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    向心力裝置

 

讓瓶子裝滿水後,接著使裝置轉動,此時瓶子裡頭的浮標指向哪個方向?

 

實驗演示



演示影片一(實驗演示影片)

 

演示影片二(實驗演示影片)

 

實驗原理


相信大家都有這樣的經驗,搭乘汽車時,當汽車轉彎的時候,在車子裡頭的你會感受到一股力拉扯你,當車子左轉的時候,你會覺得好像要往外(右)側飛出去似的。

所以對於這個實驗,乍看之外,也許你會很直觀的認為浮標要往外移。有趣的是,實驗結果顯示浮標它卻往內側移動,到底發生了什麼事情? 

重新定一個新的座標系,將瓶子孤立起來觀察(等同觀察者於瓶中觀察浮標的運動)。假設裝置以等角速度轉動,新座標系必須引入一個假想力,才能使牛頓第二運動定律成立,這個假想力就是所謂的離心力。所以引入一個假想力,就代表新座標系多了一個離心力場,對於新座標系中的觀察者,等效重力場變成地表重力場與離心力場的向量和。所以對新座標系中的觀察者而言,(等效)重力場不再垂直指向地面,而是會偏離一個角度。(如圖1) 

圖1 瓶中觀察者眼中的等效重力場

我們知道,在靜止液體中的物體受到來至液體的作用力的合力便是浮力,浮力的大小是物體所排開的液體重,當物體的密度比液體低時,物體就會是一個浮體,而浮力的方向則是重力的反方向。其實這浮力的來源,追根究底是因為重力場使得靜止液體有壓力,這作用於物體表面上的壓力的合力,就是所謂的浮力。  

對於新座標系中的觀察者,浮標受了哪些作用力?繩子的張力,等效重力場賦予的(等效重)力,還有水給予的浮力(圖2)。我們要注意,此時瓶子中的物體所受的浮力,不再是往上,而會是沿著等效重力場的反方向。三力平衡的結果造成裝置在旋轉時,浮標的位置是往內移動而不是往外移動。 

 圖2

 

 

問題討論


1.如果將浮標的繩子剪斷,得到的結果會是一樣的嗎,浮標會如何運動?

2. 如果有機會大家可以去買個氦氣球,你也能進行類似的實驗,把氦氣球帶進車子裡頭觀察看看,當車子左轉的時候,你手中的氦氣球會偏向哪兒?

3.仔細觀察裝置在旋轉時,你會發現水面不是水平的,為什麼?

4.在我們的實驗當中,這次瓶子裡頭不要裝水,把浮標換成燃燒中的蠟燭,當轉盤開始旋轉後,請問這時候火焰會偏向哪邊?
 

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