2019-高一基礎物理-2-3-交互作用
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108課綱-高一基礎物理-CH1-緒論 龍騰南一混合版(南一版為主體) 2-1 物質的組成 2-2 原子的尺度與結構 2-3 交互作用 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx
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CH3 物質的組成與交互作用
萬有引力
𝐹 = 𝐺
𝑚1 × 𝑚2
𝑟2
吸引力的大小與兩質點的質量乘積成 正比
吸引力的大小與兩質點之間的距離平方成反比
FF
𝑮 = 𝟔. 𝟔𝟕 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏
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牛頓](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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2019-高一基礎物理-2-3-交互作用
- 1. 重力 南一書局
- 2. 2 CH3 物質的組成與交互作用 萬有引力 𝐹 = 𝐺 𝑚1 × 𝑚2 𝑟2 吸引力的大小與兩質點的質量乘積成 正比 吸引力的大小與兩質點之間的距離平方成反比 FF 𝑮 = 𝟔. 𝟔𝟕 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏 [ 𝐍𝒎 𝟐 𝐤𝒈 𝟐 ] 牛頓
- 3. 3 CH3 物質的組成與交互作用 卡文迪西的扭秤實驗 卡文迪西 扭線 鏡子 桿子 小金屬球 光源 𝐅 = 𝑮 𝑴𝒎 𝑹 𝟐 重力常數G的數值則由卡文狄西在1798年經由實驗測得 大金屬球 𝟔. 𝟔𝟕𝟒 × 𝟏𝟎−𝟏𝟏 𝐦 𝟑 /(𝐤𝐠 ∙ 𝐬 𝟐 ) 扭轉程度 反射光變化角度
- 5. 5 CH3 物質的組成與交互作用 重力場 場Field 作用範圍 M m m m m m m 𝐹 = 𝐺 𝑀𝑚 𝒓2 距離越遠，重力越小 重力場 超距力、非接觸力 地球在周遭產生 特殊勢力範圍
- 6. 其中 C 稱為庫侖，是電量的單位 6 CH3 物質的組成與交互作用 重力彈弓 iscoverD 重力彈弓 由於宇宙是如此浩瀚，這麼遙遠的距 離，若單純地想以燃料推進抵達目的 地，是一種非常不切實際的想法 利用行星或其他天體的相對運動和重 力改變飛行器的軌道和速度，以此來 節省燃料、時間和計劃成本。 航海家1號在1977年9月至 1981年12月31日軌跡動態圖 重力助推既可用於加速飛行器，也能 用於降低飛行器速度
- 7. 7 CH3 物質的組成與交互作用 例題 卡文迪西透過扭秤實驗來驗證物質 間的重力，他所使用的小球質量為 0.73 kg，大球質量約為157 kg，當 兩者球心相距0.23 m時，兩者之間 的重力量值為何? 𝐹 = 𝐺 𝑚1 × 𝑚2 𝑟2 分析 F = 6.67 × 10−11 0.73 × 157 (0.23)2 ≈ 𝟏. 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟕 (𝑵) 詳解
- 8. 電力與磁力
- 10. 磁場 The Magnetic Field CH3 物質的組成與交互作用 10 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 提出磁力線的概念 磁場：在磁鐵的周圍，磁力作用所及的區域
- 11. 磁場 The Magnetic Field CH3 物質的組成與交互作用 11 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 提出磁力線的概念 在磁鐵外部由N極射出，指向S極；磁鐵內部由S極射向N極 磁力線是一條封閉且不相交的曲線 磁力線密集程度愈密，磁場愈強 磁極：磁鐵之磁性最強處 N S
- 15. 15 CH3 物質的組成與交互作用 描述靜電力的數學方程-庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 距離r 電量q1 電量q2
- 16. 16 CH3 物質的組成與交互作用 描述靜電力的數學方程-庫侖定律 庫倫 以實驗方式 驗證 點電荷間的力 𝐹 = 𝑘 𝑞1 ⋅ 𝑞2 𝑟2 𝑘 = 8.99 × 109 (N ⋅ m2 C2 ) 與電量q1、q2乘積 成正比 與距離r 成平方反比
- 17. 17 CH3 物質的組成與交互作用 電場 場Field 作用範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q -q -q -q -q -q -q 電場,E 電荷q(不論正負)移至此一範圍，則q會受到電場E 的影響， 也就是q會受到電力Fe 的作用。
- 18. 18 CH3 物質的組成與交互作用 電場 場Field 作用範圍 -Q q q q q q q 電場,E 點電荷-Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 不同電性的場源電荷，建立不同趨向的電場
- 19. 19 CH3 物質的組成與交互作用 電場→電力線 場Field 作用範圍 -Q q q q q q q 電場,E 點電荷-Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 Q q q q q q q 電場,E 點電荷Q (場源) 會在周圍建立影響範圍 不同電性的場源電荷，建立不同趨向的電場 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第
- 20. 20 CH3 物質的組成與交互作用 電場→電力線 圖片來源 http://tr.wikipedia.org/wiki/Micha el_Faraday 法拉第 正電荷的電力線 負電荷的電力線 1. 電力線由正電荷出發，終結於負電荷。 2. 在電荷以外的空間，電力線並不會相交。 3. 電場的量值正比於該處電力線密度（單位截面積通過的電 力線數）， 其方向則是電力線的方向。 與磁場相似
- 21. 21 CH3 物質的組成與交互作用 電場→電力線 一個負電：-q 2倍負電：-2q 2個相同的正電 一負電一正電 電力線數目加倍 電力線相排斥 電力線相吸引
- 22. 當物體傾向移動 電磁力的作用 CH3 物質的組成與交互作用 22 分別研究電力與磁力 可以統合在一起成為電磁作用(力) 摩擦力 正向力 回復力 從原子的觀點來看，都是電磁力的作用 摩擦力f 摩擦力f
- 23. 23 CH3 物質的組成與交互作用 例題 電力和重力同樣都是自然界的基本交互作用力，但其強度卻相差甚大。 若以最簡單的元素氫原子為例，氫原子是由一個質子和一個電子所組成， 其間的距離約為5.3×10－11 m，請參考所提供的數據，計算氫原子內質子 與電子之間（1）電力量值；（2）重力量值；（3）電力與重力的比值 粒子 符號 電量 靜止質量 電子 e -1.6×10-19(C) 9.11×10-31(kg) 質子 p 1.6×10-19(C) 1.673×10-27(kg)
- 24. 24 CH3 物質的組成與交互作用 詳解 𝐹𝑒 = 𝑘 ⋅ 𝑄 ⋅ 𝑞 𝑟2 = 9 × 109 ⋅ 1.6 × 10−19 2 5.3 × 10−11 2 𝐹𝑔 = 𝐺 ⋅ 𝑀 ⋅ 𝑚 𝑟2 = 6.67 × 10−11 ⋅ 9.1 × 10−31 ⋅ 1.7 × 10−27 5.3 × 10−11 2 𝐹𝑒 𝐹𝑔 = 2.30 × 10−28 1.03 × 10−67 ≈ 2.23 × 1039 電力量值 重力量值 電力與重力的比值
- 25. 25 CH3 物質的組成與交互作用 例題2-4 帶電量分別為+ 4q 和+ 9q 的兩個點電荷相距d，今在兩個點電荷 間放進另一個電量為 + Q 的點電荷（三者位於同一直線上）。欲使 + Q 所受的電力合力為零，則 + Q 與 + 4q 的距離為多少？
- 26. 26 CH3 物質的組成與交互作用 解答 設 +Q 與 +4q 的距離為 x；+Q 與 +9q 的距離為 y， 欲使 +Q 所受合力為零 ⇒ F+4q = F+9q ⇒ 𝒌𝑸(𝟒𝒒) 𝒙 𝟐 ＝ 𝒌𝑸(𝟗𝒒) 𝒚 𝟐 ⇒ x：y = 2：3，又 x + y = d ⇒ x = 𝟐 𝟓 𝒅。
- 27. 強作用 弱作用
- 28. 強作用Strong interaction CH3 物質的組成與交互作用 28 在原子核的空間裡(約10-15 m)，有很多質子，必定會有很大靜電斥力！ 原子核無法穩定存在 實際上，原子核穩定存在 要怎麼解釋 這樣的矛盾? 靜電斥力 P NP N P N N P N P N 靜電斥力 P N P N PN N P N 靜電斥力 10-15m
- 30. 強作用 CH3 物質的組成與交互作用 30 夸克結合形成質子和中子 夸克和夸克之間的強作用 3 個夸克 3 個夸克 夸克間的強核力比核子間的強核力還要大！
- 31. 核衰變 CH3 物質的組成與交互作用 31 1897年 發現 原子核有自然衰變的現象 拉塞福 新原子核 趨於穩定 釋放特定粒子 特定電磁波 α 衰變 β 衰變 容易被吸收 具有更強穿透性的 產生新的原子核
- 32. 原子核的穩定性與α 衰變的原因 CH3 物質的組成與交互作用 32 10-15m 使新原子核穩定大型原子核 >10-15m 強作用不足以克服質子間的正電排斥力 一些核子呼朋引伴脫離原子核的束縛 α 粒子 ➔氦原子核 原子核放出α 粒子的變化稱為α 衰變 需要更多的中子才會穩定
- 33. 弱作用Weak interaction CH3 物質的組成與交互作用 33 原子核放出 β 粒子 β -衰變 平均經過約900 s 左右就會轉變成質子， 同時射出電子與反微中子 最典型的β -衰變 𝑛 → 𝑝 + 𝑒− + ҧ𝜈 單獨存在的中子不穩定 無法以重力、電磁力或強作用解釋 自由中子的衰變
- 34. 弱作用Weak interaction CH3 物質的組成與交互作用 34 適當方式提供能量給質子 質子也有機會變成中子 放出一個帶單位正電荷的電子 雙胞胎兄弟-正子（positron） 𝑝 → 𝑛 + 𝑒+ + 𝜈 𝑒 原子核放出 β 粒子 β -衰變
- 35. 弱作用Weak interaction CH3 物質的組成與交互作用 35 費米 提出β衰變的理論 自然界中尚有另一種交互作用力 與 放射性衰變 過程有關。 發生在核子(質子或中子)內部 作用力影響的範圍大約在10-3飛米左右 「弱核力則是夸克與電子（外加微中子） 間的交互作用」 。
- 36. 太陽的核熔合反應 CH3 物質的組成與交互作用 36 強作用 使 原子核 穩定存在 弱作用 中子衰變成質子需要約900 s 弱作用與強作用 太陽的核熔合反應 能繼續發熱發光50億年
- 37. 基本作用力整理 CH3 物質的組成與交互作用 37 自然界 有 四種 基本交互作用 強作用 弱作用 電磁力 重力 強 弱 短程力 長程力
- 38. 例題2-5 CH3 物質的組成與交互作用 38 自然界的力可化約為四種基本交互作用， 請在下列表格中填入一個對應的基本交互作用。 自然界或生活中的現象 最主要的基本交互作用 (1) 兩個班級拔河對峙的力 (2) 衛星繞地球的向心力 (3) 3M 無痕膠條的黏力 (4) 自由中子產生β 衰變 (5) 蘋果成熟由樹上掉下 (6) 原子核中質子與質子結合的力 最主要的基本交互作用 ➔ 電磁力 ➔ 重力 ➔ 電磁力 ➔ 弱核力 ➔ 重力 ➔ 強核力
- 39. Thank for Contoso Ltd. https://mysecretpark.blogspot.com/ your attention 參考資料 陈玉芳，物理學史簡明教程 郭奕玲，沈慧君，物理學演義 維基百科 高一基礎物理課本，108課綱 DeltaMOOCx