¿Por qué me siento peor después de dormir un poco (digamos 3 horas) en lugar de pasar toda la noche?

Tiene que ver con el sueño REM. Mientras duerme, naturalmente pasa por ciclos de sueño REM. REM es el más ligero si todos los patrones de sueño y después de un ciclo es generalmente cuando las personas se despiertan de forma natural. La gente pasa por 3-4 ciclos por noche.
Ser interrumpido durante un ciclo, específicamente durante la ausencia de REM te hará sentir horrible debido a la falta de transmisores neuronales estimulantes.

Por el contrario, cuando no duerme durante períodos prolongados de tiempo, las catecolaminas circulantes aumentan a medida que su cuerpo las usa para mantenerse despierto. Esta es la razón por la que durante los períodos de vigilia prolongada las personas tienen sed con un aumento de la frecuencia cardíaca y se siente más “despierto”.