位能計算機

位能計算機

位能計算機用於計算物體因其位置或配置而儲存的能量。它支持兩種基本類型：適用於高處物體的重力位能 (PE = mgh)，以及適用於壓縮或拉伸彈簧的彈性位能 (PE = ½kx²)。輸入任何兩個已知值即可求解第三個值，並提供詳細的逐步解決方案、現實世界比較以及多單位支持。

重力位能

重力位能是物體因其在重力場中的位置而擁有的能量。物體越高，儲存的位能就越多。

其中 m 是質量 (kg)，g 是重力加速度 (m/s²)，h 是相對於參考點的高度 (m)。

彈性位能

彈性位能是彈簧或彈性材料在從平衡位置拉伸或壓縮時儲存的能量。這遵循虎克定律，其中恢復力與位移成正比。

其中 k 是彈簧常數 (N/m)，x 是相對於平衡位置的位移 (m)。

如何使用此計算機

1. 選擇能量類型： 為高處物體選擇「重力」分頁 (PE = mgh)，或為彈簧和彈性材料選擇「彈性」分頁 (PE = ½kx²)。
2. 輸入已知值及單位： 對於重力位能，輸入質量、高度並選擇行星。對於彈性位能，輸入彈簧常數和位移。將未知欄位留空。
3. 點擊計算： 計算機將自動確定要使用的公式變形。
4. 查看詳細解決方案： 檢查逐步解決方案、現實世界能量比較、撞擊速度分析以及能量單位換算表。

不同天體的重力

能量守恆

物理學中最強大的原理之一是機械能守恆。當只有保守力（如重力）作用時，總機械能保持不變：

PE + KE = 常數

對於下落物體：隨著高度降低，重力位能轉換為動能。在地面時，所有位能都變成了動能，產生 v = √(2gh) 的撞擊速度。對於釋放的彈簧：彈性位能完全轉換為連接質量的動能，得出 v = √(2PE/m)。

現實世界應用

水力發電

水壩將重力位能儲存在高處的水中。當水流經渦輪機釋放時，這種位能會轉換為動能，然後再轉換為電能。一個 100 公尺高、擁有 100 萬公斤水的蓄水池儲存了約 981 MJ 的位能。

雲霄飛車

最初的爬升儲存了重力位能，這為整個旅程提供動力。設計師會計算最大高度，以確保有足夠的能量完成所有的迴圈和轉彎，同時考慮到摩擦損失。

彈簧與機械裝置

彈性位能為機械錶提供動力，汽車懸吊系統吸收道路顛簸，而弓箭則在其弓臂中儲存能量以發射箭矢。彈簧常數決定了彈簧的硬度以及它可以儲存多少能量。

常見問題解答

什麼是位能？

位能是物體因其位置、配置或狀態而擁有的儲存能量。兩種最常見的類型是重力位能 (PE = mgh)，取決於物體相對於參考點的高度，以及彈性位能 (PE = ½kx²)，儲存在拉伸或壓縮的彈簧中。

重力位能的公式是什麼？

重力位能公式為 PE = mgh，其中 PE 是以焦耳為單位的位能，m 是以公斤為單位的質量，g 是重力加速度（地球上為 9.807 m/s²），h 是相對於參考點的高度（以公尺為單位）。這可以重新排列以求解質量 (m = PE/gh) 或高度 (h = PE/mg)。

什麼是彈性位能？

彈性位能是彈性物體（如彈簧）在從其自然長度拉伸或壓縮時儲存的能量。公式為 PE = ½kx²，其中 k 是以每公尺牛頓為單位的彈簧常數，x 是相對於平衡位置的位移（以公尺為單位）。這遵循虎克定律。

位能如何轉換為動能？

當物體從高處落下時，其重力位能會轉換為動能。根據能量守恆定律（忽略摩擦力），PE = KE，因此 mgh = ½mv²，得出 v = √(2gh)。同樣地，當壓縮的彈簧被釋放時，彈性位能會轉換為連接物體的動能。

不同行星上的重力是否不同？

是的，不同天體的重力加速度差異很大。地球的 g = 9.807 m/s²，而月球僅為 1.625 m/s²（約為地球的 1/6）。木星在行星中擁有最強的重力，達 24.79 m/s²。這意味著同一個物體在同一高度，在不同行星上具有不同的位能。

其他資源

• 位能 - Wikipedia
• 虎克定律 - Wikipedia
• 能量守恆 - Wikipedia