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牛頓擺

將牛頓擺置於水平桌面,用手拉起鋼珠,觀察其放手後碰撞現象。

 

實驗演示


1.(儀器介紹影片)


2.
(實驗演示影片)


3.(實驗演示影片)


4.(實驗演示影片)



 

實驗原理


要瞭解由五顆大小、質量相同的鋼珠所組成的牛頓擺的擺動原理之前,先瞭解較簡單的兩顆大小、質量相同的鋼珠的碰撞情形。當理想的剛體在碰撞時,必定遵守力學能守恆、動量守恆,我們先討論一維碰撞的情形:

動量守恆:=
力學能守恆:
經過解聯立方程後得:

 

由於我們討論的情形為大小、質量相同的剛體,m1=m2 ,得到

v'1=v2

v'2=v1
又我們設定v2=0,所以v'1=0
碰撞後兩球速度互換,此情形可視為前球把速度傳遞給後球,而前球靜止。

有了兩顆球的經驗後,要理解牛頓擺五顆球的碰撞情形也就簡單許多了。當拉起一顆球時,給予該球一定的位能,盪下後將位能轉成動能而具有初速 ,此時

1號球將速度傳給2號球,同樣的2號球也會將速度傳下去,當傳到5號球時,5號球具有的速度=v1,再將動能轉成位能而彈上去。

如此週而復始的左右擺動變完成了牛頓擺的擺動。
 

問題討論


1.能依據動量守恆、能量守恆原理解釋兩邊拉起相同顆數、不同顆數的各種情形的擺動情形嗎?
2.依據實驗原理,此牛頓擺應該會不停的擺動而沒有停下來的一天,能解釋為什麼牛頓擺會越擺越慢嗎?可以列舉至少3個造成此結果的因素嗎?
3.如果把牛頓擺放入水中會有怎麼樣的擺動情形呢?(實驗演示影片)

4.如果把牛頓擺斜的擺放會有怎麼樣的擺動情形呢?(實驗演示影片)

5.此大小相同、質量一樣的兩球碰撞情形在生活中有沒有實際的例子?

ex:撞球定杆

 

備註


1.牛頓擺的模擬動畫
2.Build a Newtonian Physics Machine!
 

相關連結


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