等于抗力。
(4)使用定滑轮,不省力、也不省时,只能改变力的 方向 。
动滑轮
(1)滑轮的轴随物体上下移动。
(2)动滑轮为 抗力点 在中间的一种杠杆变形。
(3)因为施力臂是抗力臂的 2 倍,所以施力=
抗力。
(4)使用动滑轮,可以省力但费时,若绳子往上拉L的长度时,重物W只上升
L的高度。
滑轮组
(1)将动滑轮和定滑轮联合使用,称滑轮组。
(2)滑轮组可以省 力 ,也可改变力的 方向 。
(3)输入滑轮组的功 等于 重物重力位能的增加。
5.斜面
(1)构造:
任何与水平成一角度的平面,均称为斜面。
(2)公式:
沿斜面上推之力(或物体所受下滑之力)
=
×物重→F=
×W
(3)目的
a.物体受力F沿斜面位移L,所作的功为F.L,这个功不管斜面的坡度如何,都会 等于 物体重力位能的增加mgh,即F.L=mgh=W.h。
b.斜面的长度L大于高度h,受力F小于物重W。
c.斜面是一种省力费时的简单机械。
(4)应用
a.山路常做成「Z」字形的回旋山路,目的在增加斜面的 长度 ,以求省力。
b.高楼的楼梯反覆盘旋,目的在增加斜面的长度,以求省力。
c.无障碍坡道也是一种斜面。
d.刀子或斧头都是斜面应用的装置,当用斧头劈向木材,刀刃的两斜面,产生较
大 的分力,而将木材一分为二,所以我们能用较小的力,切开物体。
e.螺丝、附螺纹的瓶盖螺旋是斜面应用的装置,所以我们能用较小的力锁住物体。
螺丝纹路间隔愈小(即螺纹较密集),则愈省 力 ,相当于坡度愈缓的斜面。
▲斜面绕成螺旋示意图
(C)1.有关螺旋的叙述,下列何者错误?
(A)它是斜面的一种应用(B)是一种省力的装置
(C)螺纹愈密,使用时愈费力(D)需旋转的瓶盖是螺旋的运用
(C)2.如图,将光滑斜面上的物体,等速提升时施力F1、F2大小关系为何?
(A) F1>F2
(B) F1<F2
(C) F1=F2
(D)无法判断
(D)3.如图所示,沿一光滑斜面施力 F,将物体由斜面底端等速度拉到顶端,下列叙述何者正确?
(A)物体上升过程中,因为速度不变,所以位能保持不变
(B)施力 F 的大小等于物体的重量
(C)斜面高度固定,若斜面长度愈大,则施力 F 愈大
(D)斜面长度固定时,斜面高度愈大,施力 F 愈大
(B)4.如图,若三种装置之力对物体皆作功 800 焦耳后,则物体等速上升的高度关系为何?
(动滑轮重及摩擦力不计)
(A)甲>乙>丙(B)甲=乙=丙
(C)甲<乙<丙(D)甲<乙=丙
(A)5.如图为一轮轴,其轮与轴半径比为4:
1,若无摩擦力,则施力大小F应为多少方能将物提升上去?
(A) 5 kgw
(B) 10 kgw
(C) 40 kgw
(D) 80 kgw
(C)6.关于各种机械装置的叙述,下列何者正确?
(A)支点在中间的杠杆一定较省力
(B)抗力点在中间的杠杆一定较费力
(C)使用动滑轮较省力但费时
(D)分别用4米与6米长的斜面,将物体推高2米,两者所需的力相等
第
3章 综合学习评量
(C)1.体积相同的铅球与乒乓球自 10 m 高处自由落下,如图所示,不计任何阻力,下列何者正确?
(A)两者落地时的动能相同
(B)地板所受两者的力量相同
(C)两者落地时的速度相同
(D)若是落在沙地上,两者凹陷程度相同
(B)2.如图为一单摆,摆锤由A点静止释放,摆动路程为A → B → C → D …,Q为一固定之细棒挡住摆绳之运动,不考虑任何摩擦,则摆锤会荡至多高处?
(A) G
(B) F
(C) E
(D) D
(C)3.(甲)门扭;(乙)螺丝起子;(丙)汽车方向盘;(丁)钉拔子;(戊)杆秤秤物。
以上应用到力矩的原理的是哪些?
(A)乙丙(B)丁戊
(C)甲乙丙丁戊(D)甲乙
(D)4.推 10 公斤重的皮箱,使它在水平地面上等速移动 5 米,已知摩擦力为 20 牛顿,则手至少须作功多少焦耳?
(A) 5(B) 10(C) 20(D) 100
5.如图,订书机上OA长8公分,AB长4公分,试问:
(1)当在B处往下施力2公斤重时,A处作用于纸张的力为多少公斤重。
答:
3 。
(2)钉书针的针头面积共 0.01 平方公分,若要穿透一叠纸张,至少要压力 600 公斤重/平方公分,则在 B 处应施力多少公斤重?
答:
4 。
6.如图,一质量为 2 kg 的圆球自 A 点沿光滑斜面自由滑下至 B 点时,在 BC 粗糙的水平面受到摩擦力作用,滑行 10 米后停止于 C 点。
试回答下列问题:
(设重力加速度 g=9.8 m/s2)
(1)球在 A 点所具有的位能为多少焦耳?
答:
C 。
(A) 0(B) 49(C) 98(D) 196
(2)球在 B 点所具有的动能为多少焦耳?
答:
C 。
(A) 0(B) 49(C) 98(D) 196
(3)圆球从 B 点到 C 点的能量变化情形,何者正确?
答:
D 。
(A)动能增加,重力位能减少
(B)动能增加,重力位能不变
(C)动能减少,重力位能减少
(D)动能减少,重力位能不变
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