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功與功率重點筆記

一、功(Work)的概念

1. 功的定義

功是對物體所做的作用,使物體產生位移的物理量。

功的單位:焦耳(J,joule)

2. 功的公式

在力與位移方向相同時:

$$W = F \times S$$

其中:

3. 功的特性

二、功率(Power)的概念

1. 功率的定義

功率是單位時間內所做的功的量。表示做功的快慢。

功率的單位:瓦特(W,watt)

2. 功率的公式

$$P = \frac{W}{t}$$

也可以寫成: \(P = \frac{F × S}{t}\) = \(\frac{m × a × S}{t}\)

其中:

補充說明:

常見應用例子

例題

1. 小明以20N的力推動一箱50公斤的貨物,在光滑的水平面上移動4公尺,求小明對貨物總共作了多少功?

(A) 40焦耳
(B) 60焦耳
(C) 80焦耳
(D) 100焦耳
👉看解答

答案:C

解析:

功 = 力 × 位移

$$W = F \times S = 20N \times 4m = 80J$$

注意:因為是在光滑水平面上,所以只需考慮推力做的功。

2. 下列關於功率的敘述,何者錯誤?

(A) 功率的單位可以是焦耳/秒
(B) 1瓦特等於1焦耳/秒
(C) 功率越大表示單位時間內作功越多
(D) 同樣的功,時間越長,功率越大
👉看解答

答案:D

解析:

功率 = 功/時間,$$P = \frac{W}{t}$$

由公式可知,在功相同的情況下,時間越長,功率反而越小。

3. 一部電梯可以在10秒內將一位80公斤的乘客上升20公尺,重力加速度為10 m/s²,請問電梯的功率為多少瓦特?

(A) 1600瓦特
(B) 1800瓦特
(C) 2000瓦特
(D) 2200瓦特
👉看解答

答案:A

解析:

1. 先算出重力:$$F = mg = 80 \times 10 = 800N$$

2. 算出功:$$W = F \times S = 800N \times 20m = 16000J$$

3. 算出功率:$$P = \frac{W}{t} = \frac{16000J}{10s} = 1600W$$

4. 在下列哪種情況下,外力對物體所做的功為零?

(A) 提著書包原地踏步
(B) 將書包舉起放在桌上
(C) 推著書包在地上滑行
(D) 以等速度將書包向上拉
👉看解答

答案:A

解析:

功 = 力 × 位移,要做功必須要有位移。

原地踏步時雖然有施力,但沒有位移,所以做的功為零。

其他選項都有位移發生,且力的方向與位移方向不垂直,所以都有做功。

5. 在水平地面上,小沖以大小相同的水平力分別推動質量為5公斤與10公斤的貨物10公尺,水平力的方向與貨物位移的方向相同。若小沖對此兩貨物所作的功分別為W₁與W₂,則下列何者正確?【109.會考補考】

(A) 4W₁ = W₂

(B) 2W₁ = W₂

(C) W₁ = 2W₂

(D) W₁ = W₂

👉看解答

解析:

答案:D

1. 在水平面上推動物體時,功的大小由以下因素決定:

2. 功的計算:

$$W = F \times s$$

3. 重要觀念:

4. 結論:

因為力相同(F相同)、位移相同(s = 10m),所以W₁ = W₂

答案:(D) W₁ = W₂

5. 補充說明:

這題容易誤認為質量較大的物體需要做更多功,但實際上在水平面上,只要位移相同、推力相同,做功就相同,與物體質量無關。這是因為重力與正向力互相抵消,不需要額外的功來克服重力。

7. 一個質量為10 kg的木塊置於水平桌面,木塊同時受到F₁、F₂兩個大小固定的外力,F₁的大小為10N,方向水平向右;F₂的大小為5N,方向鉛直向上。若施力過程中,木塊僅水平向右移動1m,如圖所示,則此過程中F₂對木塊的作功應為多少?【111.會考補考】

10 kg F₁ = 10N F₂ = 5N 1 m

(A) 0J

(B) 5J

(C) 10J

(D) 15J

👉看解答

答案:A

解析:

1. 計算功時需要考慮:

2. 關鍵概念:

3. 計算F₂做的功:

答案:(A) 0J

4. 補充說明:

當力的方向與位移方向垂直時,這個力不做功。這是因為這個力沒有在位移方向上產生任何作用。在本題中,F₂雖然對木塊有作用力,但因為它與水平位移方向垂直,所以做功為0。