Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Work, Energy, and Power · ⁨งาน พลังงาน และกำลัง⁩

AP Physics C: Mechanics · Topic 3 · ⁨หัวข้อ 3⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
7:46

งาน พลังงาน และกำลัง

บล็อกไถลเข้าไปในสปริงและบีบจนหยุด สปริง压缩了多少?Try that with a kinematic equation. You cannot — the force grows… ¿

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

3.1

Translational Kinetic Energy · ⁨พลังงานจลน์เชิงแปล⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 3.1.A: Describe the translational kinetic energy of an object in terms of the object's mass and velocity.

  • 3.1.A.1 An object's translational kinetic energy is given by the equation
    • Equation: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
  • 3.1.A.2 Translational kinetic energy is a scalar quantity.
  • 3.1.A.3 Different observers may measure different values of the translational kinetic energy of an object, depending on the observer's frame of reference.
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.1.A: อธิบายพลังงานจลน์แบบเลื่อนของวัตถุในแง่ของมวลและความเร็วของวัตถุนั้น

  • 3.1.A.1 พลังงานจลน์แบบเลื่อนของวัตถุกำหนดโดยสมการ
    • สมการ: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
  • 3.1.A.2 พลังงานจลน์แบบเลื่อนเป็นปริมาณสเกลาร์
  • 3.1.A.3 ผู้สังเกตที่แตกต่างกันอาจวัดค่าพลังงานจลน์แบบเลื่อนของวัตถุได้แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงของผู้สังเกต

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Kinetic energy 动能 is the energy of motion, a scalar 标量 measured in joules 焦耳 (J):

$$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$

It grows with the square of speed – doubling the speed quadruples $K$. One subtlety worth knowing: kinetic energy depends on the observer's reference frame 参考系. A passenger walking down a train has a small $K$ measured inside the train and a huge one measured from the ground – both observers are right, each in their own frame.

ไทย

พลังงานจลน์ คือพลังงานจากการเคลื่อนที่ เป็น สเกลาร์ ที่วัดด้วยหน่วย จูล (J):

$$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$

มันเพิ่มขึ้นตาม กำลังสอง ของความเร็ว – หากเพิ่มความเร็วเป็นสองเท่า $K$ จะเพิ่มขึ้นสี่เท่า ข้อควรระวังหนึ่งข้อที่ควรรู้: พลังงานจลน์ขึ้นอยู่กับ กรอบอ้างอิง ของผู้สังเกต ผู้โดยสารเดินลงบนรถไฟจะมี $K$ เล็กเมื่อวัดภายในรถไฟ และมีค่ามหาศาลเมื่อวัดจากพื้นดิน – ผู้สังเกตทั้งสองถูกต้อง แต่ละคนอยู่ในกรอบของตัวเอง

3.2

Work · ⁨งาน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 3.2.A: Describe the work done on an object or system by a given force or collection of forces.

  • 3.2.A.1 Work is the amount of energy transferred into or out of a system by a force exerted on that system over a distance.
    • 3.2.A.1.i The work done by a conservative force exerted on a system is path-independent and only depends on the initial and final configurations of that system.
    • 3.2.A.1.ii The work done by a conservative force on a system—or the change in the potential energy of the system—will be zero if the system returns to its initial configuration.
    • 3.2.A.1.iii Potential energies are associated only with conservative forces.
    • 3.2.A.1.iv The work done by a nonconservative force is path-dependent.
    • 3.2.A.1.v The most common nonconservative forces are friction and air resistance.
  • 3.2.A.2 Work is a scalar quantity that may be positive, negative, or zero.
  • 3.2.A.3 The work done on an object by a variable force is calculated using
    • Equation: $W = \displaystyle\int_a^b \vec{F}(r) \cdot d\vec{r}$, where the integral is taken over the path from point $a$ to point $b$.
    • 3.2.A.3.i The dot product between two vectors, $\vec{A}$ and $\vec{B}$, results in a scalar quantity of magnitude $\vec{A} \cdot \vec{B} = AB\cos\theta$.
    • 3.2.A.3.ii Only the component of the force exerted on a system that is parallel to the displacement of the point of application of the force will change the system's total energy.
    • 3.2.A.3.iii If the component of the force exerted on a system that is parallel to the displacement is constant, the work done on the system by the force is given by the derived equation $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$.
    • 3.2.A.3.iv The component of the force exerted on a system perpendicular to the direction of the displacement of the system's center of mass can change the direction of the system's motion without changing the system's kinetic energy.
  • 3.2.A.4 The work–energy theorem states that the change in an object's kinetic energy is equal to the sum of the work (net work) being done by all forces exerted on the object.
    • Equation: $\Delta K = \displaystyle\sum W_i = \sum F_{\parallel,i}\, d_i$
    • 3.2.A.4.i An external force may change the configuration of a system. The component of the external force parallel to the displacement times the displacement of the point of application of the force gives the change in kinetic energy of the system.
    • 3.2.A.4.ii If the system's center of mass and the point of application of the force move the same distance when a force is exerted on a system, then the system may be modeled as an object, and only the system's kinetic energy can change.
    • 3.2.A.4.iii The energy dissipated by friction is typically equated to the force of friction times the length of the path over which the force is exerted.
      • Equation: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f d\cos\theta$
    • 3.2.A.5 Work is equal to the area under the curve of a graph of $F_{\parallel}$ as a function of displacement.

Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to analyze the transfer of mechanical energy, although students should be aware that mechanical energy may be dissipated in the form of thermal energy or sound.

ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.2.A: อธิบายงานที่ทำต่อวัตถุหรือระบบโดยแรงที่กำหนดหรือกลุ่มแรง

  • 3.2.A.1 งานคือปริมาณพลังงานที่ถูกถ่ายโอนเข้าสู่หรือออกจากระบบโดยแรงที่กระทำต่อระบบนั้นตลอดระยะทาง
    • 3.2.A.1.i งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์ที่กระทำต่อระบบไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางและขึ้นอยู่กับเพียงการจัดวางตัวเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้น
    • 3.2.A.1.ii งานที่ทำโดยแรงอนุรักษ์ต่อระบบ—หรือการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์ของระบบ—จะเป็นศูนย์หากระบบกลับไปยังการจัดวางตัวเริ่มต้น
    • 3.2.A.1.iii พลังงานศักย์เกี่ยวข้องกับเฉพาะแรงอนุรักษ์เท่านั้น
    • 3.2.A.1.iv งานที่ทำโดยแรงที่ไม่ใช่แรงอนุรักษ์ขึ้นอยู่กับเส้นทาง
    • 3.2.A.1.v แรงที่ไม่รักษาพลังงาน (nonconservative forces) ที่พบบ่อยที่สุดคือแรงเสียดทานและแรงต้านอากาศ
  • 3.2.A.2 งานเป็นปริมาณสเกลาร์ซึ่งอาจมีค่าเป็นบวก ลบ หรือศูนย์
  • 3.2.A.3 งานที่ทำต่อวัตถุโดยแรงแปรผัน คำนวณได้จาก
    • สมการ: $W = \displaystyle\int_a^b \vec{F}(r) \cdot d\vec{r}$, โดยอินทิกรัลนี้คำนวณตามเส้นทางจากจุด $a$ ไปยังจุด $b$
    • 3.2.A.3.i ผลคูณสเกลาร์ระหว่างเวกเตอร์สองตัว, $\vec{A}$ และ $\vec{B}$, จะได้ปริมาณสเกลาร์ขนาด $\vec{A} \cdot \vec{B} = AB\cos\theta$
    • 3.2.A.3.ii เฉพาะองค์ประกอบของแรงที่ทำต่อระบบในแนวขนานกับการกระจัดของจุดที่แรงกระทำเท่านั้นที่จะเปลี่ยนพลังงานรวมของระบบ
    • 3.2.A.3.iii หากองค์ประกอบของแรงที่ทำต่อ系统在แนวขนานกับการกระจัดมีค่าคงที่ งานที่ทำต่อระบบโดยแรงนี้จะกำหนดโดยสมการที่ได้ $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
    • 3.2.A.3.iv องค์ประกอบของแรงที่ทำต่อระบบในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางมวลของระบบ สามารถเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของระบบโดยไม่เปลี่ยนพลังงานจลน์ของระบบ
  • 3.2.A.4 theorem พลังงาน-งาน ระบุว่า การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ของวัตถุ เท่ากับผลรวมของงาน (งานสุทธิ) ที่ทำโดยแรงทั้งหมดที่ทำต่อวัตถุนั้น
    • สมการ: $\Delta K = \displaystyle\sum W_i = \sum F_{\parallel,i}\, d_i$
    • 3.2.A.4.i แรงภายนอกอาจเปลี่ยนแปลงการจัดวางตัวของระบบ ผลคูณขององค์ประกอบของแรงภายนอกที่ขนานกับการกระจัดกับการกระจัดของจุดประบดแรงให้ค่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ของระบบ
    • 3.2.A.4.ii หากศูนย์กลางมวลของระบบและจุดประบดแรงเคลื่อนที่ในระยะเท่ากันเมื่อมีแรงกระทำต่อระบบ ระบบสามารถจำลองเป็นวัตถุได้ และการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นเฉพาะพลังงานจลน์ของระบบเท่านั้น
    • 3.2.A.4.iii พลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากแรงเสียดทาน มักเท่ากับแรงเสียดทานคูณกับความยาวของเส้นทางที่แรงกระทำ
      • สมการ: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f d\cos\theta$
    • 3.2.A.5 งานเท่ากับพื้นที่ใต้กราฟของ $F_{\parallel}$ ในฟังก์ชันของการกระจัด

ข้อความขอบเขต: AP Physics C: Mechanics ต้องการให้นักเรียนวิเคราะห์เฉพาะการถ่ายโอนพลังงานกลเท่านั้น แม้ว่าจะควรทราบว่าพลังงานกลอาจถูกกระจาย出去ในรูปของพลังงานความร้อนหรือเสียงก็ได้

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Work 功 is energy transferred into or out of a system by a force acting over a distance. For a variable force it is an integral 积分 along the path:

$$W=\int_a^b \vec{F}\cdot d\vec{r}=\int F\cos\theta\,dr.$$

For a constant force this reduces to $W=Fd\cos\theta$; on a force–position graph, work is the area under the curve. Work is a scalar with a sign, and the sign is physics, not bookkeeping:

  • Positive – force has a component along the motion (it speeds the object up).
  • Negative – force opposes the motion (friction 摩擦力 and air drag do negative work).
  • Zero – force perpendicular to the motion (the normal force 法向力 on a sliding block, gravity on a horizontal move, tension in a circular swing).

The work–energy theorem 动能定理 collects every force's contribution: the net work equals the change in kinetic energy,

$$W_{\text{net}}=\sum W_i=\Delta K.$$

Worked example. A variable force $F(x)=3x^2\ \text{N}$ (along the motion) acts from $x=0$ to $x=2\ \text{m}$: $W=\displaystyle\int_0^2 3x^2\,dx=\big[x^3\big]_0^2=8\ \text{J}$. Acting alone on a body starting from rest, it would raise the kinetic energy to exactly $8\ \text{J}$.

ไทย

งาน คือพลังงานที่ถูกถ่ายโอนเข้าสู่หรือออกจากระบบโดยแรงที่กระทำผ่านระยะทาง สำหรับแรงแปรผัน งานคือ อินทิกรัล ตามเส้นทาง:

$$W=\int_a^b \vec{F}\cdot d\vec{r}=\int F\cos\theta\,dr.$$

สำหรับแรงคงที่ มันลดรูปเหลือ $W=Fd\cos\theta$; บนกราฟแรง–ตำแหน่ง งานคือ พื้นที่ใต้curve. งานเป็นสเกลาร์ที่มีเครื่องหมาย และเครื่องหมายนั้นเป็นฟิสิกส์ ไม่ใช่แค่การบันทึกบัญชี:

  • บวก – แรงมีองค์ประกอบตามทิศทางการเคลื่อนที่ (ทำให้วัตถุเร็วขึ้น).
  • ลบ – แรงต้านทิศทางการเคลื่อนที่ (แรงเสียดทาน และแรงต้านอากาศทำงานลบ).
  • ศูนย์ – แรงตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ (แรงปกติบนบล็อกที่ลื่นไถล, แรงโน้มถ่วงในการเคลื่อนที่แนวนอน, แรงตึงในลูกตุ้มนิวตัน).
มีเพียงองค์ประกอบของแรงตามการกระจัดเท่านั้นที่ทำ功
มีเพียงองค์ประกอบของแรงตามการกระจัดเท่านั้นที่ทำ功

ทฤษฎีบทงาน-พลังงาน รวบรวม的贡献ของทุกแรง: งานสุทธิเท่ากับผลต่างของพลังงานจลน์,

$$W_{\text{net}}=\sum W_i=\Delta K.$$

ตัวอย่างคำนวณ. แรงแปรผัน $F(x)=3x^2\ \text{N}$ (ตามทิศทางการเคลื่อนที่) กระทำตั้งแต่ $x=0$ ถึง $x=2\ \text{m}$: $W=\displaystyle\int_0^2 3x^2\,dx=\big[x^3\big]_0^2=8\ \text{J}$. เมื่อกระทำต่อวัตถุที่เริ่มจากหยุดนิ่งเพียงอย่างเดียว จะเพิ่มพลังงานจลน์ให้ถึง $8\ \text{J}$ พอดี

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
scalar/ˈskeɪlə/ สเกลาร์
joules/dʒuːlz/ จูล
reference frame/ˈrefrəns freɪm/ กรอบอ้างอิง
Work/wɜːk/ งาน
integral/ˈɪntɪɡrəl/ อินทิกรัล
friction/ˈfrɪkʃn/ แรงเสียดทาน
normal force/ˈnɔːml fɔːs/ แรงปฏิกิริยาตั้งฉาก
work–energy theorem/wɜːk ˈenədʒi ˈθɪərəm/ ทฤษฎีงาน–พลังงาน
3.3

Potential Energy · ⁨พลังงานศักย์⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 3.3.A: Describe the potential energy of a system.

  • 3.3.A.1 A system composed of two or more objects has potential energy if the objects within that system only interact with each other through conservative forces.
  • 3.3.A.2 Potential energy is a scalar quantity associated with the position of objects within a system.
  • 3.3.A.3 The definition of zero potential energy for a given system is a decision made by the observer considering the situation to simplify or otherwise assist in analysis.
  • 3.3.A.4 The relationship between conservative forces exerted on a system and the system's potential energy is
    • Equation: $\Delta U = -\displaystyle\int_a^b \vec{F}_{cf}(r) \cdot d\vec{r}$
  • 3.3.A.5 The conservative forces exerted on a system in a single dimension can be determined using the slope of the system's potential energy with respect to position in that dimension; these forces point in the direction of decreasing potential energy.
    • Equation: $F_x = -\dfrac{dU(x)}{dx}$
  • 3.3.A.6 Graphs of a system's potential energy as a function of its position can be useful in determining physical properties of that system.
    • 3.3.A.6.i Stable equilibrium is a location at which a small displacement in an object's position results in a force exerted on the object opposite to the direction of the small displacement, accelerating the object back toward the equilibrium position.
    • 3.3.A.6.ii Unstable equilibrium is a location at which a small displacement in an object's position results in a force exerted on the object in the same direction as the small displacement, accelerating the object away from the equilibrium position.
    • 3.3.A.6.iii In a given dimension, stable equilibrium positions exist at locations where the potential energy as a function of position in that dimension has a local minimum.
    • 3.3.A.6.iv In a given dimension, unstable equilibrium positions occur at locations where the potential energy as a function of position in that dimension has a local maximum.
  • 3.3.A.7 The potential energy of common physical systems can be described using the physical properties of that system.
    • 3.3.A.7.i The elastic potential energy of an ideal spring is given by the following equation, where $\Delta x$ is the distance the spring has been stretched or compressed from its equilibrium length.
      • Equation: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
    • 3.3.A.7.ii The general form for the gravitational potential energy of a system consisting of two approximately spherical distributions of mass (e.g., moons, planets, or stars) is given by the equation
      • Equation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 3.3.A.7.iii Because the gravitational field near the surface of a planet is nearly constant, the change in gravitational potential energy in a system consisting of an object with mass $m$ and a planet with gravitational field of magnitude $g$ when the object is near the surface of the planet may be approximated by the equation
      • Equation: $\Delta U_g = mg\Delta y$
  • 3.3.A.8 The total potential energy of a system containing more than two objects is the sum of the potential energy of each pair of objects within the system.
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.3.A: อธิบายพลังงานศักย์ของระบบ

  • 3.3.A.1 ระบบที่ประกอบด้วยวัตถุสองชิ้นขึ้นไปจะมีพลังงานศักย์หากวัตถุภายในระบบ tersebut相互作用กันเฉพาะผ่านแรงอนุรักษ์เท่านั้น
  • 3.3.A.2 พลังงานศักย์เป็นปริมาณสเกลาร์ที่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งของวัตถุภายในระบบ
  • 3.3.A.3 การกำหนดจุดศูนย์ของพลังงานศักย์สำหรับระบบหนึ่งเป็นการตัดสินใจของผู้สังเกตพิจารณาจากสถานการณ์เพื่อทำให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้นหรือช่วยในการวิเคราะห์อื่นๆ
  • 3.3.A.4 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงรักษาพลังงาน (conservative forces) ที่กระทำต่อระบบกับพลังงานศักย์ของระบบคือ
    • สมการ: $\Delta U = -\displaystyle\int_a^b \vec{F}_{cf}(r) \cdot d\vec{r}$
  • 3.3.A.5 แรงรักษาพลังงานที่กระทำต่อระบบ在一มิติเดียว สามารถหาได้จากการชันของพลังงานศักย์ของระบบเทียบกับตำแหน่งในมิตินั้น; แรงเหล่านี้ชี้ไปในทิศทางที่พลังงานศักย์ลดลง
    • สมการ: $F_x = -\dfrac{dU(x)}{dx}$
  • 3.3.A.6 กราฟของพลังงานศักย์ของระบบในฐานะฟังก์ชันของตำแหน่ง สามารถช่วยในการกำหนดคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของระบบนั้นได้
    • 3.3.A.6.i สมดุลเสถียร คือตำแหน่งที่เมื่อมีการกระจัดเล็กน้อยของวัตถุ จะเกิดแรงกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงข้ามกับการกระจัดเล็กน้อย ทำให้วัตถุมีความเร่งกลับเข้าสู่ตำแหน่งสมดุล
    • 3.3.A.6.ii สมดุลไม่เสถียร คือตำแหน่งที่เมื่อมีการกระจัดเล็กน้อยของวัตถุ จะเกิดแรงกระทำต่อวัตถุในทิศทางเดียวกับ การกระจัดเล็กน้อย ทำให้วัตถุมีความเร่งห่างออกจากตำแหน่งสมดุล
    • 3.3.A.6.iii ในมิตินั้นๆ ตำแหน่งสมดุลเสถียรจะอยู่ในตำแหน่งที่พลังงานศักย์ในฐานะฟังก์ชันของตำแหน่งในมิตินั้น มีค่าต่ำสุดสัมพัทธ์
    • 3.3.A.6.iv ในมิตินั้นๆ ตำแหน่งสมดุลไม่เสถียรจะอยู่ในตำแหน่งที่พลังงานศักย์ในฐานะฟังก์ชันของตำแหน่งในมิตินั้น มีค่าสูงสุดสัมพัทธ์
  • 3.3.A.7 พลังงานศักย์ของระบบฟิสิกส์ทั่วไป สามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของระบบนั้น
    • 3.3.A.7.i พลังงานศักย์ยืดหยุ่นของสปริงอุดมคติ กำหนดโดยสมการต่อไปนี้ โดยที่ $\Delta x$ คือระยะที่สปริงถูกยืดหรืออัดออกจากความยาวสมดุล
      • สมการ: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
    • 3.3.A.7.ii รูปแบบทั่วไปของพลังงานศักย์โน้มถ่วงของระบบที่ประกอบด้วยมวลกระจายตัวแบบทรงกลมสองชนิดประมาณเท่ากัน (เช่น ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ หรือดวงดาว) กำหนดโดยสมการ
      • สมการ: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 3.3.A.7.iii เนื่องจากสนามโน้มถ่วงใกล้พื้นผิวของดาวเคราะห์เกือบจะเป็นค่าคงที่ การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงในระบบที่ประกอบด้วยวัตถุที่มีมวล $m$ และดาวเคราะห์ที่มีสนามโน้มถ่วงขนาด $g$ เมื่อวัตถุอยู่ใกล้พื้นผิวของดาวเคราะห์ สามารถประมาณด้วยสมการ
      • สมการ: $\Delta U_g = mg\Delta y$
  • 3.3.A.8 พลังงานศักย์รวมของระบบที่มีวัตถุมากกว่าสองวัตถุ คือผลรวมของพลังงานศักย์ของแต่ละคู่ของวัตถุภายในระบบ

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Potential energy 势能 is energy a system stores by the positions of its parts – it exists only for conservative forces 保守力, whose work is path independent. It is defined through work:

$$\Delta U=-\int_a^b\vec{F}\cdot d\vec{r},$$

and you are free to choose where $U=0$ – only changes in $U$ matter, so pick the zero that makes the problem simplest. The standard results:

  • Gravity near a surface: $\Delta U_g=mg\,\Delta y$.
  • Gravity in general: $U_g=-\dfrac{Gm_1m_2}{r}$ (zero at infinite separation).
  • Spring: $U_s=\tfrac12k(\Delta x)^2$, with $\Delta x$ measured from natural length.

For systems of several objects, add the potential energy of each pair. Turning the definition around, a conservative force is minus the derivative 导数 of its potential energy:

$$F_x=-\frac{dU}{dx}.$$

The force points "downhill" on the $U(x)$ curve. Equilibrium sits where the slope is zero: a minimum is a stable equilibrium 稳定平衡 (displaced, the force pushes back), a maximum is an unstable equilibrium 不稳定平衡 (displaced, the force pushes away).

Worked example. Given $U(x)=2x^3-6x$ (joules), the force is $F=-\dfrac{dU}{dx}=6-6x^2$. Equilibria sit at $F=0$: $x=\pm1$. Since $\dfrac{d^2U}{dx^2}=12x$ is positive at $x=+1$ (a minimum – stable) and negative at $x=-1$ (a maximum – unstable), the two points behave oppositely.

ไทย

พลังงานศักย์ คือพลังงานที่ ระบบ เก็บไว้โดยตำแหน่งของส่วนประกอบต่างๆ – มีอยู่เฉพาะสำหรับ แรงอนุรักษ์ ที่งานไม่ขึ้นกับเส้นทาง它ถูกนิยามผ่านงาน:

$$\Delta U=-\int_a^b\vec{F}\cdot d\vec{r},$$

และคุณสามารถ เลือกตำแหน่งที่ $U=0$ ได้อิสระ – เพียงแต่การเปลี่ยนแปลงใน $U$ สำคัญ ดังนั้นจงเลือกจุดศูนย์ที่ทำให้ปัญหาง่ายที่สุด ผลลัพธ์มาตรฐาน:

  • แรงโน้มถ่วงใกล้พื้นผิว: $\Delta U_g=mg\,\Delta y$.
  • แรงโน้มถ่วงโดยทั่วไป: $U_g=-\dfrac{Gm_1m_2}{r}$ (ศูนย์ที่ระยะห่าง vôที่สิ้นสุด).
  • สปริง: $U_s=\tfrac12k(\Delta x)^2$, โดยที่ $\Delta x$ วัดจากความยาวธรรมชาติ

สำหรับระบบของวัตถุหลายตัว ให้บวกพลังงานศักย์ของแต่ละ คู่ การกลับนิยามแรงอนุรักษ์คือลบของ อนุพันธ์ ของพลังงานศักย์ของมัน:

$$F_x=-\frac{dU}{dx}.$$

แรงชี้ "ลงเขา" บน curve $U(x)$ จุดสมดุลอยู่ที่ where slope เป็นศูนย์: ต่ำสุดคือ สมดุลเสถียร (ถูก displaced, แรงดันกลับ), สูงสุดคือ สมดุลไม่เสถียร (ถูก displaced, แรงดันออกไป)

บน curve พลังงานศักย์ แรงชี้ลงเขา และ E = U บ่งบอกจุดกลับทิศทาง
บน curve พลังงานศักย์ แรงชี้ลงเขา และ E = U บ่งบอกจุดกลับทิศทาง

**ตัวอย่างคำนวณ.**给定 $U(x)=2x^3-6x$ (จูล), แรงคือ $F=-\dfrac{dU}{dx}=6-6x^2$. จุดสมดุลอยู่ที่ $F=0$: $x=\pm1$. เนื่องจาก $\dfrac{d^2U}{dx^2}=12x$ เป็นบวกที่ $x=+1$ (จุดต่ำสุด – เสถียร) และลบที่ $x=-1$ (จุดสูงสุด – ไม่เสถียร) จุดทั้งสองจึงมีพฤติกรรมตรงกันข้าม

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Store elastic potential energy in a spring · ⁨เก็บพลังงานศักย์ยืดหยุ่นในสปริง⁩

Stretching a spring stores elastic potential energy $\tfrac12 kx^2$ — the area under the force-extension line. Release it and that energy becomes kinetic. · ⁨การยืดสปริงจะเก็บ พลังงานศักย์ยืดหยุ่น $\tfrac12 kx^2$ — ซึ่งเท่ากับพื้นที่ใต้เส้นแรง-การต่อ ย่อสปริงแล้ว พลังงานนี้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ พลังงานศักย์
conservative forces/kənˈsɜːvətɪv ˈfɔːsɪz/ แรงอนุรักษ์
derivative/dɪˈrɪvətɪv/ อนุพันธ์เชิงซ้อน (ดีริวทีฟ)
stable equilibrium/ˈsteɪbl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ สมดุลมั่นคง
unstable equilibrium/ʌnˈsteɪbl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ ไม่สมดุล
Mechanical energy/mɪˈkænɪkl ˈenədʒi/ พลังงานกล
nonconservative forces/ˌnɒŋkənˈsɜːvətɪv ˈfɔːsɪz/ แรงไม่อนุรักษ์
thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能
turning points/ˈtɜːnɪŋ pɔɪnts/ จุดกลับตัว
3.4

Conservation of Energy · ⁨กฎการอนุรักษ์พลังงาน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 3.4.A: Describe the energies present in a system.

  • 3.4.A.1 A system composed of only a single object can only have kinetic energy.
  • 3.4.A.2 A system that contains objects that interact via conservative forces or that can change its shape reversibly may have both kinetic and potential energies.

Learning Objective 3.4.B: Describe the behavior of a system using conservation of mechanical energy principles.

  • 3.4.B.1 Mechanical energy is the sum of a system's kinetic and potential energies.
  • 3.4.B.2 Any change to a type of energy within a system must be balanced by an equivalent change of other types of energies within the system or by a transfer of energy between the system and its surroundings.
  • 3.4.B.3 A system may be selected so that the total energy of that system is constant.
  • 3.4.B.4 If the total energy of a system changes, that change will be equivalent to the energy transferred into or out of the system.

Learning Objective 3.4.C: Describe how the selection of a system determines whether the energy of that system changes.

  • 3.4.C.1 Energy is conserved in all interactions.
  • 3.4.C.2 If the work done on a selected system is zero and there are no nonconservative interactions within the system, the total mechanical energy of the system is constant.
  • 3.4.C.3 If the work done on a selected system is nonzero, energy is transferred between the system and the environment.

Boundary statement: AP Physics C: Mechanics expects students to know that mechanical energy can be dissipated as thermal energy or sound by nonconservative forces.

ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.4.A: อธิบายพลังงานที่มีอยู่ในระบบ

  • 3.4.A.1 ระบบ consisting of only a single object สามารถมีเพียงพลังงานจลน์เท่านั้น
  • 3.4.A.2 ระบบที่มีวัตถุที่相互作用กันผ่านแรงอนุรักษ์หรือสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างย้อนกลับอาจมีทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.4.B: อธิบายพฤติกรรมของระบบโดยใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานกล

  • 3.4.B.1 พลังงานกลคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของระบบ
  • 3.4.B.2 การเปลี่ยนแปลง任何形式的พลังงานภายในระบบต้องถูกสมดุลด้วยการเปลี่ยนแปลงของพลังงานประเภทอื่นที่มีค่าเท่ากันภายในระบบ หรือโดยการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมรอบข้าง
  • 3.4.B.3 สามารถเลือกกำหนดระบบได้โดยที่พลังงานรวมของระบบนั้นคงที่
  • 3.4.B.4 หากพลังงานรวมของระบบมีการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงนั้นจะมีค่าเท่ากับพลังงานที่ถูกถ่ายโอนเข้าสู่หรือออกจากระบบ

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.4.C: อธิบายว่าการกำหนดระบบมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบอย่างไร

  • 3.4.C.1 พลังงานถูกอนุรักษ์ในทุกการมีปฏิสัมพันธ์
  • 3.4.C.2 หากงานที่ทำต่อระบบที่กำหนดเป็นศูนย์และไม่มีการมีปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ถาวรภายใน ระบบ พลังงานกลรวมของระบบจะคงที่
  • 3.4.C.3 หากงานที่ทำต่อระบบที่กำหนดไม่ใช่ศูนย์ จะมีการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม

ข้อความขอบเขต: AP Physics C: Mechanics ต้องการให้นักเรียนทราบว่าพลังงานกลสามารถถูกกระจาย出去เป็นพลังงานความร้อนหรือเสียงโดยแรงที่ไม่รักษาพลังงาน

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English
Energy conservation: KE ⇄ PE

Energy is conserved in all interactions – the question is only where it goes. Mechanical energy 机械能 is the sum $E=K+U$. If the external work on a system is zero and nothing inside it acts through nonconservative forces 非保守力, then

$$K_1+U_1=K_2+U_2.$$

When friction or drag act, they convert mechanical energy into thermal energy 热能 ($\Delta E_{\text{mech}}=-F_fd$), and the balance must include that term. If external work is done, the system's total energy changes by exactly the energy transferred: $W_{\text{ext}}=\Delta E_{\text{sys}}$. Choosing the system is choosing the bookkeeping – a single object can only have kinetic energy; include the Earth or the spring and the system can store potential energy too.

A potential-energy graph is a complete motion map: the horizontal line at height $E$ is the total energy, the gap $E-U(x)$ is the kinetic energy at each $x$, and the crossings $E=U$ are the turning points 转折点 where the object momentarily stops and reverses.

Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ block slides down a ramp from rest at height $1.5\ \text{m}$, arriving at the bottom at $4.0\ \text{m/s}$. Energy accounting: $mgh=29.4\ \text{J}$ available; $\tfrac12mv^2=16\ \text{J}$ arrives as kinetic energy; so friction converted $29.4-16=13\ \text{J}$ into thermal energy along the way.

ไทย
การอนุรักษ์พลังงาน: KE ⇄ PE

พลังงานถูกอนุรักษ์ในทุกปฏิกิริยา – คำถามคือมันไปไหน พลังงานกล คือผลรวม $E=K+U$. หากงานภายนอกต่อ系统是ศูนย์และไม่มีการกระทำภายในโดย แรงไม่อนุรักษ์, แล้ว

$$K_1+U_1=K_2+U_2.$$

เมื่อแรงเสียดทานหรือแรงต้านกระทำ พวกมันแปลงพลังงานกลเป็น พลังงานความร้อน ($\Delta E_{\text{mech}}=-F_fd$), และสมดุลต้องรวมเทอมนี้ด้วย. หากมีงานภายนอก ถูกกระทำ, พลังงานรวมของระบบเปลี่ยนไปExactly equal to energy transferred: $W_{\text{ext}}=\Delta E_{\text{sys}}$. การเลือก系统是การเลือกการบันทึกบัญชี – วัตถุเดียวสามารถมีได้เพียงพลังงานจลน์; รวมโลกหรือสปริงเข้าไป ระบบสามารถเก็บพลังงานศักย์ได้ด้วย

ลูกตุ้มนาฬิกาแลกเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์และกลับ
ลูกตุ้มนาฬิกาแลกเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์และกลับ

กราฟพลังงานศักย์คือแผนภาพการเคลื่อนที่ที่สมบูรณ์: เส้นแนวนอนที่ระดับสูง $E$ คือพลังงานรวม, ช่องว่าง $E-U(x)$ คือพลังงานจลน์ที่ตำแหน่ง $x$ ใด ๆ, และจุดตัด $E=U$ คือ จุดกลับด้าน ที่วัตถุหยุดนิ่งชั่วคราวก่อนเปลี่ยนทิศ

ตัวอย่างที่คำนวณแล้ว. บล็อก $2.0\ \text{kg}$ ลื่นไหลลงมาบนทางลาดจากสถานะหยุดนิ่งที่ความสูง $1.5\ \text{m}$, ถึงด้านล่างด้วยความเร็ว $4.0\ \text{m/s}$. การบัญชีพลังงาน: มี $mgh=29.4\ \text{J}$ พร้อมใช้; เมื่อถึงด้านล่างมี $\tfrac12mv^2=16\ \text{J}$ เป็นพลังงานจลน์; ดังนั้นแรงเสียดทานได้แปลง $29.4-16=13\ \text{J}$ เป็นพลังงานความร้อนระหว่างทาง

รถเหวี่ยงแลกเปลี่ยนพลังงานไปมา: สูงสุด (PE มากที่สุด) ที่ยอด, เร็วที่สุด (KE มากที่สุด) ที่ก้น
รถเหวี่ยงแลกเปลี่ยนพลังงานไปมา: สูงสุด (PE มากที่สุด) ที่ยอด, เร็วที่สุด (KE มากที่สุด) ที่ก้น
Explore · ⁨สำรวจ⁩

Watch energy convert as an object falls · ⁨สังเกตการแปลงพลังงานขณะวัตถุตก⁩

With no friction, mechanical energy is conserved: as an object falls, gravitational potential energy turns into kinetic energy while the total stays fixed. · ⁨เมื่อไม่มีแรงเสียดทาน พลังงานกลคงที่: ขณะวัตถุตก พลังงาน ศักย์ ของแรงโน้มถ่วงเปลี่ยนเป็นพลังงาน จลน์ โดยรวมคงที่⁩

Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
3.5

Power · ⁨กำลัง⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English

Learning Objective 3.5.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within a system in terms of power.

  • 3.5.A.1 Power is the rate at which energy changes with respect to time, either by transfer into or out of a system or by conversion from one type to another within a system.
  • 3.5.A.2 Average power is the amount of energy being transferred or converted, divided by the time it took for that transfer or conversion to occur.
    • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
  • 3.5.A.3 Because work is the change in energy of an object or system due to a force, average power is the total work done, divided by the time during which that work was done.
    • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
  • 3.5.A.4 The instantaneous power delivered to an object by a force is given by the equation
    • Equation: $P_{\text{inst}} = \dfrac{dW}{dt}$
  • 3.5.A.5 The instantaneous power delivered to an object by the component of a constant force parallel to the object's velocity can be described with the derived equation
    • Equation: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$
ไทย

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ 3.5.A: อธิบายการถ่ายโอนพลังงานเข้าสู่ ออก หรือภายในระบบในเชิงกำลัง

  • 3.5.A.1 กำลังคืออัตราการเปลี่ยนแปลงพลังงานเทียบกับเวลา โดยอาจเป็นการถ่ายโอนเข้าสู่หรือออกจากระบบ หรือการเปลี่ยนจากพลังงานประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งในระบบ
  • 3.5.A.2 กำลังเฉลี่ยคือปริมาณพลังงานที่ถูกถ่ายโอนหรือเปลี่ยน تقด้วยด้วยระยะเวลาที่ใช้ในการถ่ายโอนหรือการเปลี่ยนนั้น
    • สมการ: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
  • 3.5.A.3 เนื่องจากงานคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของวัตถุหรือระบบเนื่องจากแรง ดังนั้นกำลังเฉลี่ยจึงเท่ากับงานทั้งหมดที่ทำหารด้วยช่วงเวลาที่ทำงานนั้น
    • สมการ: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
  • 3.5.A.4 กำลังทันทีที่ถูกส่งให้กับวัตถุโดยแรงหนึ่ง กำหนดโดยสมการ
    • สมการ: $P_{\text{inst}} = \dfrac{dW}{dt}$
  • 3.5.A.5 กำลังทันทีที่ถูกส่งให้กับวัตถุโดยองค์ประกอบของแรงคงที่ที่ขนานกับความเร็วของวัตถุ สามารถอธิบายได้ด้วยสมการที่ได้
    • สมการ: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨แหล่งที่มา: คำอธิบายหลักสูตรและข้อสอบ College Board AP⁩

English

Power 功率 is the rate of energy transfer, in watts 瓦特 (W):

$$P_{\text{avg}}=\frac{\Delta E}{\Delta t}=\frac{W}{\Delta t},\qquad P_{\text{inst}}=\frac{dW}{dt}=\vec{F}\cdot\vec{v}.$$

It measures how fast work is done, not how much. The dot product matters: only the force component along the velocity delivers power.

Worked example. A block released from rest at the top of a frictionless $3.0\ \text{m}$-high ramp reaches the bottom at $v=\sqrt{2gh}=7.7\ \text{m/s}$ (from $mgh=\tfrac12mv^2$). A motor that then drives it at a steady $7.7\ \text{m/s}$ against a $20\ \text{N}$ resistance delivers $P=Fv=20(7.7)\approx150\ \text{W}$.

Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car climbs a hill that rises $1.0\ \text{m}$ for every $20\ \text{m}$ of road, at a steady $15\ \text{m/s}$. The engine must supply gravity's power drain: $P=mg\,v\sin\theta=1200(9.8)(15)\big(\tfrac{1}{20}\big)\approx8.8\ \text{kW}$ – before adding air resistance.

Exam skill. Energy FRQs reward the accounting sentence: name your system, state which forces do work on it, and write the balance ($W_{\text{ext}}=\Delta K+\Delta U+\Delta E_{\text{thermal}}$) before plugging in numbers. "Friction is present, so mechanical energy is not conserved" is a scored statement.

ไทย

กำลัง คืออัตราการถ่ายโอนพลังงาน, ในหน่วย วัตต์ (W):

$$P_{\text{avg}}=\frac{\Delta E}{\Delta t}=\frac{W}{\Delta t},\qquad P_{\text{inst}}=\frac{dW}{dt}=\vec{F}\cdot\vec{v}.$$

มันวัดว่า ทำงานเร็วแค่ไหน ไม่ใช่จำนวนงานที่ทำ การคูณสเกลาร์มีความสำคัญ: เพียงส่วนประกอบของแรงในแนวความเร็วเท่านั้นที่ให้กำลัง

กำลังคือความชันของกราฟงาน–เวลา: งานเท่ากันในเวลาที่น้อยกว่าหมายถึงกำลังมากกว่า
กำลังคือความชันของกราฟงาน–เวลา: งานเท่ากันในเวลาที่น้อยกว่าหมายถึงกำลังมากกว่า

ตัวอย่างวิธีทำ. บล็อกปล่อยจากหยุดนิ่งบนทางลาดสูง $3.0\ \text{m}$ ที่ไม่มีแรงเสียดทาน ถึงด้านล่างด้วยความเร็ว $v=\sqrt{2gh}=7.7\ \text{m/s}$ (คำนวณจาก $mgh=\tfrac12mv^2$). มอเตอร์ที่ขับเคลื่อนมันด้วยความเร็วคงที่ $7.7\ \text{m/s}$ ต้านทานแรงต้าน $20\ \text{N}$ ให้กำลัง $P=Fv=20(7.7)\approx150\ \text{W}$

ตัวอย่างวิธีทำ. รถ $1200\ \text{kg}$ ขับขึ้นเนินที่มีความชัน $1.0\ \text{m}$ ต่อระยะทาง $20\ \text{m}$ บนถนน, ด้วยความเร็วคงที่ $15\ \text{m/s}$. เครื่องยนต์ต้องจ่ายกำลัง對抗แรงโน้มถ่วง: $P=mg\,v\sin\theta=1200(9.8)(15)\big(\tfrac{1}{20}\big)\approx8.8\ \text{kW}$ – ก่อนเพิ่มแรงต้านอากาศ

เทคนิคข้อสอบ. ข้อ FRQ ด้านพลังงานให้คะแนน "ประโยคบัญชี": ระบุระบบของคุณ, ระบุว่าแรงใดทำงานกับระบบ, และเขียนสมการสมดุล ($W_{\text{ext}}=\Delta K+\Delta U+\Delta E_{\text{thermal}}$) ก่อนแทนค่าตัวเลข statement "มีแรงเสียดทาน ดังนั้นพลังงานกลไม่คงที่" เป็นคำตอบที่ได้คะแนน

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
Power/ˈpaʊə/ กำลัง
watts/wɒts/ วัตต์
3.5

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • Use the work–energy theorem $W_{net}=\Delta KE$ and compute work as $W=\int \vec F\cdot d\vec r$ for a variable force.
  • Read work off a force–position graph as the area under the curve.
  • Power is $P=\tfrac{dW}{dt}=\vec F\cdot\vec v$; watch instantaneous vs average.
  • Split forces into conservative (define a potential energy) and non-conservative (dissipate energy).
  • Choose energy methods over kinematics when the force varies or the path is complex.
ไทย
  • ใช้ ทฤษฎีบทงาน-พลังงาน $W_{net}=\Delta KE$ และคำนวณงานเป็น $W=\int \vec F\cdot d\vec r$ สำหรับแรงแปรผัน
  • อ่านค่างานจาก กราฟแรง–ตำแหน่ง เป็นพื้นที่ใต้เส้นโค้ง
  • กำลังเป็น $P=\tfrac{dW}{dt}=\vec F\cdot\vec v$; ระวังระหว่างค่าทันที vs ค่าเฉลี่ย
  • แยกแรงออกเป็นแรงอนุรักษ์ (กำหนดพลังงานศักย์) และไม่อนุรักษ์ (กระจายพลังงาน)
  • เลือกใช้วิธีพลังงานแทนจลนศาสตร์เมื่อแรงแปรผันหรือเส้นทางซับซ้อน

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in AP Physics C: Mechanics · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน AP Physics C: Mechanics⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP