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第一章 直線運動 1-1 位移 1-2 速度 1-3 加速度 1-4 等加速度運動 1-5 自由落體運動 1-6 相對運動
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物理學簡介 (1/2) 物理學的研究對象: 。 自然界的現象和變化 物理定律的建立主要歸功於「 」和「 」的應用。 歸納法 演繹法
物理學簡介 (1/2) 物理學的研究對象: 。 自然界的現象和變化 物理定律的建立主要歸功於「 」和「 」的應用。 歸納法 演繹法 物理學在本質上是一門 。 實驗科學 物理學以 為語言,表達對 自然界現象的理解和想法。 數學
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物理學簡介 (2/2) 在解決問題的過程中,物理有5種不同的思考層次: 是一種想法或物理量 相關物理量之間存在的數學關係
物理學簡介 (2/2) 在解決問題的過程中,物理有5種不同的思考層次: 1.「概念」: 。 是一種想法或物理量 2.「定律」: 。 相關物理量之間存在的數學關係 3.「原理」: 。 相關物理量之間遵循的普適性規則 4.「模型」: 。 將物理實體簡化的圖像 5.「理論」: 。 對某種特定物理現象的完整解釋
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1-1 位移 (1/4) 怎樣描述物體在一直線的運動情形? 質點: 。 將物體視為有質量、在數學上的一個點 用以描述物體位置的座標原點
1-1 位移 (1/4) 怎樣描述物體在一直線的運動情形? 質點: 。 將物體視為有質量、在數學上的一個點 用以描述物體位置的座標原點 參考點: 。 如上圖選取的座標系統 參考系: 。
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1-1 位移 (2/4) 位移: 。 物體位置座標的變化量 距離: 。 物體所經過路徑的長度 [說明]:若質點由B點移動到A點,其位移
1-1 位移 (2/4) 位移: 。 物體位置座標的變化量 距離: 。 物體所經過路徑的長度 [說明]:若質點由B點移動到A點,其位移 Dx=(3cm)-(-2cm)=+5cm,路徑長也是5cm; 但質點由A點移動到B點再回到A點,則 位移=0,但路徑長=10cm。
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1-1 位移 (3/4) 物理量分成兩種:向量、純量。 A 具有量值和方向的物理量 向量: 。 如位置向量、位移、速度…
1-1 位移 (3/4) 物理量分成兩種:向量、純量。 具有量值和方向的物理量 向量: 。 如位置向量、位移、速度… A 只具有量值但沒有方向的物理量 純量: 。 如溫度、時間、路徑長…
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1-1 位移 (4/4) 描述質點的運動情形,上述兩者 以何種為佳? t(s) 2 4 6 8 10 12 14 16 x(m) 1 3 5
1-1 位移 (4/4) t(s) 2 4 6 8 10 12 14 16 x(m) 1 3 5 7 9 例題1-1 描述質點的運動情形,上述兩者 以何種為佳?
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1-2 速度 (1/5) 速度的定義: 。 單位時間內所經的位移 平均速度 v= 位移Dx 時間Dt 瞬時速度 v= 位移dx
1-2 速度 (1/5) 速度的定義: 。 單位時間內所經的位移 平均速度 v= 位移Dx 時間Dt 瞬時速度 v= 位移dx 很短的時間dt [說明]:質點由A點移動到B點的平均速度,即為 圖中的割線斜率;而在A點的瞬時速度 即為圖中的切線斜率。
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1-2 速度 (2/5) [說明1]:x-t圖的斜率代表物體在該時刻的 瞬時速度 vo=Dx/Dt。
1-2 速度 (2/5) [說明1]:x-t圖的斜率代表物體在該時刻的 瞬時速度 vo=Dx/Dt。 [說明2]:如右圖,v-t圖的面積代表t時間內的 位移 Dx=vot。
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1-2 速度 (3/5) [問題]:你能根據上面的v-t圖而畫出物體的x-t圖嗎?
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1-2 速度 (4/5) [說明]:如上圖,v-t圖的圖線若在t 軸下方, 代表物體往反方向移動,故面積為負。
1-2 速度 (4/5) [說明]:如上圖,v-t圖的圖線若在t 軸下方, 代表物體往反方向移動,故面積為負。 [問題]:你能根據上面的v-t圖而畫出物體的x-t圖嗎? 例題1-2 例題1-3
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1-2 速度 (5/5) 速率的定義: 。 單位時間內所經的路徑長 路徑長DL 平均速率 v= 時間 Dt 路徑長dL 瞬時速率 v=
1-2 速度 (5/5) 速率的定義: 。 單位時間內所經的路徑長 平均速率 v= 路徑長DL 時間 Dt 瞬時速率 v= 路徑長dL 很短的時間dt 速率用以描述物體運動的快慢程度, 是一個純量,與速度是向量的意義不同。 速率的單位與速度相同,常用m/s、km/h ...。
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1-3 加速度 (1/5) 加速度的定義: 。 單位時間內物體的速度變化量 速度變化量 Dv 平均加速度 a= = Dt 時間 速度變化量
1-3 加速度 (1/5) 加速度的定義: 。 單位時間內物體的速度變化量 速度變化量 平均加速度 a= = 時間 Dt Dv 速度變化量 瞬時加速度 a= = 很短的時間 dt d v 加速度也是向量,其方向與速度變化量相同。 加速度的單位就是速度變化量除以時間的單位, 常用 公尺/秒2 (m/s2)或公分/秒2 (cm/s2) 為單位。 例題1-4
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1-3 加速度 (2/5) [說明]:如上圖,當車子的加速度與速度方向 相同時,車速將增快;反之,當兩者 方向相反,則車速減慢。
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1-3 加速度 (3/5) [說明]: 如右圖,v-t圖的割線斜率代表平均加速度 ;而切線斜率代表瞬時加速度 。 dt d v Dt Dv
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1-3 加速度 (4/5) [說明1]:v-t圖的切線斜率代表物體在該時刻的 瞬時加速度 a=dv/dt。
1-3 加速度 (4/5) [說明1]:v-t圖的切線斜率代表物體在該時刻的 瞬時加速度 a=dv/dt。 [說明2]:如右圖,a-t圖的面積代表t時間內的 速度變化量 Dv。
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1-3 加速度 (5/5) [說明]:如上圖,a-t圖的面積代表速度變化量,若 圖線在t 軸上方則面積為正,反之則為負。
1-3 加速度 (5/5) [說明]:如上圖,a-t圖的面積代表速度變化量,若 圖線在t 軸上方則面積為正,反之則為負。 [問題]:a-t圖的面積為正代表速度將增快嗎? 例題1-5 例題1-6
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1-4 等加速度運動 (1/2) 何謂「等加速度運動」: 。 加速度保持相等的運動 v t vo a t x t
1-4 等加速度運動 (1/2) 何謂「等加速度運動」: 。 加速度保持相等的運動 v t vo a t x t [問題1]:你能根據a-t圖畫出相關的v-t圖、x-t圖嗎? [問題2]:如果初速與加速度方向相反,則 相關的v-t圖、x-t圖又該怎麼畫?
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1-4 等加速度運動 (2/2) 等加速度運動公式: 1 2 1 2 (1) v=vo+at (2) Dx= (vo+v)t
1-4 等加速度運動 (2/2) 等加速度運動公式: (1) v=vo+at 推導 (2) Dx= (vo+v)t 2 1 推導 (3) Dx=vot+ at2 2 1 推導 (4) v2=vo2+2aDx 推導 例題1-7
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1-5 自由落體運動 (1/5) 何謂「自由落體運動」? 只受地球引力的作用,而從空中落下的運動
1-5 自由落體運動 (1/5) 何謂「自由落體運動」? 只受地球引力的作用,而從空中落下的運動 [說明]:在地表附近,重力加速度g可視為定值, 因此自由落體是一種等加速度運動。 [註]:在地表的重力加速度 g 約為 9.8m/s2,但 實際上會因高度、緯度的不同而有差異。
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1-5 自由落體運動 (2/5) [問題1]:一物體在空中靜止釋放。 若規定向上為正,你能 改寫上述等加速度運動 的公式嗎?
1-5 自由落體運動 (2/5) (1) v=vo+at 2 1 (2) Dx=vot+ at2 (3) v2=vo2+2aDx [問題1]:一物體在空中靜止釋放。 若規定向上為正,你能 改寫上述等加速度運動 的公式嗎? [問題2]:若規定向下為正,上述 公式又該怎麼寫呢?
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1-5 自由落體運動 (3/5) 自由落體常用的兩個小公式: (1) 物體落地的末速 v= 2gh 2h
1-5 自由落體運動 (3/5) 自由落體常用的兩個小公式: (1) 物體落地的末速 v= 2gh (2) 物體落地前的飛行時間 t = 2h g 例題1-8 例題1-9 例題1-10
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1-5 自由落體運動 (4/5) [問題1]:當物體以vo的速度鉛直 上拋,若規定向上為正 ,上述等加速度運動的 公式應如何改寫?
1-5 自由落體運動 (4/5) (1) v=vo+at 2 1 (2) Dx=vot+ at2 (3) v2=vo2+2aDx [問題1]:當物體以vo的速度鉛直 上拋,若規定向上為正 ,上述等加速度運動的 公式應如何改寫? [問題2]:物體上升至最高點與掉回 至出發點的兩段時間是否 相同? 各是多少?
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1-5 自由落體運動 (5/5) [問題3]:如右圖,當物體上升與 下落而在同一個位置時 ,速度大小為什麼相同 ? 請試著用公式解釋。
1-5 自由落體運動 (5/5) [問題3]:如右圖,當物體上升與 下落而在同一個位置時 ,速度大小為什麼相同 ? 請試著用公式解釋。 [問題4]:物體上升至最高點,用了 多少時間? 最高點與出發 點高度相差多少? 例題1-11 例題1-12
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1-6 相對運動 (1/2) [問題]: 如上圖,當機車騎士以 v 的速率相對於地面上 的人(參考系S)向右移動,而汽車駕駛以 u 的
1-6 相對運動 (1/2) [問題]: 如上圖,當機車騎士以 v 的速率相對於地面上 的人(參考系S)向右移動,而汽車駕駛以 u 的 速率相對於地面上的人向右移動,則汽車駕駛 (參考系S’)見到機車騎士的速度為何?
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1-6 相對運動 (2/2) [說明]: 如上圖,C對於A (參考系S)的速度,也就是A看C的速度,此相對速度以 vCA表示。同理,A看B
1-6 相對運動 (2/2) [說明]: 如上圖,C對於A (參考系S)的速度,也就是A看C的速度,此相對速度以 vCA表示。同理,A看B 的速度以 vBA表示,而B(參考系S’)看C的速度則以 vCB表示。三者的關係應為 。 vCB=vCA-vBA 例題1-13 例題1-14
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在直路上行駛的一輛跑車,其在不同時刻t的 位置坐標x,如下表所列,回答下列問題:
例題1-1 在直路上行駛的一輛跑車,其在不同時刻t的 位置坐標x,如下表所列,回答下列問題: t(s) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 x(m) 0.2 1.9 4.6 8.6 13.8 20.4 28.3 37.7 48.4 (1)畫出該跑車的x-t圖。 (2)求出該跑車分別在t=0s至1s、1至2s、2s至 3s、及3s至4s的時間間隔內的位移。
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例題1-2 某人在直路上運動,由靜止出發,以出發的位置 為原點,記錄在不同時刻t的位置x,得出x-t圖 如下: (1)在整個運動過程中,此人的位移為何? 路徑長為何? (2)由此x-t圖,畫出v-t圖。
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例題1-3 從例題1-1所得的 x-t 圖中,求跑車在出發後 第3秒的瞬時速度為何?
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例題1-4 前節所提裝設噴射引擎的汽車,創下目前在陸地 上最快的車速紀錄,在9.38秒內,從靜止開始 加速到1233 km/h,則加速期間內的平均加速度 為何?當它煞車時,必須張開減速傘,在6.00秒內可從最高速度降至零,則這段減速期間內的平均加速度為何?
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某人在直線道路上測試跑車的性能,記錄車子在 不同時刻的速率如下表,試畫出該車的v-t和a-t圖 ,並計算其加速度。
例題1-5 某人在直線道路上測試跑車的性能,記錄車子在 不同時刻的速率如下表,試畫出該車的v-t和a-t圖 ,並計算其加速度。 t(s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 v(m/s) 15 20 25
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例題1-6 有一物體自原點從靜止出發,沿一直線運動, 前三秒內的加速度均為2 m/s2,其後三秒內的 加速度均為-2 m/s2。繪出 a-t圖、v-t圖及 x-t圖。
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例題1-7 某人駕駛汽車在高速公路上以90 km/h的速度前進, 突然見到前方有交通事故發生,立即踩煞車,車子 在路面上滑行。假設車子滑行的過程為等加速度 運動,其加速度為 -10m/s2,則車子在完全煞停 前,將會滑行多遠?共經歷多少時間?
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例題1-8 從高度為25 m的樓頂上,自靜止開始掉下一塊 小石頭,若不計空氣阻力的影響,則這塊小石頭 經多少時間才落至地面?落地時的速度為何?
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例題1-9 從停在高空中的直升機上,自靜止投下一個救濟 包裹,在忽略空氣阻力的條件下,回答下列問題: (1)該包裹在t = 1s、2s、3s、及4s時的位置、 速度、和加速度各為何? (2)若包裹在t = 10s時落地,則直升機所在的 高度為何?
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例題1-10 某人從發生火災的五樓窗戶逃出,救火隊員緊急在地面 張開救生網準備接住此人。已知五樓窗戶離地的高度為
14.4 m,而救生網離地為1.6 m,如圖所示,回答下列 問題:(設g=10 m/s2) (1)此人剛觸及救生網時的速度為何? (2)此人落入救生網後,剛好在觸地之前 完全停止。假設此人在網中減速的 過程為等加速度運動,則此段時間內 的加速度為何? (3)此人從窗戶逃出至落入救生網中完全 停止,共經歷多少時間?
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例題1-11 在地面上以初速度19.6 m/s鉛直上拋一石頭, 若不計空氣阻力的影響,則石頭經多少時間 可上升至最高點?最大高度為何?落地時的 速度為何?又石頭全程的飛行時間為何? (設重力加速度g=9.80 m/s2)
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例題1-12 某人自海拔高度為60 m的海邊山崖,以20 m/s的初速鉛直往上拋出一塊小石頭,經一段時間後石頭落到海面,回答下列問題:(設 g=10m/s2) (1)石頭經過多少時間後掉落到海面? (2)石頭掉落到海面的速度為何? (3)石頭上升的最大高度為何?
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例題1-13 在一直線的高速公路上,有甲乙兩車正以等速度 行駛。甲車的速度為80 km/h,乙車落在甲車之後 5.0公里處,正以90 km/h的速度追趕甲車,試求 乙車何時可追上甲車?
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(1)某甲由一樓地面跨上電扶梯後,即以2.0 m/s相對於梯面
例題1-14 一家百貨公司的電扶梯全長為15 m,正以1.0 m/s的速度 運行,由一樓升至二樓。 (1)某甲由一樓地面跨上電扶梯後,即以2.0 m/s相對於梯面 的速度在扶梯上快走,如圖1-29a所示,則此人從一樓 升至二樓需經多少時間? (2)某乙欲從二樓下至一樓,卻誤走入上升中的電扶梯, 假設他以2.0 m/s相對於梯面的速度在扶梯上快步往下 走,如圖1-29b所示,則此人從二樓下至一樓需經多少 時間?
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v=vo+at 的推導: a = vo v - t at= vo v - vo+at =v v=vo+at (1)根據加速度的定義:
(4) 等式左右對調: v=vo+at
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Dx= (vo+v)t 的推導: 2 1 v t vo 如右圖,v-t圖的面積代表位移 即 Dx= (vo+v)t 2 1
所對應的瞬時速度。
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Dx=vot+ at2 的推導: 1 2 1 (1)因為v-t圖的面積代表位移 Dx= (vo+v)t 2
(2)將等加速運動第一公式v=vo+at代入上式 Dx= (2vo+at)t 2 1 Dx=vot+ at2 2 1
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v2=vo2+2aDx 的推導: 1 (1)因為v-t圖的面積代表位移 Dx= (vo+v)t 2 v-vo
(2)由等加速運動第一公式(v=vo+at)可知: t= a v-vo t= a v-vo (3)將 代入 Dx= (vo+v)t 2 1 a v-vo Dx= (vo+v) 2 1 2aDx=(v+vo)(v-vo) v2=vo2+2aDx
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