國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

慣性與向心力實驗

旋轉運動的趣味實驗
器材:尼龍線(釣魚線)、紙杯、螺帽、吸管、鐵架、曬衣架、十元銅板
前 言

以下實驗常被稱為「離心力(centrifugal Force)」實驗,但是離心力並非真實存在的力,而是非慣性座標系中(例如轉彎的車子內的乘客)感受到的假想力,由慣性座標的觀察者(站在車子外面的人)該力不實際存在(相關討論見參考資料1)。乘客會被拋出轉彎的車子,是由於慣性的因素,而被拋出去的速度可由向心力(centripetal force)計算得知。

實 驗 一

取一吸管,橫向固定在鐵架上方(如圖一上方)。將尼龍線(釣魚線)穿過吸管,一端綁上一個螺帽(圖一左邊),另一端綁上紙杯(圖一右邊),並將4個或5個螺帽放進紙杯中。紙杯因為螺帽較多重量大而掉下去(如圖二)。

實驗問題:不可以用手拿,如何讓紙杯懸浮著,而不會掉下去呢?

解答:讓左邊綁螺帽的部分產生旋轉即可!用手拿著左邊螺帽的線(如圖三),輕輕用力旋轉二、三圈,然後放手,紙杯就不會掉下去囉!(如圖四)

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原理

1.螺帽旋轉時會有「向心力」,此向心力等於尼龍繩的張力,因此可以平衡紙杯的重力。

2.向心力的大小與旋轉速度平方成正比,與旋轉半徑成反比。

3.旋轉螺帽之後,平衡過程有微妙的變化:紙杯會慢慢的往下掉,而旋轉的螺帽會慢慢往上升,這是因為吸管與尼龍線之間摩擦力消耗了動能。另一方面,螺帽往上升之後,旋轉半徑變小,旋轉速度會隨之而增加(向心力增加又達成平衡)。

叮嚀的話

1.紙杯中螺帽的數量,可自行斟酌增減,但是注意不能超過一定限度。太重則左邊螺帽的旋轉速度必須更快,以使向心力(繩子張力)增加才能達成平衡。

2.在教學上,可以指導學生實驗與觀察以下問題:(1)紙杯的螺帽越多(重),要達成平衡與螺帽旋轉的速度有何關係?(2)旋轉螺帽之後,左右邊的平衡過程有何變化?

實 驗 二

如同實驗一的裝置,但是吸管沒有固定,而是用手拿著(如圖五)。

實驗問題:手只能拿著吸管,而且吸管不能往上提(高度固定),如何將紙杯舉起來呢?

解答:拿著吸管旋轉(如圖六),讓螺帽開始旋轉,旋轉速度增加到某個程度,紙杯就會上升囉!(如圖七)

 

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原理

如同實驗一,螺帽旋轉時會有「向心力」,即尼龍繩的張力,只要到達一定的旋轉速度,向心力夠大,就可以平衡紙杯的重力。

叮嚀的話

在教學上,可以指導學生實驗與觀察以下問題:(1)紙杯的螺帽越多(重),要達成平衡與螺帽旋轉的半徑有何關係?(2)當螺帽的旋轉速度越快,紙杯會上升還是下降?反之又如何?

實 驗 三

取一個曬衣架,將底部的橫桿彎折為Λ形(如圖八),並將勾狀頭部的小塑膠套(圖八右上的紅色部分)的圓形頭部以美工刀削平,以便可以放上一個十元銅板

實驗問題:如圖九,以食指放在將曬衣架底部的Λ中央,並旋轉曬衣架(如圖十)。旋轉幾圈之後,十元銅板可以仍然保持在曬衣架的勾狀頭部上面,而不會掉下來嗎?

解答:本實驗的操作基本上是利用「慣性與摩擦力」,但是需要經過練習才能在旋轉之後讓十元銅板保持在曬衣架的勾狀頭部上面。要訣是旋轉曬衣架時,一開始先左右微幅擺動,然後才旋轉360度。而停止旋轉時,身體要配合旋轉方向順勢移動一些距離,避免驟然停止。

 

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原理

銅板不會掉下來,是因為慣性與摩擦力。慣性是銅板保持原有靜止狀態的傾向,而且銅板與曬衣架的勾狀頭部之間有摩擦力,可以增加銅板保持原有的狀態。而曬衣架停止旋轉時,如果能避免突然停止(銅板會因慣性而飛出去),讓銅板與曬衣架頭部之間的摩擦力發揮作用,就能成功的讓銅板停留在曬衣架的頭部了。

叮嚀的話

1.本實驗的操作較困難,需要經過練習,尤其是停止旋轉時,身體如何配合旋轉順勢擺動再停下來(練習時請注意飛出去的銅板會打傷人或破壞易碎品)。另一方面,彎折曬衣架時,彎折角度不能太小,必須成為菱形狀,以便旋轉時手指可以保持在彎折處成為旋轉中心。

2.除了使用曬衣架,也可以用木條或竹筷製作成三角形,尤其放置銅板的位置可以削平加寬,以增加成功率

3.在教學上,可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)為什麼曬衣架的勾狀頭部要削平?除了可以讓銅板更平穩,還有什麼因素?(2)使用五元、十元或五十元銅板,實驗結果有何差異?(3)試看看,可以同時擺放更多的銅板嗎?最高紀錄可以到多少個呢?

參考資料:

1.物理教學示範實驗教室:http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/pseudoForce/index.html

2.中央大學物理演示實驗:http://demo.phy.tw/experiments/kinematics/centripetal-force/