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台中一中物理教師

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『實作』假想力

  撰文者:張宇靖  2016-09-06
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在教學過程中講到假想力的時候,常常是用電梯上升下降時所感受的體重增加減少,或者是繞著地球運轉的太空梭裡的太空人來說明,但都僅限敘述。比較少可以用簡單的方式在課堂中真實的觀察,這次來做個簡單的教具,可以實際演示給學生看。

※  需要的材料:
透明塑膠罐、乒乓球(或其他可以在水中浮起,且不吸水、不溶於水的物體)、細線、膠帶(或熱熔膠等)。

※  製作說明:
剪一段細線,一端以膠帶將細線黏在蓋子中央,另一端年在乒乓球上。黏好就完成了!如果嫌帶水桶麻煩,可以做兩個,一個裝水、一個不裝水。

※操作說明:

1.不裝水,將蓋子蓋上,放在桌上往前推,可以看到乒乓球往後,停下來時,球向前。先練習幾次,應該可以很輕鬆的演示。
  

2.裝水,蓋子蓋上後顛倒放置在桌上。往前推,可以看到乒乓球往前,停下來時,球向後。
  

※原理:
1.當罐子向右加速(加速度a)時,若觀察者在地面上看,看到的情形如圖一,張力與重力的合力F=ma。若觀察者在罐子上看(或與罐子平行的加速座標系上,與罐子無相對運動),看到的情形如圖二,會變成張力、重力及假想力三力平衡。

  

2.罐子裡裝水時,乒乓球會浮起,這裡多了水的浮力。若觀察者在地面上看,乒乓球所受外力的力圖要怎麼畫呢?加速座標系上的力圖畫呢?先暫且賣個關子,下回揭曉答案。

失重

在講解假想力的時候,同時也會帶到失重狀態,通常會以繞著地球運轉的太空梭裡的太空人是處於失重狀態來說明,但學生容易誤會是沒有受到重力作用。有個簡單的教具可以演示失重狀態的現象。

所需要的東西很簡單,找個礦泉水的瓶子,在靠近底部的側面打個洞。操作時,先以手指將瓶子的洞口堵住後裝水(瓶蓋不要蓋),手拿著瓶子再放開洞口的手指,這個時候水會漏出。然後放開瓶子讓它自由落下,此時水不會從瓶子漏出。

這是因為瓶子還沒落下的時候,水壓會讓水從洞口流出。如果瓶子自由落下,這時瓶子裡的水是失重狀態,相對於瓶子,水壓等於零,水就不會流出來了。其實水依然還是受到重力作用,只是往下墜落的加速度等於重力加速度,以瓶子的系統來看,有個假想力向上,與重力抵銷了。操作這個演示建議在走廊上(室外)或事前準備好拖把。


上一期有個問題尚未解答,水中浮起的乒乓球做加速運動時的力圖怎麼畫?請見下圖。
其中,等效重力加速度g’=√(g2+a2)、等效重力=mg’、等效浮力=ρVg’

有老師提到,原本裝水的影片中,水沒裝滿,會看到水面傾斜。如果罐子裝滿水,會不會還是一樣,乒乓球往前傾呢?結果是一樣的。



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