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牛頓擺

將牛頓擺置於水平桌面上,當擺動最左側的球撞擊其它球時,最右側的球會被彈出。當最右側的兩個球同時擺動並撞擊其他球時,最左側的兩個球會被彈出。同理,相反方向亦可行,並且適用於更多的球,三個,四個,你知道為什麼嗎?

 

實驗演示


1.儀器介紹

2.實驗演示影片1


3.實驗演示影片2


4.實驗演示影片3



 

實驗原理


牛頓擺具有五個大小、質量相同的鍍鎳鋼球,被細尼龍絲吊住,相連呈一直線,且彼此緊密排列。當把末端的鋼球拉高使其自由落下時,其位能轉變成動能而具有初速,並且與其鄰近鋼球發生碰撞。此碰撞可以近似成一維彈性碰撞,因此碰撞前後動量、動能皆守恆。

動量守恆:=
動能守恆:
經過解聯立方程後得:

 

m1=m2 ,且v2=0

所以v'1=0,v'2=v1,意即碰撞後兩球速率互換,此情形可視為前球把動量傳遞給後球。

1號球將動量傳給2號球,同樣的2號球也會將動量傳下去,當傳到5號球時,因無法將動量繼續傳遞,因此被彈出。

如此,就只有兩端的鋼球會反覆的進行動能與位能的轉換。
 

問題討論


1.你能解釋兩邊拉起相同顆數,或不同顆數的各種情形的擺動嗎?
2.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)

3.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)

4.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?

 

相關連結


1.一維碰撞
2.牛頓擺的模擬動畫
3 .Build a Newtonian Physics Machine!