合歡山上飄起一場雪 小豪開車帶著小美前往山區賞雪 但在路途中 轎車的輪胎陷入雪堆 無法向前行駛 此時雪地救援車即時來幫助轎車脫離雪堆 帶領轎車向前行駛 你可以思考幾個問題 為什麼雪地救援車可以幫助轎車脫離雪地呢？ 救援車是如何將能量傳遞出去呢？ 雪地的受困車輛如何獲得動能脫離雪地呢？ 我們先複習高一物理中「作功」的定義 作功即為能量轉換的過程 也可說是對某物體輸出或輸入的量 回到雪地拉車的情境 假設第一種情況 雪地救援車以F的拉力施予轎車 向前推x的位移 第二種情況 雪地救援車以2F的拉力施予轎車 也是向前推x的位移 我們試想看看 何種情況雪地救援車對轎車輸入較大的能量？ 第二種情況以2F的力拉動轎車 會使轎車向前的能量較多 因此 在相同的x位移情況下 施力F越大 意即對物體輸入的量就越多 代表作功量值越大 也就是說明 作功與力大小成正比關係 接著 若此時救援車施予相同F的力 第一種情況為轎車向前x的位移 第二種情況為轎車向前2x的位移 再試想想看 何種情況下 救援車對轎車輸入的量較多？ 一樣是第二個位移較多的情境下 會使轎車向前的能量較多 因此 在相同F力的情況下 位移x越大 意即對物體輸入的量就越多 代表作功量值越大 也就是說明 作功與位移大小呈正比關係 整理以上的發現 雪地救援車對轎車所輸入的量 也就是作功 與施力大小F 以及同一直線上的x位移成正比關係 因此 在科學上的功定義為 施力大小F與同一直線上的x位移的乘積 也就是W等於F乘以x 其中功為能量的轉換 所以單位為焦耳 力的單位為牛頓 位移的單位為公尺 那功具有哪些特性呢？ 功是對物體輸出或輸入的量多寡 因此 功雖然是純量的物理量 但卻具有正、負之分喔 對物體作正功 代表施力與位移皆為同方向 結果會是物體得到能量 若施力與位移兩者是相反方向 也就是對物體作負功 結果會是物體失去能量 我們現在試想看看 在無摩擦的桌面上 給予物體作正功後 會觀察到哪些現象呢？ 若給予物體作負功 則又觀察到什麼現象呢？ 我們看到正功的情況 會使物體動能增加 而負功的狀況下 會使物體動能減少 因此 我們這邊所說的功會造成能量變化 其實就是動能變化喔 功有正、負之分 分別表示對物體給予能量與消耗能量 但也有可能對物體既不作正功也不是負功 即是零功 有三種情況會發生零功 第一 不施力F=0 例如 一物體未受力 物體不具有能量轉移 第二 無位移x=0 例如 一物體有受力 但仍然靜止 因此物體也未獲得能量 第三 力與位移方向相互垂直 例如 手提書包向前行走 但書包的動能沒有變化 我們來統整今天的學習內容吧！ 功即為對物體輸出／入的能量 是一純量 並無方向之分 但功具有正、負值 正功發生在物體受力與位移同向 表示物體得到能量 負功發生在物體受力與位移反向 表示物體失去能量 零功發生情況 受力為零、位移為零 或是受力方向與位移方向相互垂直 表示物體並未失去與得到能量 作功也可以用來說明簡單機械的原理 像是常聽說利用槓桿能達到省力效果 但天下有白吃的午餐嗎？能量可以無中生有？ 例如 取一薄木板當作槓桿的工具 將一個12公斤重物置於槓桿的一端 此端距離支點的水平距離為1公尺 而施力端距離支點的水平距離為2公尺 此時在施力端僅需施6公斤重的力 即可將重物向上提起 由相似三角形可知 重物上升0.5公尺的話 則需向下施力1公尺 此時可以注意到 重物的重力量值與位移的乘積 等於施力量值與位移的乘積 皆是6公斤重公尺 我們可以發現 簡單機械雖能達到省時或省力的功用 但輸出的量 即作功的量值皆相同 最後 我們來思考一下 水上樂園中 有三種長度相同、垂直高度不同的滑水道 假設小均搭乘此三種滑水道設施時 體重皆未改變 且溜下的位移皆相同 但為何小均在划水道的底端時 速率會不同呢？ 意即透過重力作功的情況下 小均得到的動能為何有所差異呢？ 答案會在下一支影片揭曉囉 歡迎在留言告訴我們你的想法 下次見囉！Bye bye!