《科学与物理》PPT课件.ppt

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1、第章 諸論,0-1科學與物理,物理學是一切科學的根本，其研究的對象是屬於最基本的物質、能量、時間與空間的觀念及相互間的關係；其研究的範疇涵蓋力學、熱學、聲學、光學、電磁學、天文學及近代物理學等。因此物理學是工業技術的根本，也是科技的基礎，不論是培養科技專業人才，或是培養具有科學素養的國民，物理學是不可或缺的。,第章 諸論,0-2科學方法,科學上運用的方法，分為歸納法和演繹法兩種。所謂歸納法是對自然界的現象，經由觀察記錄、分析比較後，找出一個共同普遍性的原理原則。而演繹法是由已知的現象或原理原則為基礎，運用邏輯推理，去預測未知現象或將之應用到其他未知事物上，以解釋或解決間題。觀察證實實踐,第一章

2、 物理量及其單位,1-1現象觀察與觀測量,公制包含M.K.S制與C.G.S制，以及美制的F.P.S制。,第一章 物理量及其單位,1-2長度的量度與單位,1呎=12吋=30.48公分1吋=2.52公分,第一章 物理量及其單位,1-3質量的量度與單位,1公斤=2.2046磅1磅=0.4356公斤,第一章 物理量及其單位,1-4時間的量度與單位,太陽日：太陽連績兩次正對地球上某一處所經歷的時間。平均太陽日：將一年中各太陽日取其平均值，稱之。1秒的定義：一平均太陽日的86400分之一定為1秒。1日=1個平均太陽日=24小時=1440分=86400秒,第二章 運動學,2-1位置、靜止與運動,要描述物體的

3、位置有三個要件，即要有參考體（點）、距離、方向，三者缺一不可。,（行駛中的汽車，乘客相對於司機為靜止，但相對於路旁行人則為運動。）,第二章 運動學,2-2位移,就位移、距離和路徑三個基本名詞提出說明：位移：運動的起點位置指向終點位置的直線長度及方向，與所經路徑無關。距離：兩點位置的直線長度，只有大小，無方向性。路徑：物體運動所經過各點連接而成的軌跡。,-2+5 B O A,第二章 運動學,2-2位移,某質點由A移動到B，則其位移為：（位置B）-（位置A）=（-2）-（+5）=-7,第二章 運動學,2-3速度與速率,平均速度=位移時間平均速率路徑長時間,Vav=s2-s1t2-t1=stVav=

4、st,極短時間內的平均速率稱為瞬時速率（常稱為速率）為：lim s V=t 0 t,第二章 運動學,2-4加速度與等加速度運動,v（公里/小時）20 t（小時）1 2 3,第二章 運動 學,2-4加速度與等加速度運動,若有一物體，在一直線上以一定的速率運動，則此物體的運動，稱為等速度運動。所以等速度運動之物體，必沿直線運動，方向固定，任何時間內平均速度均一定，且均等於任一瞬間之速度。定義在（t2-t1）的這段時間內，車子的平均加速度aav為速度的平均變化率，即aav=V2-V1 t2-t1=V t,第二章 運動學,2-4加速度與等加速度運動,一個運動中的物體，其速度隨時間而改變，我們說這個物體

5、在作加速度運動，若物體在運動時，加速度保持不變，也就是單位時間內，其速度的變化量均相同，我們稱此運動為等加速度運動。,V2=V1+atS=Vt=(V2+V12)t即S=V1t+12at2V22=V12+2as,第二章 運動學,2-5自由落體,將一物體置於地球表面上，若失去支持，必向地面墜落，這個物體稱為自由落體。義大利伽立略實驗結論顯示，若無空氣阻力，各種輕重不同的物體，自同一高度同時放下，應同時著地。他進而講明物體作自由落體運動是一種等加速度運動，物體向地面下落的加速度為一常數，這動加速度是地球對物體的重力作用引起的，稱為重力加速度，以g表之。,第二章 運動學,2-5自由落體,其值約為 g=

6、980公分秒2.8公尺秒2=.呎秒2,第二章 運動學,2-6拋體運動,在地面上將物體拋出所成的運動，稱為拋體運動，其運動軌跡就是拋物線。一、水平拋體運動若初速度是水平方向，則拋出後物體在水平方向不再受力作用，故保持等速度運動。而鉛直方向因物體受重力之作用，而有重力加速度g的作用，故是等加速度運動。水平方向位移：x=Vot鉛直方向位移：y=-12gt2,第二章 運動學,2-6拋體運動,二、斜向拋體運動水平方向：拋出後受力為零，作等速度運動。鉛直方向：受地心引力作用，作等加速度運動。水平方向初速：Vox=Vocos鉛直方向初速：Voy=Vosin經過t時間後：水平方向位移x=Vocost鉛直方向位

7、移y=(Vosin)t-1gt2,第二章 運動學,2-7等速圓周運動,當物體作等速圓跑運動，繞行一周所需時間稱為週期T，若其周圍的半徑為R，則此物的運動速率V，可表示成：V=2RT,探討等速圓周動的向心加速度,第二章 運動學,2-7等速圓周運動,Va=V t a=lim t 0 ta=V t=2VTa=2VT=2(2R)/TT=42RT2a=2VT=2V2R/V=V2R,第三章 牛頓運動定律,3-1力的效應,力的效應是指凡可使物體產生形變或可使物體的運動狀態改變的作用結果。在彈性限度內，當彈簧伸長量不太大時，彈簧伸長量與所施外力成正比，這個關係稱為虎克定律。其關係式為F=kl（伸長量以l表示、

8、施外力以F表示、k為彈性常數）,第三章 牛頓運動定律,3-2力所引起的形變與虎克定律,力是一種向量，它不僅具有大小，而且也具有方向。物體受外力產生形變，其內部分子間會因抵抗形變而生一種內力稱為恢復力或彈力。外力 F與恢復力 F之關係可表示成：FF 彈性物體在正比限度內受到外力作用，其形變量與外力成正比則：F外力K l 如以彈力表示虎克定律則為：F彈力K l,第三章 牛頓運動定律,3-3慣性與牛頓第一運動定律,永不停止,(a),(c),小球不論傾斜度如何，都有達到原有高度的傾向，若右邊斜面變成水平面，球將永遠不能達到原有高度，而永遠不停地前進。伽立略根據此述推理得到物體水平面上的運動將永恆不變的

9、結論。,第三章 牛頓運動定律,3-3慣性與牛頓第一運動定律,在沒有摩擦力作用的情況下得到結論，伽立略建立了物體有慣性的觀念，牛頓再將伽立略的基本概念更清楚的敘述，即後來被稱為第一運動定律：物體不受外力作用時，靜者恆靜，動者恆保持在一直線上作等速度運動。牛頓第一運動定律又稱為慣性定律,第三章 牛頓運動定律,3-4動量,物體的質量與其速度v的乘積mv，可以代表動運物體的某種特性，稱之為動量。通常以p表示動量，即P=mv設初速度為v1，經過一段時間後速度變為 v2，則物體的動量即由初動量p1變為未動量p2，動量的改變量為 p則p=p1-p2=mv2-mv1=m(v2-v1)=mv,第三章 牛頓運動定

10、律,3-5牛頓第二運動定律及其應用,物體所受之外力不為零時，則其運動狀態必會改變，牛頓由實瞼察得到結論，而提出第二運動定律，即F=ma,第三章 牛頓運動定律,3-6牛頓第三運動定律及其應用,用力與反作用力是相伴而生的，且大小相等，方向相反。這個關係稱為牛頓第三運動定律，又稱為反作用定律，即 F F(作用力)(反作用力)負號表示兩者方向相反,第三章 牛頓運動定律,3-6牛頓第三運動定律及其應用,火箭升空，是利用排放廢長的反作用力而向上運動,一個人自問：為何抱不起自己。,第三章 牛頓運動定律,3-7動量守恆原理,設兩球體在碰撞前的動量分別為P1及P2，碰撞後的動量分別為P1及P2。將牛頓第二運動定

11、律用於這兩個球體，即得 P1=P1-P1=F1t P2=P2-P2=F2t p1+p2=p1+p2兩球體在碰撞前的動量和與碰撞後的動量和相等。,第三章 牛頓運動定律,3-7動量守恆原理,所以在不受外力作用的系統中，兩物體互相以力作用前後的總動量恆相等，我們稱為動量守恆原理。若兩物體在碰撞前均為靜止，即v1=0，v2=0m1v1+m2v2=m1v1+m2v2=0m1v1=-m2v2m1 m2=-v2 v1表示兩物體原為靜止，不受外力作用，經內力作用碰撞後，其速度大小與物體質量成反比，且兩者速度方向相反。,第三章 牛頓運動定律,3-8摩擦力,由實驗得知，最大靜摩擦力fs的量值與下列有關：（1）與兩

12、接觸體接觸面的性質有關，如接觸面的粗糙程 度，但與接觸面積大小無關。（2）與兩接觸物間之正向力N成正比，N垂直於接觸面，亦即垂直於運動方向。因此人們常利用滾動之方式，以減少摩擦力之產生。,第三章 牛頓運動定律,3-9萬有引力,牛頓創立了萬有引力定律：任何兩物體間的萬有引力大小和兩物體的質量成正比，而與兩者間距離的平方成反比，萬有引力作用方向乃沿著兩物體的連接線。以數學方式表示成：F=Gm1m2r2G=6.67-11公尺公斤-秒2F=GMmr2=mg G=GMr2由此可知，離地心愈遠，重力加速度值愈小。,第四章 力矩與平衡,4-1力矩與槓桿原理,力矩的定義：力矩=(力臂)(施力)力臂是指施力的作

13、用線至轉軸的垂直距離，以 L表示力矩，r表示力臂，F表示施力，則 L=rFsin 或L=Frsin,第四章 力矩與平衡,4-1力矩與槓桿原理,第四章 力矩與平衡,4-1力矩與槓桿原理,可將槓桿分為三大類：第一類槓桿：支點居其他兩點間者。(1)施力臂=抗力臂(不省力也不省時)(2)施力臂抗力臂(省力)(3)施力臂 抗力臂(費力但省時)第二類槓桿：抗力點居另兩點之間者。(省力)第三類槓桿：施力點居其他兩點間者。(費力但省時),第四章 力矩與平衡,4-2平行力的合力和合力矩,物體受到數個外力之作用，若此數力的作用線會通過一點，則稱此些力為共點力。若作用於物體的數力的作用線不通過同一點，則稱為非共點力

14、。,第四章 力矩與平衡,4-2平行力的合力和合力矩,F(合力)=F1+F2-F3(負號表示力向下)L合=F1x1+F2x2-F3x3(逆時鐘力矩取正)合力R對支點的力臂X為：X=F1x1+F2x2-FnxnR 逆時鐘為正，順時鐘為負,第四章 力矩與平衡,4-3重心,設物體內各小質點的重量皆別為W1,W2,，Wn，質點的位分別為(X1,Y1,Z1)，(X2,Y2,Z3)，(Xn,Yn,Zn)，物體的重量W=W1+W2+Wn物體重心的位置為(X,Y,Z)WX=W1X1+W2X2+WnXnX=W1X1+W2X2+WnXn W同理可推的：Y=W1Y1+W2Y2+WnYn W Z=W1Z1+W2Z2+W

15、nZn W,第四章 力矩與平衡,4-4物體的平衡,若物體原為靜止，速度與角速度保持不變，則物體保持靜止，稱為靜平衡。而物體若原已是作等速度運動或等角速度轉動，則物體保持原有的運動狀態，稱為動態平衡。物體平衡的條件，可表示成：（1）合力=0 移動平衡（2）合力矩=0 轉動平衡,第四章 力矩與平衡,4-5物體的轉動,（1）角位移：=2-1(單位：狐度或弳)（2）角速度：=/t(單位：弳/秒)（3）角加速度：=/t(單位：弳/秒)（4）等角加速度公式：=o+t=ot+1/2t2 2=o2+2,第四章 力矩與平衡,4-5物體的轉動,移動的線量與轉動的角量之間的關係：S=R V=r at=r at：切線

16、加速度 ac=r ac：向心加速度,第五章 功和能,5-1功和能,第五章 功和能,5-2動能、位能與力學能守恆,動能：運動中的物體，因具有速度而可以作功，稱為動能。Ek=1/2mv2位能：一物體或一系統在靜止狀態所儲存的能，稱之位能。可分為重力位能與彈性位能。動力位能：Ep=mgh(m：物體質量、g：重力加速度、h：高度差)彈性位能：U=1/2kx2(k：彈性係數、x：形變量)力學能守恆原理：不計摩擦阻力的理想情況下，物體的力學能總和 不變。,第五章 功和能,5-3簡單機械,機械：物理學上稱凡能幫助人類作功的裝置為機械。簡單機械可分為兩類：(1)利用槓桿原理：槓桿、輪軸、滑輪。(2)利用斜面原

17、理：斜面、螺旋、劈。機械的使用幫我們作功時，可以省力或省時或僅是方便、作 功而不省力或省時，無論如何無法省功。,第六章 流體的力學性質,6-1靜止液體壓力與帕司卡原理,流體是指可以流動，且可隨容器改變形狀的物質。(氣體與液體均是流體)壓力的定義：單位面積上所受的作用力大小。p=F/A 靜止液體的壓力：p=F/A=Ahg/A=hg(p：壓力、F：作用力、A：作用面積、h：液面下的深度、：液體密度、g：重力加速度)在靜止流體內某點所受到的流體壓力是來自各方向的，且各方向壓力皆是相等的，例如都市中的自來水系統就是利用連通管的原理。,第六章 流體的力學性質,6-1靜止液體壓力與帕司卡原理,帕司卡原理：

18、對一密閉容器內之液體某部分，施加一壓力，此壓力將傳達到液體的各部分，且數值不變。生活中常見的為液壓機，如使用的液體為水則稱為水壓機，如為油則稱其油壓機。水壓機：F1/A1=F2/A2F1、F2分別表大小活塞上的力；A1、A2分別表大小活塞的面積。,第六章 流體的力學性質,6-2大氣壓力及其量度,一大氣壓(1atm)：在緯度45的海平面，溫度0，高76cm水銀柱所產生之壓力。1atm=76cm-Hg=1.013105nt/m2氣壓計：(1)水銀氣壓計：不易攜帶，準確度較大。(2)無液氣壓計：方便攜帶，但準確度較差。壓力計：(1)開管式壓力計：P=PO gh(2)閉管式壓力計：P=gh,第六章 流

19、體的力學性質,6-3流動流體的壓力,由實驗可知：當一不可壓縮的穩定流體流過截面不等的管中時，內徑愈大的地方，流速越小；反之內徑愈小，流速越大。此乃白努利方程式。白努力方程式的應用：流體流速大，壓力小；反之，流速小，壓力大。例如家中的抽油煙機，以及吸塵器的應用，此外棒球投手的變化球，都是利用此原理。,第六章 流體的力學性質,6-4阿基米德原理,阿基米德原理：物體所受浮力的大小，正等於與其所排開體積相同的液體重。即浮力=物體排開的同體積液體重浮力B=v g v：排開的液體體積：液體的密度 g：重力加速度物體在液中所受的浮力，為液體所施於物體向下與向上作用力的合力。,第七章 溫度與熱量,7-1溫度與

20、溫度計,溫度：物體冷熱的程度。熱平衡：當冷熱不同的兩物體接觸時，淨熱量由高溫者流 至低溫者，直到兩者溫度相同，而瞬間彼此交換 之熱量也相同時，稱之為達熱平衡。溫度計：利用物質有規律地熱脹冷縮的性質製成。如水銀 溫度計及酒精溫度計就是最常用的，其他還有電 阻溫度計、氣體溫度計也是目前通用的。,第七章 溫度與熱量,7-1溫度與溫度計,溫標：溫度計上定量的表示溫度的刻畫。常見的有攝氏、華氏與凱氏溫標(又稱絕對溫標)三種。現說明如下：1.攝氏溫標()=（t-32）5/9 2.華氏溫標()=t9/5+32 3.凱氏溫標(K)=t+273.15,第七章 溫度與熱量,7-2熱量與比熱,熱的力學說，認為熱是能

21、量的一種，因此我們說熱量乃是指熱能量的意思。比熱：使1克物質，升高(降低)1 時所需吸收(放出)的熱量。物質的熱量變化與質量、溫度變化之關係：H=mstH=熱量 m=物體質量 s=比熱 t=溫度變化量,第七章 溫度與熱量,7-3熱的傳播,熱量的傳播方式有三種，即是傳導、對流、輻射。1.傳導：熱量藉由物質分子的振動，由高溫處傳遞到低溫處的 現象稱為熱傳導。2.對流：熱量是藉由可流動的流體由高溫處傳到低溫處者，稱 為對流。3.輻射：輻射是不藉物質為媒介，熱量由熱源高溫處直接穿透 過空間而傳播的。,第七章 溫度與熱量,7-4力學能與熱能的轉換,力學能是指動能、重力位能、彈力位能的總稱。作功亦可轉換成

22、熱能，功與熱的換算比值，稱為熱功當量，其值 J 係指欲產生一單位的熱量，所需輸入的功。J 的公認值為：J=4.187焦耳/卡 4.2焦耳/卡,第七章 溫度與熱量,7-5分子間的作用力,就組成物質的分子其間的作用力，分成一、分子力：分子與分子間之作用力，分為同類分子間之作用力稱內聚力與異類分子間之附著力兩類。二、表面張力：液體表面之分子內部分子之內聚力作用而往內擠，有縮小成最小表面積的趨勢。三、毛細現象：液體沿細管或纖維間空隙往上爬升(或下降)的現象，乃是液體內部分子的內聚力與表面分子、管壁分子間附著力相互競爭的結果。四、黏滯力：流體內部分子的相對運動，或固體在流體中相對運動時，流體內部所生之摩

23、擦阻力。,第七章 溫度與熱量,7-6物質三態變化,物質三態：固態、液態、氣態。,固態,液態,氣態,放熱(凝結、液化),吸熱(汽化),吸熱(熔化),放熱(昇華),放熱(凝固),吸熱(昇華),物質三態變化與熱量之關係,第七章 溫度與熱量,7-7理想氣體,1.波以耳定律：定溫下，密度不大的定量氣體，其壓力P與 體積V成反比。即PV=k(在定溫、定量下)2.查理定律：(1)定量的氣體在定壓下，體積與絕對溫度成正 比。即V1/V2=T1/T2(定壓下)(2)定量得氣體，在定壓下，每升高1其體積 增加其在0時體積的1/273.15倍。即V=Vo(1+t/273.15)(定壓下),第七章 溫度與熱量,7-7理想氣體,3.理想氣體：氣體分子密度很小，分子間的作用力極微小可 忽略，此種氣體可視之為理想氣體。理想氣體物態方程式：PV=nRT 當氣體溫度愈高時，氣體分子之距離愈大，分子間之引力 愈小，愈接近彼此無作用力，密度極小的狀態，此時之氣 體才近於理想氣體。,