教育 物理

觀念物理:簡單機械之功與能

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撰文者:張慧貞 (國立彰化師範大學 物理學系物理教育組 教授)
發文日期:2019-05-06
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  • 「功能定理」是一項很讓人困擾的主題,本專欄曾探討「跑步機上的功與能」,詳細剖析了,為何跑者原地不動,仍需耗費能量對輸送帶作正功?本單元,讓我們進一步探討簡單機械的「功能定理」,包含:滑輪、槓桿、及滑車,所涉及的作功能量變化



    小試身手  

     

    試題-圖1
    圖1:滑輪的力與作功


    1. 有一個人以700N的力向下拉繩子,在另一端有一台重1200N的鋼琴(如圖1),忽略滑輪質量,則鋼琴上繩子的P點張力為多少N?
        (A)200  (B)700  (C)1200  (D)1400  (E)2600

    2. 承上題,當鋼琴移動了2.0m的過程中,此人對鋼琴所作的功為何?
       (A)1400J   (B)2400J   (C)2800J

     

    試題-圖2
    圖2: 槓桿的力與作功


    3. 承上題,此人對鋼琴所作的功(W),與鋼琴所增加位能(圖4: U)的關係,應如何?
       (A)W >
     ∆U  (B)W <  ∆U  (C)W =  ∆U  

     

    4. 根據圖2,為了提起左側重量為Fg之重物,人至少需施力(F)於槓桿之右側,則Fg與F之大小關係為何?
       (A)F > Fg  (B)F < Fg  (C)F = Fg

    5. 承上題,若以最小能抬起重物的外力F,將物體抬起h高度,則此外力對物體作功(work)應如何?
       (A)work > F×h  (B)work < F×h  (C) work = F×h

     

    圖3
    圖3: 丟球驅動滑車


    6. 承上題,重物所增加的位能( ∆U),與外力作功(work)的大小,關係如何?
     (A)
     ∆U > work  (B) ∆U < work  (C) ∆U = work

     

    7. 如圖3所示,一人站在靜止的滑車上,將手上的皮球丟出。皮球彈到滑車的牆上後,滑車會向左運動,而球則反彈向右飛出。則[滑車+人]所獲得的動能(Ek人+車),與此人的手對球作功(W手→球)的關係為何?
      (A) Ek人+車 > W手→球  (B) Ek人+車 < W手→球 (C) Ek人+車 = W手→球

     

    8. 承上題,皮球撞擊滑車牆壁的過程,兩者間的正向力,分別對滑車及對皮球,所作的功應如何?
     (A)對滑車作正功、對球作負功  (B)對滑車作負功、對球作正功  
     (C)皆作正功  (D)皆作負功  (E)皆不作功

    試題-圖4
    圖4: 推牆後退
     


    9. 如圖4,一人靜止站在滑車上,以手推牆壁使自己加速後退,則此人所受牆壁的正向力作功,應如何?
       (A)作正功  (B)作負功  (C)不作功

    10. 承上題,人的腳與滑車之間的摩擦力,分別對人及車的作功,應如何?
       (A)對人作正功、對車作負功  (B)對人作負功、對車作正功  
       (C)皆作正功  (D)皆作負功  (E)皆不作功

     


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    詳解與剖析

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