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融會貫通:斜面與連接系統

把一套可靠的解題流程用在經典題型上——斜面上的方塊、繞過滑輪的兩個物體、被甩成圓周的球——並看看牛頓定律接下來將帶你去哪裡。

一套屢試不爽的解題流程

斜面

斜面上的方塊是經典的考驗。訣竅在於座標軸的選擇:不要用水平與鉛直方向,而是把軸傾斜,讓一個軸沿著斜面、另一個軸垂直於斜面。這麼一來,加速度就完全落在單一軸上,只有重力需要分解。

在傾角為 θ 的斜面上,重力分解成沿斜面向下拉的 mg·sin(θ) 與壓向斜面的 mg·cos(θ);正向力只平衡垂直於面的那一部分。

N = mg\cos\theta, \qquad a = g\sin\theta \ \text{(frictionless)}

垂直方向的軸:正向力平衡 mg·cos(θ)。沿斜面且無摩擦時:加速度為 g·sin(θ),與質量無關。

加入動摩擦力,它沿斜面向上作用、抗拒滑動,大小為 \mu_k N = \mu_k mg\cos\theta。沿斜面方向的方程式變成 mg\sin\theta - \mu_k mg\cos\theta = ma,故 a = g(\sin\theta - \mu_k\cos\theta)。當 \theta = 30^\circ\mu_k = 0.20a = 9.8\,(0.500 - 0.20\times 0.866) = 9.8\times 0.327 \approx 3.2\ \text{m/s}^2,方向沿斜面向下。

連接系統:阿特午機

現在兩個物體共用一條繞過滑輪的繩子——阿特午機。它們被迫一起運動,因此共享單一的加速度大小,並且(對理想繩與滑輪而言)共享單一的張力。為每個物體各畫一張自由體圖,取「朝較重那一側」為正向,並對兩者都寫下第二定律。把兩式相加即可消去張力。

a = \frac{m_2 - m_1}{m_1 + m_2}\,g, \qquad T = \frac{2 m_1 m_2}{m_1 + m_2}\,g

阿特午機系統的加速度與繩中張力,其中 m_2 為較重的質量。

這些結果通過了每一項合理性檢驗。若兩質量相等,a = 0T = mg——系統就平衡地懸著。若其中一個質量為零,a = g——另一個處於自由落體。而張力永遠介於兩個重量之間,這正是阿特午機能成為一種溫和、易於計時來測量 g 的裝置的原因。

圓周運動:向心力不是一種新的力

用繩子把球以穩定速率甩成一個圓。它的速率固定,但它的速度——一個向量——不斷在轉向,所以它正在加速,方向指向圓心。依據第二定律,必定也有一個指向圓心的淨力,稱為向心力。對等速圓周運動而言,其大小由速率與半徑決定。

F_{\text{net}} = \frac{mv^2}{r}

使質量以速率 v 在半徑為 r 的圓上運動所需的向心(向內)淨力。

牛頓定律接下來通往何方

你現在幾乎能分析任何日常物體所受的力。有兩條強大的捷徑直接從這些定律生長出來。把力乘上其作用的距離,你會抵達功與能量,以及功能定理——常常一行就解出用力分析要五行才解出的問題。把力乘上其作用的時間,你會抵達衝量與動量,其守恆破解了碰撞與火箭的奧祕。

同樣這三條定律,改寫給旋轉的物體,就成了力矩、轉動慣量與角動量。牛頓交給我們一台單一的機器——把物體孤立、把力相加、令其總和等於 ma——而古典力學的其餘部分,就是把這台機器轉向越來越豐富的問題。