工程基礎單元・約 6 分鐘

結構工程技師考科:結構學基礎:簡支梁均布載重最大彎矩

  1. 情境
  2. 觀念
  3. 計算
  4. 驗證
  5. 回想
速查卡|簡支梁均布載重
森麒機電標誌
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簡支梁均布載重

情境快選、分步觀察與本次練習清單。

從題設起算

先從原單元選一道未作答題。

  1. 列出跨距與均布載重強度及其單位。
  2. 先寫公式的前提,再帶入原題數據。
  3. 用原模型交叉核對數量級,保留自己的推導。

只改一個條件

載重強度固定,跨距加倍。

  1. 固定跨距與均布載重強度中未指定變動的量。
  2. 先預測,再用原頁模型調整指定量。
  3. 比較原結果與新結果,說明比例關係。

發現不能套公式

把題目與頁面「模型邊界」逐項比對。

  1. 指出哪個已知量缺漏或條件不符合。
  2. 列出需要補的量測、支承、負載或設備資料。
  3. 先寫「尚不能判定」,不要硬套數值。

本次練習清單

1情境:先讀題設與條件

結構工程技師考科:結構學基礎:簡支梁均布載重最大彎矩

理想簡支梁跨距 6 m,兩端分別為鉸支承與滾支承,全跨承受向下均布載重 8 kN/m。該載重已包含本題所計的全部自重,沒有其他載重或支承沉陷。採小變形靜力分析,以正彎矩為正。求最大正彎矩,以 kN·m 作答。

對應結構學的靜定結構分析。只求題設載重造成的內力;未檢核斷面強度、撓度、穩定、荷重組合或設計規範,不能當成實際梁的安全判定。

結構工程技師官方科目資料 ↗

七科練習的適用範圍與官方來源

SEVEN FOUNDATIONS / OFFICIAL SUBJECT REFERENCES

七科練習題與適用範圍

以下題幹與條件可以直接閱讀。官方來源用於核對科目方向,不表示本站題目為官方試題;答案與逐步提示可在上方互動區練習。

2觀念:公式與模型邊界

結構|簡支梁

V(x)=w(L/2−x);M(x)=wx(L−x)/2;Mmax=wL²/8

兩端簡支、全跨均布靜載、線性靜力模型。未檢核斷面強度、撓度、剪切、穩定及荷載組合,不據此決定梁尺寸。

七種工具的整體說明

ASSUMPTIONS BEFORE ANSWERS

七種工具的公式與邊界

滑桿與數字欄位操作需要 JavaScript。模型的公式與限制如下;這些是教學條件,不是現場操作程序。

3計算:作答、模型與多步案例

已自動切到「結構工程技師」的練習、模型與案例;需要時可在下方切換其他科。

工程備考・計算基礎

先解一題,再把觀念補齊。

從數字、單位與條件出發。七條考試路線,提示陪你起步,錯題留給下一次突破。

01第一批基礎練習
每類目前 1 題
原創練習,非歷屆試題。目前各考試路線僅一題入門計算,未覆蓋完整國考,亦不代表命題預測。

正在準備題庫。若未啟用 JavaScript,可先閱讀本頁的工程說明與官方考試資料。

多步案例挑戰(已切到本科案例)與研究比較說明

條件比較、參數掃描與研究資料帶出:可選取 CSV 文字,也可保存與還原研究包。還原前先檢查內容,不會自動覆寫目前研究或提交筆記。比較與曲線僅供教學,不是現場設計、設備合格或警報判定。

MULTI-STEP CASES / CALCULATION & INTERPRETATION

七科工程案例:從條件到計算,再到判讀

7 個多步案例:每個案例 3 個計算步驟,再做 1 個模型判讀。共 21 個計算步驟與 7 個判讀,與上方 7 道基礎題分開計算進度。

本頁提供七個自行設計的教學情境,每案包含三個計算問題與一個判讀問題,適合練習基本公式與工程判讀。各題請依題設條件獨立作答,可保留小數點後兩位;判答容許誤差僅供練習使用,實際設備允收值須另行確認。題目採假設條件,並非官方歷屆試題;官方科目與公式來源供延伸閱讀,完整考試準備請另依各科課程安排。

閱讀題目與來源

以下原創題目、假設與來源在未啟用 JavaScript 時仍可閱讀;互動核對與逐步回饋載入後顯示於上方。

消防設備師|熱慣性:觀察時刻與任意參考溫度

教學情境:一個理想感熱元件原為 20 °C;從 t = 0 起,周圍環境立即改為 80 °C 並保持。題設時間常數為 60 s。你要依同一條熱反應曲線,先算觀察值與剩餘溫差,再反算跨越 65 °C 的時間。65 °C 只是一條任意教學參考線,不是任何產品的警報門檻。

教學假設

  • 元件內部溫度視為均勻,只採一階對流模型 T(t) = Ta + (T0 − Ta)e^(−t/τ)。
  • 環境溫度與時間常數固定,忽略輻射、傳導損失、氣流改變、電子判斷與通訊延遲。
  • τ = 60 s 是本題假設,未由任何實際感知器試驗取得;所有時間從環境階躍開始計。

已知條件

起始元件溫度(T0)
20 °C
階躍後環境溫度(Ta)
80 °C
題設時間常數(tau)
60 s
第一觀察時刻(t1)
60 s
第二觀察時刻(t2)
120 s
任意參考溫度(非警報門檻)(Tref)
65 °C

三個計算步驟

  1. 步驟 1|算觀察溫度:求 t = 60 s 的理想元件溫度。 作答單位:°C
  2. 步驟 2|算尚未消除的溫差:求 t = 120 s 時的 Ta − T(120),以正的溫差作答。 作答單位:K
  3. 步驟 3|由參考溫度反算時間:同一模型第一次達到任意參考溫度 65 °C,需經過多少秒?這不是實際警報時間。 作答單位:s

模型判讀

這三個數值可支持哪一項結論?

  • 已證明任一標示 65 °C 的現場感知器都會在 83.18 s 發出警報。
  • 只得到題設模型的熱反應;要判斷實際警報,仍需產品與現場依據。
  • 到兩個時間常數時元件已完全等於環境溫度。
查看判讀參考

參考選項:只得到題設模型的熱反應;要判斷實際警報,仍需產品與現場依據。

原始熱反應研究支持一階對流方程,但參數與實際反應須有試驗及環境依據。本題只解析指定數學模型,沒有取得或驗證產品警報時間。

研究延伸:待研究:只把題設 τ 改成兩組其他正值,先預測再重算 T(60) 與到達同一任意參考線的時間;哪些結論只關於理想模型,哪些還需要實測才能成立?

適用界線:一階理想熱反應,不代表感知器選型、間距、認可試驗、現場警報或避難可用時間。

查核來源

冷凍空調工程技師|顯熱:風量、傳熱率與三小時熱能

教學情境:穩態空氣以 2400 m³/h 流過一個理想冷卻段,由 30 °C 降至 18 °C,連續保持 3 h。先把風量轉為質量流率,再求顯熱移除率與這段時間移除的熱能;本題沒有提供冷凍機耗電或性能係數。

教學假設

  • 流量條件下的空氣密度取 1.2 kg/m³,比熱取 1.006 kJ/(kg·K),均為題設常數。
  • 含濕量不變且沒有凝結,忽略風機熱、漏風與其他熱損失;體積流量與密度使用同一狀態。
  • 整段 3 h 的流量與溫差保持不變,移除熱量一律取正值。

已知條件

體積流量(Vdot)
2400 m³/h
題設空氣密度(rho)
1.2 kg/m³
題設定壓比熱(cp)
1.006 kJ/(kg·K)
入口溫度(Tin)
30 °C
出口溫度(Tout)
18 °C
保持時間(hours)
3 h

三個計算步驟

  1. 步驟 1|風量轉質量流率:依給定體積流量及密度,求空氣質量流率。 作答單位:kg/s
  2. 步驟 2|求顯熱移除率:依原始給定條件,求冷卻段的顯熱移除率。 作答單位:kW
  3. 步驟 3|從熱率累積成熱能:若條件恆定持續 3 h,求總顯熱移除量,以 kWh 的熱能作答。 作答單位:kWh

模型判讀

有人打算把第三步答案直接填入預估電費,哪項判讀正確?

  • 不能直接代入;這是熱能,尚缺同工況性能係數與輔助耗電等資料。
  • 可以,所有以 kWh 表示的量都等於電表用電。
  • 只要把 kWh 改寫成 kW,就能得到三小時電費。
查看判讀參考

參考選項:不能直接代入;這是熱能,尚缺同工況性能係數與輔助耗電等資料。

模型只計算空氣端的顯熱。電力端仍涉及冷凍循環性能與輔助設備;有凝結時,連空氣端總冷量也不等於此顯熱值。

研究延伸:待研究:保持風量與溫差,另列出計算含除濕總熱量及電耗所缺的資料。若未取得這些資料,研究紀錄應如何分開寫出已知量與待查量?

適用界線:固定密度與比熱的穩態顯熱模型,沒有機組選型、電費、潛熱、換氣需求或舒適度判定。

查核來源

土木工程技師|地下水位變更:總應力與水壓都要重算

教學情境:水平土層中固定觀察地表下 6 m 的同一點。狀態 A 的地下水位深度為 3 m,狀態 B 上升到地表下 1 m。按題設各狀態重新分配水位上下土重,先求 A 的總應力與孔隙水壓,再算 B 相對 A 的有效應力變化。

教學假設

  • 地表無額外載重;水位以上土單位重取 18 kN/m³,水位以下飽和土取 20 kN/m³,水取 9.81 kN/m³。
  • A、B 均為已達靜水分布的理想狀態,沒有滲流、承壓水、超額孔隙水壓或毛細吸力。
  • 地表、觀察點與幾何位置固定,忽略變形;壓縮應力為正,變化定義為 B − A。

已知條件

固定觀察深度(z)
6 m
狀態 A 水位深度(zwA)
3 m
狀態 B 水位深度(zwB)
1 m
水位以上土單位重(gamma)
18 kN/m³
飽和土單位重(gammaSat)
20 kN/m³
水的單位重(gammaW)
9.81 kN/m³

三個計算步驟

  1. 步驟 1|A 的總垂直應力:求狀態 A 在深度 6 m 的總垂直應力 σv,A。 作答單位:kPa
  2. 步驟 2|A 的靜水孔隙水壓:求狀態 A 同一點的孔隙水壓 uA。 作答單位:kPa
  3. 步驟 3|水位上升後的有效應力變化:求固定觀察點的 Δσ′v = σ′v,B − σ′v,A;減少時請輸入負值。 作答單位:kPa

模型判讀

為何總應力增加,題設有效應力卻下降?

  • 只要水位上升,土壤承載力就必定等比例下降 15.62%。
  • 有效應力下降表示地下水的密度變小了。
  • 水位上升同時改變上覆土重與孔隙水壓;此題水壓增加得更多。
查看判讀參考

參考選項:水位上升同時改變上覆土重與孔隙水壓;此題水壓增加得更多。

σ′ = σ − u 必須比較同一位置且一致條件的兩個量。結果只描述題設靜水狀態,不能直接轉為沉陷、破壞、承載力或施工安全結論。

研究延伸:待研究:若水位改變尚未達靜水平衡,哪些觀測與土層資料是本題缺少的?請分開列出計算假設、待量測項目與不能先下的結論。

適用界線:忽略非飽和吸力、滲流、固結與變形;不是地質調查、承載力、沉陷或基礎安全報告。

查核來源

結構工程技師|簡支梁:從支承平衡追到指定截面

教學情境:一根理想簡支梁跨距 8 m,全跨承受向下均布線載重 6 kN/m。觀察截面位於左端起 2 m。先由整體平衡求支承反力,再隔離左側梁段求剪力及彎矩;題目只提供受力條件,不指定任何實際梁斷面。

教學假設

  • 左端為鉸支承、右端為滾支承,無支承沉陷;採小變形靜力分析。
  • 6 kN/m 已包含本題全部自重與外載,沒有集中力或外加力偶。
  • x 自左端量起;向上支承反力為正,V(x) = RA − wx,正彎矩為下緣受拉的跨中彎曲。

已知條件

跨距(L)
8 m
全跨均布線載重(w)
6 kN/m
指定截面距左端(x)
2 m

三個計算步驟

  1. 步驟 1|整體平衡:求左端支承反力 RA,向上為正。 作答單位:kN
  2. 步驟 2|指定截面的剪力:依本題 V(x) = RA − wx 的正號約定,求 x = 2 m 的剪力。 作答單位:kN
  3. 步驟 3|指定截面的彎矩:求 x = 2 m 的正彎矩 M(x),不是全梁最大彎矩。 作答單位:kN·m

模型判讀

保持載重與跨距不變,只把觀察截面改到左端起 6 m,何項判讀正確?

  • 支承反力會因觀察位置移動而改變。
  • 剪力方向相反而彎矩大小相同;這仍不能判定梁的安全性。
  • x = 2 m 已是最大彎矩處,所以往右所有彎矩只會減少。
查看判讀參考

參考選項:剪力方向相反而彎矩大小相同;這仍不能判定梁的安全性。

本題能用平衡式分析內力分布,不能從單一彎矩直接判斷構件承載力。位移、強度、穩定及荷重組合各需要額外資料與適用規範。

研究延伸:待研究:先畫出兩個對稱截面的自由體圖,再預測剪力與彎矩的對稱性。若改為集中載重,原來的公式中哪些步驟必須重新建立?

適用界線:只計內力,未提供斷面、材料、撓度、剪切強度、穩定或法規荷重組合;不得據此決定實際梁尺寸。

查核來源

電機工程技師|三相功率:同一工況下辨識 S、P 與 |Q|

教學情境:平衡三相正弦負載的線電壓有效值為 400 V、線電流有效值為 15 A,功率因數為 0.8 且電流落後。你要從線量建立功率三角形,依序求視在、有功及無功功率大小,再判斷能否把功率因數稱為效率。

教學假設

  • 三相負載平衡,電壓與電流均為正弦波有效值;功率因數為 cosφ。
  • 各步都求三相總量,使用線電壓與線電流,不再額外乘 3。
  • 第三步只求 |Q| 的非負大小;沒有輸出軸功率、機械效率或諧波資料。

已知條件

線電壓有效值(VLL)
400 V
線電流有效值(IL)
15 A
落後功率因數(pf)
0.8 1

三個計算步驟

  1. 步驟 1|視在功率:求三相總視在功率 S。 作答單位:kVA
  2. 步驟 2|有功功率:依原始條件,求負載吸收的三相總有功功率 P。 作答單位:kW
  3. 步驟 3|無功功率大小:求同一負載的三相總無功功率大小 |Q|。 作答單位:kvar

模型判讀

哪一項可由本題條件成立?

  • 功率因數 0.8 已證明設備把 80% 電力轉成有用機械功。
  • 若只把功率因數改成 1,線電流必定自動不變而設備耗電下降。
  • 可核對 S² = P² + |Q|²,但尚不能由這些值求機械效率。
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參考選項:可核對 S² = P² + |Q|²,但尚不能由這些值求機械效率。

在本題正弦平衡條件下可建立功率三角形。功率因數不等於能量轉換效率;加入諧波或不平衡後,也不能不加條件沿用本組簡式。

研究延伸:待研究:分別設計「固定線電壓與線電流」及「固定有功負載」兩種理想比較,列出提高功率因數時各自必須固定、重算或另取資料的物理量,不預先宣稱節電。

適用界線:限平衡正弦三相;沒有諧波、保護配合、導線選型、補償設備設計或現場帶電量測指引。

查核來源

機械工程技師|旋轉功率:由同一軸推到題設輸入邊界

教學情境:某理想穩態運轉案例中,指定馬達輸出軸的轉矩為 45 N·m、轉速為 1200 rpm。題目另明確給定:在此同一工況,從電力輸入端到該軸的效率為 0.90。先求角速度,再求軸功率,最後反推電力輸入。

教學假設

  • 轉矩與轉速均指同一根指定輸出軸,方向一致,且運轉穩定、無角加速度。
  • η = 0.90 是題目給定的同工況電輸入至指定軸輸出效率,不是功率因數或由前題推得。
  • 效率邊界已到指定軸,不再額外加入題目未給的齒輪、皮帶或變頻器損失。

已知條件

指定軸轉矩(torque)
45 N·m
指定軸轉速(rpm)
1200 rpm
題給同工況轉換效率(eta)
0.9 1

三個計算步驟

  1. 步驟 1|轉速轉角速度:求指定軸角速度 ω,以 rad/s 作答。 作答單位:rad/s
  2. 步驟 2|指定軸的機械功率:依原始轉矩與轉速,求該軸輸出的機械功率。 作答單位:kW
  3. 步驟 3|題設效率下的電力輸入:使用題給 η = 0.90,求相同工況的電力輸入功率。 作答單位:kW

模型判讀

若拿掉題目給定的效率,只保留轉矩與轉速,哪項判讀正確?

  • 仍可求指定軸的機械功率,但不能唯一求得電力輸入功率。
  • 可令效率等於 1,並把結果稱為實際輸入功率。
  • rpm 已包含設備全部損失,因此仍可直接得到電表功率。
查看判讀參考

參考選項:仍可求指定軸的機械功率,但不能唯一求得電力輸入功率。

同一個軸功率可以由不同效率的驅動系統提供。本題能反推輸入,只因題目明確給了適用於同工況及同一邊界的效率。

研究延伸:待研究:保持相同軸端轉矩與轉速,只改題設效率,觀察推算輸入如何改變。若要把這項比較用於真實設備,還需哪些同工況量測或原廠資料?

適用界線:題設效率只供算例,未處理啟動、動態慣性、轉矩波動、效率隨負載改變或元件強度;不是馬達選型或節能驗證。

查核來源

電子工程技師|負載分壓:從等效電阻到負載耗散

教學情境:理想 12 V 直流源經上臂 R1 = 2000 Ω 接輸出節點,下臂 R2 = 4000 Ω 由節點接至 0 V。另接 RL = 4000 Ω,由輸出節點到 0 V,與 R2 並聯。先化簡並聯支路,再求輸出電壓與僅在 RL 上耗散的功率。

教學假設

  • 理想直流電源,所有電阻為固定正值且遵循歐姆定律;不計線阻、源阻抗、容差與溫漂。
  • 輸出電壓以 0 V 節點為參考;任何量測儀表皆視為無限輸入電阻。
  • 這是電路計算示意;未提供元件功率額定或實際裝配條件,不判定元件是否適用。

已知條件

理想直流輸入(Vin)
12 V
上臂電阻(R1)
2000 Ω
下臂電阻(R2)
4000 Ω
並聯負載電阻(RL)
4000 Ω

三個計算步驟

  1. 步驟 1|化簡下臂與負載:求 R2 與 RL 的並聯等效電阻 Rp。 作答單位:Ω
  2. 步驟 2|求接負載後的輸出:依原始條件,求負載接入時的輸出節點電壓。 作答單位:V
  3. 步驟 3|求 RL 的耗散功率:求負載電阻 RL 自身耗散的功率,以 mW 作答,不是整個並聯支路或電源總功率。 作答單位:mW

模型判讀

哪一項正確解釋負載接入後的變化?

  • 理想電壓源保證任何分壓節點都維持無負載時的 8 V。
  • RL 與 R2 並聯使下臂等效電阻變小,輸出降低;9 mW 也不能直接當成元件額定值。
  • 9 mW 已包含 R1 與 R2 的損失,因此等於電源提供的總功率。
查看判讀參考

參考選項:RL 與 R2 並聯使下臂等效電阻變小,輸出降低;9 mW 也不能直接當成元件額定值。

負載接在分壓節點會改變電路。計算出的支路耗散只是題設工況需求,實際元件仍需額定、降額、散熱及容差等資料才能評估。

研究延伸:待研究:只改 RL,先預測 Vout 與負載耗散是否必然同方向變化,再以既有工作台比較多組理想條件。另列出把結果用於實際元件時尚缺哪些資料。

適用界線:理想直流固定電阻計算;未處理容差、溫度、功率額定、動態或源阻抗,不提供帶電接線操作。

查核來源

4驗證:先預測,再用模型對照

七科邊界查核:先預測,再用模型對照

這些原創查核練習檢查公式、單位與理想邊界,不是現場允收標準。先手算,再展開解析;「帶入模型」會替換所選模型欄位,不會送出練習答案。考選部連結用來核對考試方向;下列教材與研究用來追查公式,均不取代臺灣現行法規或專業簽證。

本節與七科導覽更新:。原題庫與案例的查核日期另見各區說明。

結構|先檢查支承,再看最大彎矩

先試看看:令簡支梁 L = 6 m、全跨向下均布載重 w = 8 kN/m。模型先帶入跨中 50%;再分別把觀察位置改成 0% 與 100%。

展開手算與適用限制

每端反力為 wL/2 = 24 kN。跨中 x = 3 m:V = 0、M = 36 kN·m;兩端 x = 0 與 6 m:M = 0,截面內側剪力分別為 +24 與 −24 kN。量綱 wL² 為 kN·m。這裡求內力,不檢核梁強度、撓度或荷重組合,不能據此判定實際梁安全。

公式追查:MIT OCW 1.050,Internal Forces and Moments 的截面平衡方法 ↗;本卡公式由題設簡支、全跨均布載重的平衡推導。

查看本模型完整公式與限制

5回想:不看上面,說得出來嗎?

前往下一科會離開本頁:本頁「計算」區的基礎題作答/錯題統計與多步案例進度不會帶到下一頁(基礎題若已勾選保存,依原保存設定處理);回想題的自評排程會留在這台裝置。想保留同頁作答紀錄並切換科目,請改用完整工作台。

把解題延伸到真實工程問題

先分清假設、已知資料與待確認的現場條件,再整理要交給專業人員的問題。