Transcript 第 十七 章 物質與能的世界 17-1 對物質的探索 物質的定義：占空間、具質量者  受地心引力作用而具有重量（W = mg） 物質的三態（三相） 1.固體：有一定形狀和體積 2.液體：沒有一定形狀和但有一定體積 3.氣體：沒有一定形狀和體積 物質的組成 1.古希臘觀點：組成所有物質的四個元素  水  氣  土  火 2.道耳吞原子說：物質由原子組成（19世紀初，英國） 3.輻射的發現  X射線（X光）：德國人侖琴發現（西元1895年）

第 十七 章
物質與能的世界
17-1 對物質的探索
物質的定義：占空間、具質量者
 受地心引力作用而具有重量（W = mg）
物質的三態（三相）
1.固體：有一定形狀和體積
2.液體：沒有一定形狀和但有一定體積
3.氣體：沒有一定形狀和體積
物質的組成
1.古希臘觀點：組成所有物質的四個元素
 水  氣  土  火
2.道耳吞原子說：物質由原子組成（19世紀初，英國）
3.輻射的發現
 X射線（X光）：德國人侖琴發現（西元1895年）
17－1 對物質的探索
物質的組成
3.輻射的發現
 X射線（X光）：德國人侖琴發現（西元1895年）
 具穿透性（肉眼不可見），用於醫療及檢測
（西元1901年第一屆諾貝爾物理獎得主：侖琴）
 放射線發現：法國人貝克勒（西元1896年）
 鈾的鹽類放出放射線（似X光），使底片感光
4.電子的發現：英國人湯木生（西元1897年）
5.某些不穩定原子核會放出放射線
 法國人居禮、居禮夫人及紐西蘭人拉塞福研究
 拉塞福的『原子模型』
6.質子的發現：拉塞福
7.中子的發現：查兌克
17－1 對物質的探索
偉大的科學家：
 X射線的發現者：德國人侖琴
侖琴
第一張 X光片
17－1 對物質的探索
原子結構
1.原子由原子核與核外電子構成
2.原子核由質子與中子組成
1.電性：
 電子  質子 中子
2.質量：
質子中子>電子（1840倍）
3.原子序＝質子數
 決定了元素的種類
4.質量數＝質子數＋中子數
 約略等於原子的質量
元素名
元素符號
原子序
質子數
中子數
碳
C
6
6
鋁
Al
13
14
電子數
質量數
17－1 對物質的探索
同位素：質子數相同，但中子數不同的原子
 表示法如下：
eg.這些中子數不同的氧原子雖化學性質相似，但原子質量卻
不相同。
質量數
原子序
A
原子核衰變：
不穩定的同位素原子核，
會放出放射線（、、），
直到變成穩定的元素為止，
此過程稱為『衰變』
17－1 對物質的探索
放射線三種類：拉塞福發現
放射線
（阿伐）
本質
氦原子核
（2質子2中子）
（貝他）
高速電子束
（加馬）
電磁波
（類似X射線）
電性
穿透力
正電
一張紙可阻隔或在空氣中
前進數公分
負電
不能透過3mm的鋁片
不帶電
100公分以上鋼筋混凝土牆
或約20公分厚的鉛版能將
其強度減弱至萬分之一
4
2
氦原子核
He
17－1 對物質的探索
放射線用途
1.煙霧警報器
 內含有微量放射性元素鋂-241，產生 射線使
內部空氣中的氧或氮氣失去電子，而使其內的
平行極板形成通路。當發生火災時，若煙霧進
入警報器，平行極板形成斷路，警鈴就會響起。
2.碳-14定年法
 用碳-14衰變後的殘餘量推測出土物體年代
3.鈷-60癌症治療
 用產生的  射線治療
4.農業用途
241
95
Am
14
6
C
60
27
Co
17－1 對物質的探索
範例
16
17
18
eg1.關於 8 O 、 8 O、 8 O 三原子的敘述，何者錯誤？（ ）
 三者都屬於氧原子
 三者化學性質相同
 三者質子數不同
 三者中子數不同
eg2.、、三放射線，回答下列問題：
 穿透力的強弱順序？
。
 以3mm的鋁片阻擋，何者能被阻擋？
。
eg3.如右的元素表示法，可知鈾原子核：
238
 質量數＝
 質子數＝
。
92
 電子數＝
 中子數＝
。
234
eg4. 238
放射出一個
粒子後，為何衰變成
？【補充】
U
92
90Th
U
17- 2 能的形式與能的轉換
能量：做功的本領
1.光、電、熱能…，能量之間可以互相轉換
2.能量守恆定律：
 能量不會無中生有，也不會消失，只是由一種
形式的能量轉換成其他形式的能量，但能量的
總值維持不變
能量的形式
1.化學能
2.動能
3.位能
4.熱能
5.電能
6.光能
7.聲能
8.核能
17－2 能的形式與能的轉換
能的形式解說
1.化學能：物體內部儲存的能量，藉化學反應釋放
eg.食物、酒精、木材、瓦斯（天然氣或液化石油氣）、
汽油、煤、電池…
2.動能：運動中的物體具有的能量
 同一物體的運動速率愈快，其動能愈大
eg擺動的鐘、運動中的子彈…
3.位能：
（1）重力位能：物體高度愈高，位能愈大
（2）彈力位能：施力於弓弦（彈簧）時儲存
eg.玩溜滑梯時，由高處下滑，重力位能轉變為動能及摩
擦產生的熱能
eg.射箭時，拉弓時彈力位能儲存，放開時，漸次轉成動
能將箭射出
17－2 能的形式與能的轉換
能的形式解說
4.熱能：物質發生變化常伴隨熱能產生
eg.H＝msT
5.電能：
6.光能：輻射能的一種形式
eg.太陽光、…紅外線、紫外線等不可見光具有能量
7.聲能：
eg.聲音共鳴  證明『聲音能傳遞能量』
8.核能（原子能）：最強大的能量
eg.太陽、核電廠
能量守恆定律
在質量一定的情形下，能量雖經轉換，但能量總值
維持不變
17－2 能的形式與能的轉換
能量形式圖說一
17－2 能的形式與能的轉換
能量形式圖說二
音叉共鳴的條件？
。
化學能  光、熱能
電能  聲能、熱能
電能
電能 
 光、熱能
光能、熱能
17- 3 功與能
功（Work）涵義：
 因外力施於物體，造成物體能量變化
A
B
思考：物體受外力 F，為何有力的二大效應？
（1）物體運動
：物體自外界得到能量
（2）物體運動
：物體失去能量
（3）物體維持
：沒有能量增減
施力體
簡單的說：
功就是
。
17- 3 功與能
功傳遞了嗎？【物體收到能量了嗎？】
 要看
而定。
 F對車做功？
。
 F1對車做功？
。
 F2對車做功？
。
人以外力 F 的拉力拉一拖車，使之水平移動 S 位移
 車子並沒有在施力 F的方向上有位移，而是在水平方向上
 車子自外界得到能量（功）了嗎？
 真正使車子向水平移動的力是
。【由
而得】
此人對車子作功【
】
17－3 功與能
功（W）的定義：作用力與沿力方向上位移之乘積
功  力 物體沿力方向的位移
W  F S
功的單位：能量單位
（1）N.m＝牛頓.米＝焦耳＝J
（2）kgw.m＝公斤重.米
（3）gw.cm＝公克重.公分
1.試推演「牛頓.米＝焦耳」的過程？
2.你還學過哪些能量單位？
牛頓或公斤重、公克重
公尺或公分
17－3 功與能
功的正、負、零值：功非向量，但有正負
 表示了受力體與施力體間的能量傳遞方向
（1）正功：物體
能量  運動愈快
F
W＝F X S
S
（2）負功：物體
F
（FS 指向平行同向）
能量  運動愈慢（eg.摩擦力）
W＝－F X S
S
（FS 指向平行反向）
（3）零功：物體
能量
 F＝0 時  S＝0（在 F沿線上沒有位移時 ） FS
 都視為『沒有做功』的情形
17－3 功與能
功的圖說
圓周運動
17－3 功與能
功的運算範例
eg1. （
）阿鈞搬運相同質量的行李上四樓，第一次花了2
分鐘，第二次花了3分鐘，則下列敘述何者正確？
ˉ
(A)第一次搬運作功較多ˉ(B)第二次搬運作功較多ˉ
(C)兩次搬運作功相同ˉ(D)兩次作功皆為0。
eg2.如下圖，以下列三種不同的方式，將某物體由一處移至另
一處，試求施力對物體所作的功？
F＝100N
F＝50N
3m
10 m
3m
F＝30N
17－3 功與能
作業
eg1.用5kgw的力將2kgw的物體往上提升5m，則(1kgw＝9.8N)
 施力作功
J。 重力作功
J。
eg2.阿鈞以10N的力背著自己的書包往前走了10m，接著走上
6m高的頂樓，則阿鈞對書包所作的功為
J。
eg3.換算：1Kgw.m=（
）N.m＝（
）J。
eg4.小鈞以水平方向的力，推動40Kg物體，一起以1m/s等速
前進10m，若摩擦力4N，則：
 小鈞作功？
。  摩擦力作功？
。
 重力做功？
。  合力作功？
。
eg5.判斷功的正負零：
 重力對下落的物體作功  向心力對作圓周運動物體
 擺繩拉力對擺錘作功
 重力對上拋物體作功
 重力對上升中的擺錘作功  物在平面等速，合力作功
 浮力對下沉中的物體  摩擦力作功  手提物不動
17－3 功與能
動能（Ek）：物體因
所具有的能量
 有
者，即有動能（EK  m； EK  V2 ）
1
動能 
質量 速率平方
2
1
EK 
mV 2
2
動能單位：焦耳（J）＝ Kg m2 s2
 計算時，代入值單位限制：
 m用
 V用
。
Q 小問題
1. 物體5公斤，速率10m/s，其動能
焦耳。
2. 物體2公斤，自78.4公尺自由下落，求著地時動能
焦耳。
17－3 功與能
位能（U）：物體因
 位能就是【
所具有的能量
】
位能  質量重力加速度 垂直高度
U  mgh
位能單位：焦耳（J）＝ Kg m2 s2
 計算時，代入值單位限制：
 m用
 g用
 h用
。
mg
h
。
位能的形式：重力位能、彈力位能
Q 小問題
1. 物體5公斤，距地面10公尺，具位能
焦耳。
2. 物體1公斤，在水平面上運動2公尺，具位能
焦耳。
17－3 功與能
能量的守恆：說明了能量間能夠互相轉換
 重力作用下，動能與位能的總和為定值
eg.外力對物體所作的功
因：
。
eg.摩擦力對物體所作的功
因：
。
eg.在高處的重物將木樁打入地下
因：
。
eg.在高處下落的物體，速率愈來愈快
因：
。
eg.在斜面自由滾下的物體，速率愈來愈快
因：
。
eg.單擺從最高處自由下滑，速率愈來愈快
因：
。
17－3 功與能
能量的互相轉換說明例
eg1.說明以下動能、位能的變化情形？
 上拋物體的運動過程：EK
；U
。
 自由落體的運動過程：EK
；U
。
 水平面上加速運動的車： EK
；U
。
 在同高度等速飛行的飛機： EK
；U
。
 單擺的運動過程：
A  C： EK
；U
。
C  E： EK
；U
。
17－3 功與能
等加速度運動公式
t 秒間隔
外力 F
m
V1
V
t
2 V2  V1  at
1
加速度 a
m
X=S
一昧死記公式，
倒不如全忘了它！
V2
a
1 2
3 X  V1t  at
2
4 V2 2  V12  2aX
V1  V2
5 V 
2
6 X  Vt
(7) F  ma
(8) W  FS
1
(9) EK  mV 2
2
(10) U  mgh
17- 4 簡單機械
機械：助人作功的裝置
 只是
能量，機械本身不生能量也不省能量
機械使用目的 （施力F；抗力W）  絕不能省功
（1）省力（費時）
 F ＜ W
（2）省時（費力）
 F ＞ W
（3）方便（改變施力方向）  F ＝ W
17－4 簡單機械
機械的角色：能量傳遞者
 工作原理：遵循
定律
W1
W2
人外力
機械
W1：人之外力對機械作功（輸入能量）
W2：機械對物體作功（輸出能量）
（1）在無機械阻力下：
W1＝W2
外力對機械作功＝機械對物體作功
（2）在有機械阻力下：W1＞W2
W1＝W2＋熱能
物體
17－4 簡單機械
機械如何傳遞能量
若人施外力 F，下壓槓桿 L公尺，能將物體抬高 h 公尺
（物體重量 W公斤重，物體質量 m公斤）
外力對機械作功＝機械對物體作功＝物體提昇之位能
F L  W  h  m g h
17－4 簡單機械
槓桿討論  比較 F與 W之大小，決定機械目的
（1）支點在中區的槓桿：省力與否由比值d1/d2決定

W
d1
上升 h 公尺
d2
F
F：施力；W：抗力
d1：抗力臂
d2：施力臂
下拉 L 公尺
 A關係 F  d2  W  d1
d1
F
W
d2
B關係 F  L  W  h
1. 試討論上述d1/d2 比值的大小（＞1；＜1；＝1），來了解此
型槓桿的機械目的為何？
17－4 簡單機械
槓桿討論  比較 F與 W之大小，決定機械目的
（2）施力在中區的槓桿：必省時（費力）
d1
F
上拉 L 公尺

d2
W
F：施力；W：抗力
d1：抗力臂
d2：施力臂
上升 h 公尺
 A 關係 F  d2  W  d1
d1
 1
d2
 F W
B關係 F  L  W  h
d1
F
W
d2
17－4 簡單機械
槓桿討論  比較 F與 W之大小，決定機械目的
（3）抗力在中區的槓桿：必省力（費時）
F
上拉 L 公尺
d2

F：施力；W：抗力
d1：抗力臂
d2：施力臂
d1
上升 h 公尺
W
 A 關係 F  d2  W  d1
d1

1
d2
d1
F
W
d2
 F W
B關係 F  L  W  h
17－4 簡單機械
槓桿應用圖示
17－4 簡單機械
槓桿圖解
17－4 簡單機械
輪軸圖示：是槓桿的變形
17－4 簡單機械
輪軸裝置：
（1）構造：兩個半徑不等
的圓輪，固定在同一
轉軸
 大圈叫輪。
 小圈叫軸。
 輪轉一圈，軸轉
圈。
（2）輪半徑 R、軸半徑 r
 R＞r
抗力W
施力F
17－4 簡單機械
輪軸討論：
（1）施力在輪上
 省力（費時）
（2）施力在軸上
 省時（費力）
抗力W
上升 h 公尺
 A 關係 F  R  W  r
r
F  W
R
r
 1
 F W
R
B關係 F  L  W  h
施力F
下拉 L 公尺
17－4 簡單機械
輪軸應用：喇叭鎖、方向盤、螺絲起子
17－4 簡單機械
滑輪圖示：是槓桿的變形
（1）定滑輪：操作方便  F＝W；L＝h
（手上拉1公尺；物體上升1公尺 ）
（2）動滑輪：必省力
 F＝1/2 W；L＝2h
（手上拉2公尺；物體上升1公尺 ）
定滑輪
動滑輪
17－4 簡單機械
滑輪討論：（忽略滑輪重）
 A 關係 F  r  W  r
FW
B關係 F  L  W  h
L h
 A 關係 F  2r  W  r
1
F W
2
B關係 F  L  W  h
L  2h
17－4 簡單機械
斜面圖示：
金子塔如何造成的？
楔形（劈）
17－4 簡單機械
斜面討論：必省力
W
斜面長 L
施力F
斜面高 h
人沿光滑斜面施水平力 F，將 W公斤重物體，推至斜面頂。
（斜面長 L公尺；斜面高 h公尺）
外力對機械作功＝機械對物體作功＝物體提昇之位能
h
斜面高
B關係 F  L  W  h  F   W 
 物重
L
斜面長
h
h
 1  F W  必省力 比值愈小愈省力
L
L
17－4 簡單機械
斜面應用：樓梯、蜿蜒山路、螺絲、瓶蓋、刀刃口
螺紋密
螺紋疏
哪種紋路的螺絲比較省力？
楔形（劈）
哪個斜面比較好爬？
17－4 簡單機械
簡單機械範例
eg1.區別以下機械種類及判斷其省力或省時：
 球棒  螺絲起子  斜面
 輪軸
 釣竿
 羽毛拍  動滑輪  釘書機  方向盤  螺絲
eg2.分以Fa、Fb、Fc外力將60 Kgw物體（如下），抬高2 m：
（1）最少須施力？
Fa＝
Kgw、Fb＝
Kgw 、Fc＝
（2）三力對物體作功何者最大？
Kgw 。
。
17－4 簡單機械
簡單機械範例
eg3.輪軸裝置如圖，欲吊起40 kgw之物體：
（1）施力F＝
Kgw。
（2）施力下拉1m時，物體上升
m。
（3）當輪轉 5圈時，軸轉了
圈。
（4）這個機械是省力還是費力？
。
eg4.如圖的滑輪，回答下列問題：
（1）三者至少應施力多少可舉起物體？
（2）若此三作用力往上或往下拉 4公尺，物體將各上升
多少公尺？
17- 5 能源的利用與開發
能源的利用：
 能量經轉換後，只會減少（熱能散失），不會增加
（1）煤：古代植物形成，主要成分是
。
含碳成分愈高、含水..等愈低，煤質愈好
（2）石油：古代動植物形成，成分是
（3）天然氣：古代動植物形成，主要成分是
（4）核能：
能源的開發
（1）汽電共生系統
（2）水力、風力、火力
（3）太陽能
（4）地熱
（5）潮汐
。
。
17－5 能源的利用與開發
衰變：不穩定的原子核會放出放射線，直到變成
穩定的元素
A

B

放射線
(衰變前的原子核 ) ( 衰變後的原子核 ) (   或 射線)
質能互換公式：衰變減少的質量可以轉變成能量
 西元1905年愛因斯坦提出
1.光速C＝3 ×108 m/s
2.單位限制：m用Kg；C用m/s  E 的單位：焦耳J
E  mC 2
能量  減少的質量光速的平方
Q 小問題
1.1公克的物質若完全轉換成能量，相當於
焦耳。
17－5 能源的利用與開發
質能互換公式
鈾
17－5 能源的利用與開發
核能發電
1.利用核反應器中連鎖反應產生的熱能來發電
2.核反應：核分裂
3.核反應器燃料：3 ﹪的鈾-235
 慢中子撞擊鈾-235 使原子核發生連鎖反應
連鎖反應
U-235
分裂
U-235
17－5 能源的利用與開發
核能發電－沸水式反應爐
1.反應爐：碳鋼合金（ 18cm 厚）
2.圍阻體：鋼筋混凝土（ 1 ~ 2m 厚）
17－5 能源的利用與開發
核分裂與核融合
17－5 能源的利用與開發
發電圖示
蒸汽
渦輪機
核
能
發電機
火
力
蒸汽
17－5 能源的利用與開發
能源開發圖示
17－5 能源的利用與開發
火力發電圖示
煙囪
汽輪機
電力輸出
高壓蒸汽
鍋爐
發電機
蒸汽
海水
煤粉
冷凝器
凝結水
鍋爐給水閥
17－5 能源的利用與開發
水力發電圖示
水
壩
取水口
送電
鐵塔
變
電
所
發電廠
主變
壓器
放水口
水輪機
17－5 能源的利用與開發
太陽能發電圖示
17－5 能源的利用與開發
潮汐發電圖示
退潮時
漲潮時