高中物理_選修物理 II_3-3 牛頓運動定律的應用I-靜力平衡實驗_力平衡概念與實驗裝置

力平衡概念與實驗裝置 拔河比賽是一種力量比拼的競賽 雙方隊員各拉住繩子的一端 繩子中間綁上紅線 用來觀察哪一方的力量較大 若兩邊施力大小相同 則紅繩會維持不動 為淨力平衡狀態 力桌是用來檢驗淨力平衡的實驗裝置 中央有一插栓 在力桌兩側各裝一個滾輪 插栓和滾輪保持在同一直線上 將同環套入插栓中 並將棉繩一端綁在同環上 另一端掛上砝碼 若兩端掛上等重的砝碼 此時同環受到相同的張力 會靜止在中央而不與插栓接觸 此時達到淨力平衡狀態 首先進行平移平衡實驗 探討供點力如何達成淨力平衡的條件 力桌邊緣有刻度 將滑輪固定在0度、120度及240度的位置上 同環置於插栓中 將棉繩一端綁在同環上 另一端與槽碼掛鉤連接 調整各掛鉤上的砝碼重量 各掛鉤處的砝碼重量皆為50公克重 此時同環不與插栓接觸 為淨力平衡狀態 各棉繩所受張力大小 就是該棉繩所掛的砝碼總重 將實驗結果畫在方格紙上進行分析 在方格紙上畫出一圓點代表插栓位置 假設方格紙上的一小格為10公克重 F1為50公克重 就是在方格紙上畫出長度5格的向量 依序畫出其他向量F2及F3 三向量的夾角皆為120度 將各向量分解為水平與垂直分量 利用直尺測量各分量長度 以計算出各分量的大小 最後檢驗水平分量和是否為0 以及垂直分量和是否為0 另外在方格紙中畫出三粒的向量圖 依照各粒間的夾角 依序畫出各粒的向量 檢驗三向量是否可構成一個封閉三角形 接著同學們可測量不同角度下的三粒平衡實驗 例如將滑輪固定在0度、90度及225度的位置 調整各掛鉤上的砝碼重量 直到同環不與插栓接觸 再利用上述所教的兩種分析方法 檢驗是否滿足平移平衡的條件 轉動平衡實驗 將鋼珠放在立桌刻度盤中 再將金屬圓盤置於鋼珠上 取一張白紙平鋪在圓盤上 將三個分別懸掛有不同質量槽碼的掛鉤 以細線連接 細繩另一端跨過滑輪與插栓連接 並將插栓固定在圓盤小孔中 調整掛鉤上的槽碼質量與滑輪位置 直到圓盤中心小孔與立桌中心插栓不接觸為止 此時,圓盤不移動也不轉動 各滑輪上懸掛的槽碼與掛鉤的總重量 即代表各粒的量值 以F1、F2及F3表示 接下來探討三粒的轉動平衡條件 先在方格紙上標出施力點位置 也就是插栓位置 並畫出各粒的向量圖 接著,畫出施力點至各粒線的垂直線 即為該粒對轉軸的粒壁 也就是D1、D2及D3 測量各粒壁長度 並計算各作用力的力矩 其中作用力F1的力矩 對施力點而言造成逆時針方向轉動 因此將力矩數值定為負值 同理F2的力矩也為負值 反之,F3的力矩對施力點而言 會造成順時針方向轉動 故力矩數值定為正值 最後,計算三粒力矩合為0 即為轉動平衡狀態 若要達成淨力平衡狀態 除了需要轉動平衡 也需達成移動平衡 因此,將三項量畫在方格紙上 檢驗是否可形成一封閉三角形 若可形成,則為移動平衡狀態