能的觀念CHAPTER 04

(1)

能的觀念

CHAPTER 04

(2)

C o n te n ts

4-1

能量的型態

4-2

能與力的關係

4-3

溫度與熱量

4-4

能量轉換與能量守恆

4-5

能量的有效利用與節約

(3)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

在日常生活中我們可以看到各種型態的能量，例如高速通過的台鐵太魯閣號具有很大的動能、天花板上的吊燈具有重力位能、核電廠利用核反應產生的核能來發電。能量可以不同型態呈現而且彼此間可以經由作功來互相轉換，下面介紹幾種常見的能量形式：

(4)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

一、動能

公式 4-

1

(5)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

一、動能

(6)

解

(7)

答

(8)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

二、重力位能

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

二、重力位能

重力位能的數學形式：

公式 4-

2

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

二、重力位能

(11)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

核能是原子核能的簡稱，指原子核結構發生變化時產生的能量。原子核反應分為核分裂和核融合兩種，現今核能發電廠的核子動力均源自核分裂，因此經由核分裂所產生的電力，約占全世界總電力供應量的百分之十，可說是重要的電力來源之一。

(12)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

• 核分裂（ nuclear fission ）是指由質量重的原子核（例如鋇、鈾等原子核）分裂成兩個質量較小原子核的反應（如下圖 ) 。

• 核分裂的過程會釋放出大量的能量，因此除了將核分裂的原理用於製作核彈外，核能發電廠也是利用鈾原子核分裂產生的能量來發電。

(

一 ) 核分裂

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4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

(

一 ) 核分裂

(14)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

天然的鈾元素中含有鈾 238 （占 99.3% ）及鈾 235

（占 0.7% ）兩種同位素，其中只有鈾 235 會發生核分裂。當鈾 235 被一個中子撞擊後，會使其分裂成兩個質量較小的原子核，同時也會釋放出 2 ～ 3 個新的中子，這些新的中子再去撞擊更多的鈾 23 5 原子核，如此循環讓核分裂的原子核數目迅速增加，此即所謂的「連鎖反應」。

(

一 ) 核分裂

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4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

(

一 ) 核分裂

公式 4-

3

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4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

所以極小的質量即可轉換成極大的能量，鈾 235 經核分裂產生的能量是同質量碳燃燒產生能量的一百萬倍，效果十分驚人。

(

一 ) 核分裂

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4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

• 核融合（ nuclear fusion ）是指將二個較輕的原子核結合，形成一個質量較重的原子核及其他輕粒子的反應。

• 核融合反應後的總質量也會比反應前的總質量小，但核融合產生的能量比核分裂更強大。例如太陽可以持續穩定發光、發熱的巨大能量，就是來自其核心進行氫融合成氦的核融合反應所產生的。

(

二 ) 核融合

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三、核能

核融合的原料可由海水取得，且無核廢料的問題，是非常環保、乾淨的能源生產方式，但因其發生條件需在極高溫的情況下，故仍無法普及，目前地球上的核能利用，絕大多數都是採核分裂的型式。

(

二 ) 核融合

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4-3 4-4 4-5 觀念

三、核能

(

二 ) 核融合

(20)

在核分裂的過程中，質量減少 3 公克，可產生多少焦耳的能量呢？

解

(21)

答

(22)

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4-3 4-4 4-5 觀念

四、化學能

化學能儲存於物質的內部，因此須要經由化學變化才能釋放出來，變成熱能、光能、電能或其他形式。例如我們攝取食物，食物在身體內進行化學變化，產生化學能，以維持我們呼吸、血液循環、維持體溫等生理需求。其他如酒精、木材、汽油、煤等燃料中，也都儲存著化學能量，經燃燒後轉換為熱能。

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4-3 4-4 4-5 觀念

四、化學能

汽油利用汽車引擎將化學能轉換成動能

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4-3 4-4 4-5 觀念

五、熱能

熱能來自於物質內部分子經碰撞後所釋出的能量，溫度愈高，物質分子運動越劇烈，所具有釋出熱的潛力也就越高。只要物體未達絕對零度，便具有熱能。而熱的特性是由高溫物體傳遞

到低溫物體，此即所謂熱能轉移。

利用燃燒木柴產生的熱能來加熱食物

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4-3 4-4 4-5 觀念

六、電能

日常生活中使用的電能，主要來自其他形式能量的轉換，例如電池內儲存的化學能轉換為電能，供手電筒、手機使用；發電機將不同形式的能源轉換為電能，再以電線輸送到用戶端供使

用，使吹風機、電冰箱、洗衣機等電器裝置發揮功用。

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

七、光能

地球上的綠色植物，靠著太陽光進行光合作用，並將能量以養分的形式儲存於植物體中，養分除了供給植物自身生長所需外，亦可被動物作為食物來攝取。

(27)

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

七、光能

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物理 A 04 能的

4-3 4-4 4-5 觀念

七、光能

放射線治療是以高劑量放射線作用在病變部位，以殺死癌細胞成長與增殖

(29)

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核能電廠運作原理

https://www.youtube.com/watch?v=Uf_991gDGOU

壓水式核能反應爐結構

https://www.youtube.com/watch?v=srRhNZ_f-Pk

(30)

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A A Q Q

&

請簡述核能發電的能量形式轉換過程

答：

核能熱能⇒ ( 加熱循環水成為水蒸氣 ) ⇒ 力學能 ( 推動氣渦輪發電機 )⇒ 電能

(31)

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物理 A 04 能的 觀念

• 柴電火車頭加足油門，拉著沉重的貨物列車從靜止緩緩加速，我們可以明顯看到，整列車受到火車頭的施力牽引而移動，並且速度變快、動能增大。

• 在高爾夫練習場我們揮桿擊球，若揮桿的距離越長，球飛出的速率越大、

動能越大。

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(33)

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一、功

(

一 ) 功的定義

公式 4-

4

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一、功

(

二 ) 功的性質

(35)

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一、功

(

二 ) 功的性質

(36)

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二、彈力位能

公式 4-

5

(37)

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二、彈力位能

(38)

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4-1 4-2 4-3 4-4 4-5

二、彈力位能

公式 4-

6

(39)

解

(40)

答

(41)

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彈簧之力不可估量

https://www.youtube.com/watch?v=hzhgG2WuUCo

(42)

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A A Q Q

&

從影片裡可以看到多小的微型彈簧應用？

答：

原子筆筆尖使用直徑 0.14mm 的微型彈簧，

另

外更有直徑 0.07mm 的微型彈簧用來作為腦血

管支架。

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一、溫度與分子運動的關係

在熱能的觀念建立之後， 19 世紀中的科學家們開始轉而探討微觀的分子運動，發現溫度的高低可以反映出分子運動的劇烈程度，也就是說溫度決定於分子運動的平均動能，溫度越高，則分子的平均動能就越大。

(44)

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• 就固體分子而言，高溫處的分子運動較劇烈，其與低溫處的分子碰撞更頻繁，故可將熱能由高溫處往低溫處傳遞。

• 對液體和氣體分子而言，高溫處的分子運動性高、分子的間距較長，所以密度較小，故藉由對流將熱能由高溫處往低溫處傳遞的效果最佳。

(45)

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• 當液體表面的分子擁有足夠的動能從液體表面脫離，這就是蒸發。

• 日常生活中常見的蒸發現象，例如海洋、河川的水經由蒸發形成雲、烘衣機烘乾衣物上的水分。

• 蒸發是一種分子運動，在蒸發的過程中，由於動能較大的分子逃離了，所以蒸發也可說是一種冷卻過程。

(46)

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二、物態變化

物質在不同溫度或壓力下會有固體、液體、氣體之分，在物理學中，我們把物質的狀態稱為物態。造成物質狀態不同的原因是物質

分子的平均動能，固體時分子的平均動能最小，所以分子

間距也最小，若分子吸收能量，間距會持續增大，

會慢慢轉變為液體，若再繼續吸收能量，則可轉變為氣體。

(47)

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二、物態變化

這種從一種狀態變化到另一種狀態的過程，叫做物態變化。各種物態變化過程如圖所示。

(48)

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二、物態變化

(1) 熔點：定壓下，物質開始熔化的溫度即為該物質

的熔點，熔化時會吸熱但溫度不變。

(2) 凝固點：定壓下，物質開始凝固的溫度即為該物

質的凝固點，凝固時會放熱但溫度不變。

(3) 同一物質的熔點和凝固點的溫度相同，因此熔化

或凝固時，固體和液體可雙態共存。

(

一 ) 熔點與凝固點

(49)

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二、物態變化

(1) 沸點：定壓下，物質開始沸騰的溫度即為該物質

的沸點，沸騰時會吸熱但溫度不變。

(2) 凝結點：定壓下，物質開始凝結的溫度即為該物

質的凝結點，凝結時會放熱但溫度不變。

(3) 同一物質的沸點和凝結點的溫度相同，因此沸騰

(

二 ) 沸點與凝結點

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二、物態變化

(

(51)

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二、物態變化

物質必須藉由吸熱才能由固體變為液體，或由液體變為氣體；相反地，藉由放熱由氣體變為液體，或由液體變為固體。當物體狀態不變時，物體吸熱時溫度上升，放熱時溫度下降，但是若處於三態變化過程時，吸熱或放熱都不會有溫度變化。

(

(52)

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生活裡的科學 - 二氧化新契機

https://www.youtube.com/watch?v=9NR2TYLD7xs

(53)

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A A Q Q

&

1. 乾冰周圍產生的煙霧本質是什麼？為什麼會下沉？

答：

乾冰昇華成二氧化碳時會吸收周圍水蒸氣的熱，

所以水蒸氣凝結成霧狀小水滴。二氧化碳密度比空氣大，所以會將周圍水霧向下拉，霧會下沉。

(54)

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A A Q Q

&

2. 二氧化碳滅火器能夠用於粉塵迅燃或煙火爆炸的火災嗎？

答：

都不可以，若噴在粉塵會將粉塵揚起使得燃燒更嚴重；而煙火火藥中含有鎂，鎂的氧化性比碳高

，所以在二氧化碳中仍會燃燒。

(55)

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一、能量轉換

在 4-1 和 4-2 中我們已談過了能量的各種形式，如動能、彈力位能、重力位能、熱能和化學能等，且不同形式的能量，彼此之間可以互相轉換。

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一、能量轉換

在生活的活動中，有許多能量轉換的形式，例如：

自行車一哥馮俊凱騎著自行車登上武嶺，過程中他將自己體內的化學能轉換為動能、重力位能和熱能。

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一、能量轉換

同學一早進到教室，按下電燈開關，將電能轉換為光能和熱能。

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一、能量轉換

台鐵女司機員邱千芳駕駛普悠瑪號爬上牡丹坡，過程中將電能轉換為列車動能、重力位能和熱能。

從上述幾個例子我們可以進一步了解，若適當地利用能量轉換來達成目的，可讓生活更便利。

(59)

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二、能量守恆定律

上述例子中，普悠瑪號在牡丹坡上爬行時，火車的電能經由集電弓輸入馬達，轉換為列車動能與重力位能，但因為摩擦的關係使得部分電能轉換成熱

能，對此系統而言，「電能 = 動能 + 位能 + 熱能」。

(60)

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在任何時刻都是如此，系統內的能量產生之後不會憑空消失，只會從一種形式轉化為其他形式，或從一個物體轉移到另一物體，所以在轉化和移轉的過程中，能量總值會維持不變，此即所謂的能量守恆定律。

(61)

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再以常見的水力發電為例，水由高處沖下推動水輪機發電，水的重力位能轉換為水輪機動能，再轉換為電能，但因為受到摩擦影響，也有部分動能轉換為熱能，對此系統而言，「重力位能 = 動能 + 熱能 = 電能 + 熱能」，無論怎麼轉換能量總值依然維持不變，能量守恆定律是宇宙所有機制反應必定遵守的基本原理。

(62)

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水力抽蓄電廠重點在儲能

https://www.youtube.com/watch?v=yro0dxbBbRY

(63)

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A A Q Q

&

水力發電廠除了發電外，最重要的工作是什麼？

答：

儲存電能。抽蓄電廠可先將多餘電能轉換成位能儲存下來，待需要時再轉換成電能使用，使用壽命比任何電磁都還長久。

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一、再生能源的利用

• 地球上的石化能源是有限的，所以就長遠的發展來看，提升再生能源的利用是最重要也是最經濟的做法。

• 根據台電資料，臺灣已發展並使用多年的再生能源發電有水力、風力、太陽光電、垃圾沼氣及生質能，截至 2017 年為止，再生能源發電量約 11 246 億度，再生能源發電量的結構比例為：水力 48.2 ％、垃圾沼氣 22.2 ％、風力 15.1 ％、太陽光電 14.4 ％。

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其中風力及太陽光電累計發電量為 2,514,616,728 度，因其發電不需燃料且不會排放二氧化碳，故大約節省了 628,654 公秉燃油、 930,408 公噸燃煤或 419,912 公噸燃氣，且減少約 1,330,232 公噸二氧化碳的排放，造林效益高達 124,367 公頃。

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目前台電發電裡仍以火力發電為主（占 84.4% ），

其次是核能發電（占 9.3% ），而再生能源只占全年總發電量的 4.9% ，逐年計畫性地提高再生能源使用比例是國人應有的共識，而政府也持續朝著這個目標努力推動。

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讓能源能更有效被利用就是節能，以下舉例供參考：

二、能源有效利用

(

一 ) 汽電共生系統

• 汽電共生是指利用發電廠或者熱力發電機同時產生電力和熱能的裝置。因裝置汽電共生系統 約可節省能源成本 20~30% ，目前在歐美 日等國均相當盛行。

• 除了應用於工業上，小型套裝式汽電共生設備亦被應用於商業部門，蔚為趨勢。汽電共生系統具有提高能源利用效率、有效降低成本、減少環境污染、降低停電風險等優點。

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(

汽電共生是一種將發電站產生的蒸汽，作為發電副產品，用於加熱附近建築物的系統

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(

位於法國的一座汽電共生廠，以廢木材作為燃料，為

3

萬棟住宅提供電和熱

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(

二 ) 動能回收系統

動能回收系統目前在許多油電混合車上都可看到類似的設計，主要由一直接與傳動軸連接的電動機搭配鋰電池、超級電容器組成，是一種可將煞車時的動能轉換成電能回收，並且在需要加速的過程中，提供引擎額外的輔助動力的系統。

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(

二 ) 動能回收系統

目前 F1 賽車和各車廠都有採用。

Flybrid

動能回收系統

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地球上的能源有限，我們必須要開源節流才能永續生活下去，想一想我們該如何有效節約能源，與同學討論並舉出幾個節約能源實例。

採用有節能標章的高能量效率電器、省電燈 泡、 LED 燈、高 EER 值的冷氣

答

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能源問題攤開說

https://www.youtube.com/watch?v=qiiREiHwlaQ&t

=12s

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A A Q Q

&

綠能發電是世界趨勢，但發電成本和效益也必須考量，離岸風電、太陽能發電和核能發電各有其優缺點，請簡單說出對台灣能源政策的感想。

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