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:
![](ex3/2.png)
動量守恆: =
![](ex3/4.png)
力學能守恆: ![](ex3/5.png)
經過解聯立方程後得:![](ex3/6.png)
![](ex3/7.png)
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
![](ex3/8.png)
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。
![](ex3/9.png)
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
科技大觀園
探索物理博覽會 |