17-1 對物質的探索

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

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電子數質量數碳 C 6 6

鋁 Al 13 14

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。

A質量數原子序

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

放射線本質電性穿透力

（阿伐）氦原子核

（ 2 質子 2 中子）

正電一張紙可阻隔或在空氣中前進數公分

（貝他）高速電子束負電不能透過 3mm 的鋁片

（加馬）電磁波

（類似 X 射線）

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

He42

氦原子核

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 Am241

95 C146 Co60

27

17 － 1 對物質的探索範例 eg1.關於、、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：質量數＝質子數＝。電子數＝中子數＝。 eg4. 放射出一個粒子後，為何衰變成？【補充】

U23892

U23892 Th234

90

O168 O17

8 O188

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 ＝ msT 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？。音叉共鳴的條件？。

電能光、熱能電能光能、熱能電能聲能、熱能化學能光、熱能

17- 3 功與能

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

功施力體簡單的說：功就是。

簡單的說：功就是。

功（ Work ）涵義：因外力施於物體，造成物體能量變化

17- 3 功與能功傳遞了嗎？【物體收到能量了嗎？】要看而定。

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【】

F 對車做功？。 F1 對車做功？

。

F2 對車做功？

。

F 對車做功？。 F1 對車做功？

。

F2 對車做功？

。

17 － 3 功與能功（ W ）的定義：作用力與沿力方向上位移之乘積

SFW 物體沿力方向的位移力功SFW 物體沿力方向的位移力功

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

公尺或公分公尺或公分

牛頓或公斤重、公克重牛頓或公斤重、公克重

1.試推演「牛頓 .米＝焦耳」的過程？2.你還學過哪些能量單位？1.試推演「牛頓 .米＝焦耳」的過程？2.你還學過哪些能量單位？

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

（ 2）負功：物體能量運動愈慢（ eg. 摩擦力）

（ 3）零功：物體能量 F ＝ 0 時 S ＝ 0（在 F沿線上沒有位移時） FS 都視為『沒有做功』的情形

F S

W＝ F X S W＝ F X S

SF W＝－ F X S W＝－ F X S

（ FS 指向平行同向）

（ FS 指向平行反向）

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

3 m

F＝ 50N

6m

10 mF＝ 30N3 m

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ˉˉˉˉJ 。重力作功ˉˉˉˉJ 。 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ˉˉˉˉˉJ 。

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 ）

動能單位：焦耳（ J ）＝計算時，代入值單位限制： m 用 V 用。

2K mV

2

1E

速率平方質量21動能

2K mV

2

1E

速率平方質量21動能

22 smKg

Q 小問題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。

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 ）：物體因所具有的能量位能就是【】

位能單位：焦耳（ J ）＝計算時，代入值單位限制： m 用 g用。 h 用。位能的形式：重力位能、彈力位能

mghU 垂直高度重力加速度質量位能

mghU 垂直高度重力加速度質量位能

22 smKgh

mg

Q 小問題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。

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 。

mghU

mV2

1E

FSW

maF

tVX

2

VVV

2aXVV

at2

1tVX

atVV

a

2K

21

21

22

21

12

)10(

)9(

)8(

)7(

6

5

4

3

2

1t

V

mghU

mV2

1E

FSW

maF

tVX

2

VVV

2aXVV

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1tVX

atVV

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21

21

22

21

12

)10(

)9(

)8(

)7(

6

5

4

3

2

1t

V17 － 3 功與能等加速度運動公式

m m

X=S

V1 V2

t 秒間隔加速度 a

外力 F

一昧死記公式，倒不如全忘了它！一昧死記公式，倒不如全忘了它！

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

17 － 4 簡單機械機械的角色：能量傳遞者工作原理：遵循定律

人外力人外力機械機械物體物體

W1 W2

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

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

hgmhWLF hgmhWLF

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 F

d1 d2

下拉 L 公尺下拉 L 公尺上升 h 公尺上升 h 公尺

hWLFB

Wd

dFdWdFA

2

112

關係

關係

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？

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？

F ：施力； W ：抗力d1 ：抗力臂d2 ：施力臂


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）

W

Fd1

d2

上拉 L 公尺上拉 L 公尺

上升 h 公尺

上升 h 公尺



hWLFB

WF1d

d

Wd

dFdWdFA

2

1

2

112

關係

關係

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）

W

F 上拉 L 公尺上拉 L 公尺 d2

d1



hWLFB

WF1d

d

Wd

dFdWdFA

2

1

2

112

關係

關係

上升 h 公尺

上升 h 公尺

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：

施力 F

抗力W

（ 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

（ 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

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

施力 F

下拉 L 公尺下拉 L 公尺

上升 h 公尺

上升 h 公尺

hWLFB

WF1R

r

WR

rFrWRFA

關係

關係

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）

定滑輪定滑輪動滑輪動滑輪

17 － 4 簡單機械滑輪討論：（忽略滑輪重）

hL

hWLFB

WF

rWrFA

關係

關係

hL

hWLFB

WF

rWrFA

關係

關係

2hL

hWLFB

W2

1F

rW2rFA

關係

關係

2hL

hWLFB

W2

1F

rW2rFA

關係

關係

17 － 4 簡單機械斜面圖示：

金子塔如何造成的？

楔形（劈）楔形（劈）

17 － 4 簡單機械斜面討論：必省力

W

斜面高 h

斜面長 L

施力 F

W

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

比值愈小愈省力必省力

物重斜面長斜面高

關係

L

hWF1

L

h

WL

hF hWLFB

比值愈小愈省力必省力

物重斜面長斜面高

關係

L

hWF1

L

h

WL

hF hWLFB

17 － 4 簡單機械斜面應用：樓梯、蜿蜒山路、螺絲、瓶蓋、刀刃口

楔形（劈）楔形（劈）

哪個斜面比較好爬？哪個斜面比較好爬？

螺紋密

螺紋疏

哪種紋路的螺絲比較省力？哪種紋路的螺絲比較省力？

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 ＝ Kgw 。（ 2 ）三力對物體作功何者最大？。

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

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

)射線或衰變後的原子核 (衰變前的原子核放射線

( ) ( )

BA

光速的平方減少的質量能量 2mCE

Q 小問題Q 小問題1.1 公克的物質若完全轉換成能量，相當於焦耳。 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

分裂 U-235

U-235

連鎖反應

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

蒸汽蒸汽

蒸汽蒸汽

發電機發電機

渦輪機渦輪機核能

火力

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

煤粉

電力輸出

海水

汽輪機

蒸汽

冷凝器

煙囪

鍋爐

鍋爐給水閥

高壓蒸汽

凝結水

發電機

17 － 5 能源的利用與開發水力發電圖示

發電廠發電廠取水口

水壩

水輪機放水口

主變壓器

送電鐵塔

變電

所

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

退潮時退潮時

漲潮時漲潮時

17-1 對物質的探索

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