9-1 物理/能量系統

能量簡述

能量是一個概念，最初由 19 世紀的科學家 創造，用來解釋為什麼某些蒸汽機比其他蒸汽機效能更好。這是因為一些蒸汽機可以改變比其他蒸汽機更多的能量。能量簡單來說就是物體或物體組可能發生的的最大變化量。

蒸汽火車；蒸汽機的應用示例。

如今，隨著資源的利用（例如煤炭），人們賦予某些物體更多能量，從而使它們能夠為我們做有用的事情，例如為我們的電視或電腦供電（為了讓你閱讀這些內容！），能量已成為一個至關重要的經濟、社會和政治話題。

能量儲存和系統

系統簡單來說就是物體或物體組。想想太陽系；它是圍繞太陽執行的行星的集合（這些都是物體）。我們透過觀察系統來研究能量。

代表宇宙一部分的星系，宇宙是一個封閉系統。

通常，系統是開放的或封閉的。在開放系統中，物質和能量可以在系統中的物體和周圍環境之間進行交換。例如，我們的地球就是一個開放系統，因為來自太陽的電磁輻射讓我們保持溫暖。另一方面，宇宙是一個封閉系統，因為宇宙之外沒有環境可以與之交換物質和能量。

能量以不同的形式儲存在物體中，稱為能量儲存。所有的能量儲存都與系統中的運動或物體在系統中的位置有關。

與系統運動相關的能量儲存

• 動能（物體的運動）
• 熱能（粒子的運動，即物體的溫度（物體有多熱））
• 電能（帶電粒子的運動）
• 電磁輻射（光粒子的運動）

與系統中的位置相關的能量儲存

• 重力勢能（基於你在空間中的位置的能量）
• 彈性勢能（拉動橡皮筋時儲存的能量）
• 化學勢能（儲存在化學鍵中的能量）
• 磁勢能（將兩個磁鐵放在一起時，它們要麼互相排斥，要麼互相吸引時儲存的能量）

系統變化時的能量變化

當一個系統發生變化時，能量必須從一個儲存器轉移到另一個儲存器，或者在物體之間轉移。例如，如果你用手臂舉起一支鉛筆然後把它掉下來，能量就會從物體的重力勢能儲存器轉移到動能，導致鉛筆落到地上。只要你理解並知道每個能量儲存，描述系統中的能量變化就非常簡單。

除了簡單地描述能量變化之外，數學還可以讓我們用量級（大小）來展示能量的轉移量。在處理物理學中的數學時，理解你的計量單位非常重要。能量的單位始終是焦耳。

能量儲存方程式

只要知道汽車的質量和速度，就可以測量汽車的動能。

能量儲存方程式非常簡單：你只需要弄清楚你正在使用哪個能量儲存、你有哪些值以及你要找到哪個值

$E_{k}={\dfrac {1}{2}}mv^{2}$

$E_{k}$動能（以焦耳為單位，${\text{J}}$)

$m$質量（千克，${\text{Kg}}$)

$v$速度（米每秒，${\text{m/s}}$)

如果你想測量汽車的動能，你需要測量汽車的速度（物體移動的速度）（例如用速度槍）並測量汽車的質量（重量）用一些秤（得到它的質量而不是重量！）。然後，你可以將這些值代入上述方程中，並找到汽車的動能。

$E_{e}={\dfrac {1}{2}}ke^{2}$

$E_{e}$彈性勢能 (${\text{J}}$)

$k$ 彈簧常數（牛頓/米，${\text{N/m}}$)

$e$ 伸長（米，${\text{m}}$)

為了計算拉伸的橡皮筋的彈性勢能，我們只需要知道**伸長**，也就是拉伸的距離，以及**彈簧常數**，它是一個取決於物體的特定值。

$E_{p}=mgh$

$E_{p}$重力勢能（${\text{J}}$)

$m$ 質量（${\text{Kg}}$)

$g$ 重力場強（牛頓/千克，${\text{N/Kg}}$)

$h$ 高度（米，${\text{m}}$)

例如，如果你想知道一個物體在地球上被抬升時的重力勢能，你需要找到物體的質量和它被抬升的高度，也就是地球和物體之間的距離，以及重力場強，即該區域重力場的強度。在地球上，重力場強約為 9.8N/Kg。

質量和重量的區別是什麼？

質量是物體中物質的總量，而重量是作用在物體上的重力。

$w=mg$ 因此，$E_{p}=mw$

如果我們將單位代入重量的方程式，我們可以找到重量的單位。

${\text{Kg}}\times {\text{N/Kg}}={\text{N}}$

熱能和比熱容

$\Delta E=mc\Delta \theta$

$\Delta E$ 熱能變化 (${\text{J}}$)

$m$ 質量（${\text{Kg}}$)

$c$ 比熱容 (${\text{J/Kg°C}}$)

$\Delta \theta$ 溫度變化 (${\text{°C}}$)

該公式使我們能夠了解系統在溫度變化時儲存或釋放的能量量。

物質的比熱容是指將1千克物質的溫度升高1攝氏度所需的能量。我們可以透過重新排列上述公式，然後代入單位來計算出單位，就像我們用來找到重量單位一樣。

$\Delta \theta ={\dfrac {\Delta E}{mc}}\Longrightarrow {\dfrac {\text{J}}{{\text{Kg}}\times {\text{°C}}}}$

**必修實驗1在此處**

功率

功率是能量傳遞的速率。

$P={\dfrac {\Delta E}{\Delta t}}$

$\Delta E$ 傳遞的能量，能量變化， (${\text{J}}$)

$\Delta t$ 所用時間，時間變化，（秒，${\text{s}}$)

$P$ 功率 (瓦特，${\text{w}}$)

雖然功率以瓦特為單位，但如果我們將單位代入公式，也可以認為它以焦耳每秒為單位。這意味著

${\text{J/s}}={\text{w}}$

這意味著1焦耳每秒相當於1瓦特。

快速問題

主要文章：9-1 物理/能量問題

能量的定義是什麼？ 系統（物體或物體組）中可能發生的能量最大變化量。

能量儲存的兩種主要型別是什麼？它們之間的區別是什麼？ 與運動相關的能量儲存（動能）和與物體在空間中的位置相關的勢能儲存。

能量的單位是什麼？ 焦耳

什麼是比熱容？ 使 1 公斤物質升溫 1${\text{°C}}$ 所需的能量。

什麼是功率？ 能量傳遞的速率。