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數學公式

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結果

淨功(=動能變化量)
40
焦耳(J)
初動能 9 J
末動能 49 J

什麼是功能能量定理?

功能能量定理(work-energy theorem)指出:作用在物體上的淨功,等於該物體動能的變化量。以數學式表示即為 \(W_{net} = \Delta KE = \frac{1}{2}\,m(v_f^{2} - v_i^{2})\)。這是古典力學中的一條通則——無論作用力是什麼,只要知道物體的質量及速度如何改變,這個關係就成立。

方塊在表面上滑動,力的箭頭做功,使其速度從初始變為最終
作用在物體上的淨功等於其動能的變化。

如何使用本計算機

請輸入三個數值:物體的質量(單位:公斤)、初速度與末速度(單位:公尺每秒)。計算機會回傳以焦耳為單位的淨功,同時列出初動能與末動能,讓你清楚看見能量是如何變化的。結果為正,代表外界對物體做了淨功(物體加速);結果為負,則代表物體對外界做功(物體減速)。

公式說明

動能的計算式為 \(KE = \frac{1}{2}mv^{2}\)。作用在物體上的所有力所做的總功,會改變這份動能。將末動能減去初動能,就得到淨功:

$$\frac{1}{2}mv_f^{2} - \frac{1}{2}mv_i^{2} = \frac{1}{2}m(v_f^{2} - v_i^{2})$$

由於功與能量採用相同的單位,兩者都以焦耳(J)來衡量。

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兩根動能柱顯示從初始到最終的增加,差值標記為淨功
該公式將淨功與末動能和初動能之差聯繫起來。

實例演算

一輛 2 公斤的台車,速度由 3 m/s 加速到 7 m/s。初動能 \(= \frac{1}{2} \times 2 \times 3^{2} = 9\ \text{J}\);末動能 \(= \frac{1}{2} \times 2 \times 7^{2} = 49\ \text{J}\);淨功 \(= 49 - 9 =\) 40 J。也就是說,為了讓這輛台車加速,外界對它做了 40 焦耳的淨功。

常見問題

功可以是負值嗎?可以。若末速度小於初速度,ΔKE 就會是負值,代表淨力與運動方向相反(例如摩擦力或煞車)。

方向會影響結果嗎?本定理使用的是速度的平方,因此只有速度的大小會影響動能。速度的正負號與方向並不會改變計算結果。

該使用什麼單位?質量請以公斤、速度請以公尺每秒為單位,如此得到的功才會以焦耳(焦耳為國際單位制 SI 的能量單位)表示。

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