擺動是生活中很常見的現象,比如無人的鞦韆因著風的吹拂輕輕的來回擺盪,地震過後也可觀察到懸吊著的燈、吊飾等規律的來回擺動。這些現象大家或許司空見慣了,但在16世紀卻有一位偉大的科學家發現了擺動背後驚人的物理現象。這位科學家叫作伽利略,有一天,伽利略發現比薩大教堂天花板的吊燈在擺動,他看著看著,忽然發現吊燈每一次來回擺動的時間看起來似乎是一樣的,他重複做了幾次實驗,並且利用自己的脈搏跳動的次數當作測量的工具,果然發現不管吊燈擺動的幅度是大或小,每擺動一次所需要的時間都是相同的!就這樣,伽利略無意中發現了單擺的等時性,數十年後,就有人利用擺的原理發明了時鐘。擺是一種重要的實驗器具,除了一般人熟知的單擺之外,還有許多型態迥異的擺,可以用來展現種種有趣的力學現象。

國立臺灣科學教育館五樓的「探索物理世界」常設展區的力學區即以擺作為展示主題,所展示的項目包括:「擺」(即單擺,也叫作伽利略擺)、「簡單擺與複合擺」、「牛頓擺」、「共振擺」以及「蛇擺」等,藉由各種型態的擺來演示不同的力學現象,每一項展品都可動手操作,讓您「擺」玩不厭。以下簡單介紹這些擺的展示內容:

 

「擺」─中心概念:擺的等時性

擺的運動規律是伽利略發現的,他發現懸掛物來回擺動一次所需的時間(週期)都一樣,這個特性稱為「擺的等時性」,可用來計時。

擺動週期只受擺長的影響,擺長越長的擺擺動得越慢,週期也越大。

操作:

  1. 以手將擺向左或右撥到某一角度後放手觀察。
  2. 觀察看看,每一次擺動,所需的時間(週期)有一樣嗎?
  3. 改變不同角度,比較看看擺的週期有沒有改變?
  4. 你能找出擺長和週期的關係嗎?

週期:擺來回擺動一次的時間。

 

「簡單擺與複合擺」─中心概念:擺長與週期  

簡單擺的質量主要在擺錘,複合擺的質量分布於各處。兩者雖然長度一樣,但週期不會相同。

每個複合擺都可以找到週期與其相應的簡單擺;從支點往下算這個相應簡單擺的擺長的位置,就是所謂的「震盪中心」或稱為「甜蜜點」。震盪中心並不同於質量中心。

操作:

  1. 一起向左或右撥動三個擺。
  2. 這三個長度相同的擺,其擺動週期(來回擺動一次的時間)會一樣嗎?
  3. 調整A擺錘的位置,設法使A擺和B擺有同樣的週期。
  4. 調整A擺錘的長度,設法A擺使其和C擺有同樣的週期。你知道C擺的甜蜜點在哪一個位置嗎?

 

 

「牛頓擺」─中心概念:彈性碰撞中的動量守恆與動能守恆

碰撞時動量守恆,彈性碰撞時動能也守恆。於是當一個動的球碰撞一個質量相同的靜止球,而碰撞是彈性時,動的那個球會將動量與動能完全傳給靜止球。同時碰好幾個球時,也只有一個球會彈出。此裝置可反向操作,並適用於二個、三個,四個…或更多的動球的情形。

若球的質量不同,球體彈跳的速度與高度也會不同。

操作A:

  1. 把最左(或右)側的一顆擺球舉起來,讓它碰撞右(或左)側排列的球,會發生什麼事?
  2. 把最左(或右)側的二顆擺球舉起來,讓它們碰撞右(或左)側排列的球,會發生什麼事?
  3. 把最左(或右)側的三顆擺球舉起來,讓它們碰撞右(或左)側排列的球,會發生什麼事?
  4. 球把什麼傳過去了?
  5. 與另外一組球比較看看,當有一顆球質量不同時,碰撞後有何不同?

操作B:

  1. 將球相互碰撞
  2. 比較看看,在相同質量或不同質量的情況下,球的碰撞情形有何不同 ?

 

「共振擺」─中心概念:共振

當一個物體振動時,另一個物體若也跟著以相同的頻率振動,這種現象就稱為共振。

若使橫桿上的某個擺擺動,你會發現另一個相同長度的擺也會跟著開始擺動,這即是共振的現象。

操作:

  1. 隨意挑選一個擺,敲擺錘使其振動。
  2. 注意觀察哪個擺會漸漸跟著振動?其它的擺呢?
  3. 再敲另一個擺錘,注意觀察哪個擺會跟著振動?

 

 

「蛇擺」─中心概念:擺長與週期

蛇擺是由多個不同長度的簡單擺所組成,每個擺的週期成等差級數,因此當所有擺同時開始擺動後,整體看起來會像是波動。請仔細觀察過程中還會出現其它什麼樣的變化?

操作:

  1. 以手轉動轉輪,將擋球橫桿移至一側,然後放開。
  2. 仔細觀察擺動的過程中,圖像出現了哪些變化,這些擺動有規律性嗎?
  3. 要出現如此美妙的擺動圖像,需要如何設計呢?

 

11/25/2013 18:47

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