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衝 量 及 動 量

簡 介

衝 量 是 指 平 均 加 於 物 體 的 力 乘 以 時 距 , 而 衝 量 與 物 體 的 動 量 變 化 關 係 如 下 :

在 此 我 們 只 考 慮 運 動 方 向 與 力 是 在 一 條 直 線 上 。 平 均 力 , 是 加 於 物 體 上 的 淨 力 。 在 此 實 驗 中 , 其 中 一 力 是 主 導 的 情 況 下 , 我 們 就 會 加 於 物 件 上 最 大 的 力 作 計 算 及 分 析 。

此 實 驗 會 讓 一 輛 車 子 在 水 平 的 軌 道 上 行 走 。繫 於 車 子 的 橡 膠 繩 由 放 鬆 到 拉 緊 , 到 最 後 回 復 放 鬆 狀 態 的 期 間 , 車 子 的 動 量 會 隨 之 改 變 。 當 車 子 向 前 行 走 時 橡 膠 繩 會 拉 緊 伸 展 並 產 生 出 一 個 隨 時 間 增 加 的 力 , 直 至 車 子 停 下 來 , 然 後 車 子 會 改 變 前 進 方 向 , 而 橡 膠 繩 亦 很 快 回 復 放 鬆 的 狀 態 。 在 此 實 驗 中 我 們 會 用 力 感 應 器 去 量 度 橡 膠 繩 所 產 生 的 力 , 運 動 感 應 器 量 度 車 子 的 速 率 , 並 利 用 數 據 收 集 軟 件 去 計 算 出 在 一 時 距 中 的 平 均 力 , 便 可 測 試 到 衝 量 與 動 量 之 關 係 。


學 習 目 標

·
量 度 車 子 的 動 量 改 變 , 並 與 它 所 受 到 的 衝 量 比 較 。
·
比 較 在 衝 量 中 的 平 均 力 及 最 大 之 力 。

實 驗 儀 器

已 接 駁 電 腦 之 數 據 收 集 器
運 動 感 應 器
力 感 應 器
車 子 及 軌 道
橡 膠 繩

步 驟

1. 量 度 車 子 的 重 量 , 並 記 錄 在 數 據 表 中 。

2. 將 運 動 感 應 器 及 力 感 應 器 與 數 據 收 集 器 連 接 , 並 重 設 力 感 應 器 。

3. 開 啟 數 據 收 集 器 軟 件 及 實 驗 工 作 紙 。
4. 將 軌 道 放 置 於 水 平 的 平 面 上 。 可 將 車 子 放 置 在 軌 道 上 , 如 車 子 不 會 向 任 何 一 邊 移 動 就 是 水 平 位 置 ; 如 不 , 就 須 再 調 較 軌 道 。

5. 將 橡 膠 繩 的 一 端 固 定 在 車 子 上 , 另 一 端 綁 上 繩 子 。 將 繩 子 固 定 在 力 感 應 器 上 。 要 留 意 選 擇 的 繩 子 長 度 , 必 須 能 讓 車 子 在 軌 道 上 自 由 行 走 , 並 在 車 子 到 達 軌 道 邊 緣 時 拉 停 車 子 。 將 力 感 應 器 固 定 在 支 架 上 , 以 致 繩 子 及 繩 子 在 車 子 行 走 時 是 成 一 直 線 的 。

6. 將 運 動 感 應 器 放 置 於 軌 道 的 另 一 端 , 能 清 楚 偵 測 到 車 子 在 軌 道 上 的 運 動 。 應 留 意 橡 膠 繩 拉 直 時 的 長 度 , 車 子 與 運 動 感 應 器 不 可 太 接 近 , 要 保 持 最 少 0.4 厘 米 的 距 離 。

7. 將 力 感 應 器 重 設 至 零。

8. 嘗 試 將 車 子 向 運 動 感 應 器 推 動 , 並 彈 回 到 你 的 手 中 。 留 意 在 過 程 中 , 力 感 應 器 不 可 移 動 , 而 車 子 也 須 保 持 在 軌 道 中 。 將 繩 子 及 橡 膠 繩 放 在 不 會 影 響 車 子 前 進 的 位 置 , 你 可 能 需 要 用 手 引 導 繩 子 及 橡 膠 繩 的 位 置 ; 要 注 意 在 過 程 中 你 不 會 影 響 到 車 子 的 運 動 及 力 感 應 器 。

9. 啟 動 數 據 收 集 器 軟 件 , 推 動 車 子 並 確 定 運 動 感 應 器 能 偵 測 到 車 子 的 運 動 。 檢 查 力 的 數 據 , 如 果 圖 線 的 頂 峰 變 平 , 即 代 表 所 用 的 力 太 強 , 未 能 記 錄 下 數 據 ; 這 樣 , 就 要 用 較 小 的 速 度 開 始 實 驗 。 如 速 度 的 圖 線 在 穿 過 X 軸 時 造 成 一 個 平 區 域 , 就 可 能 是 由 於 車 子 與 運 動 感 應 器 的 距 離 太 接 近 , 需 要 再 做 一 次 。

10. 當 你 得 到 了 一 次 可 用 的 數 據 後 , 就 可 用 作 驗 證 衝 量 與 動 量 的 關 係 。 利 用 數 據 收 集 軟 件 去 計 算 衝 量 前 後 車 子 的 速 度 。 將 得 到 的 結 果 記 錄 在 數 據 表 中 。

11 跟 著 就 要 計 算 出 衝 量 的 時 距 。 在 力 與 時 間 的 圖 表 中 先 找 出 力 的 平 均 值 , 並 同 時 留 意 用 來 計 算 這 個 平 均 值 的 時 距 。 將 得 到 的 結 果 記 錄 在 數 據 表 中 。

12 重 複 步 驟 9 - 11,並 將 得 到 的 結 果 記 錄 在 數 據 表 中 。

13 以 另 一 種 彈 性 物 質 代 替 固 定 在 車 子 上 的 橡 膠 繩 , 可 將 兩 條 彈 性 帶 連 接 起 來 , 代 替 橡 膠 繩 。

14 重 複 步 驟 9 - 12,並 將 得 到 的 結 果 記 錄 在 另 一 數 據 表 中 。



數 據 表
車子的重量 千克 

試 驗 結 束 速 度
開 始 速 度
速 度 變 化
平 均 力
F
時 距
衝 量
彈 性 物 料 1 (m/s) (m/s) (m/s) (N) (s) (N*s)
1            
2            
             
彈 性 物 料 2            
1            
2            

 

試 驗 衝 量
動 量 變 化 衝 量 與 動 量 變 化 的 區 別 百 分 比
彈 性 物 料 1 (N*s) (kg*m /s) or (N*s) (N*s)
1      
2      
       
彈 性 物 料 2      
1      
2      

分 析

1. 計 算 出 速 度 的 改 變 , 並 記 錄 在 數 據 表 中 。 用 車 子 的 重 量 及 車 速 的 改 變 去 計 算 動 量 的 改 變 作 為 衝 量 的 值 。 將 這 些 計 算 的 數 值 記 錄 在 數 據 表 中 。
2. 利 用 平 均 力 及 時 距 , 計 算 每 次 實 驗 的 衝 量 。 將 這 些 計 算 的 數 值 記 錄 在 數 據 表 中 。
3. 如 衝 量 與 動 量 的 定 理 是 正 確 的 , 在 每 次 的 實 驗 中 動 量 的 變 化 會 等 於 衝 量 。 而 實 驗 中 的 測 量 誤 差 , 如 摩 擦 、 軌 道 的 移 動 、 力 感 應 器 的 移 動 及 運 動 感 應 器 的 移 動 等 , 在 每 次 實 驗 中 會 是 接 近 相 同 的 。 其 中 一 個 方 法 是 比 較 衝 量 及 動 量 變 化 的 百 分 比 區 別 。 將 兩 者 的 相 差 除 以 兩 者 的 平 均 數 再 乘 以 100% 。 你 的 實 驗 結 果 有 多 接 近 呢 ? 你 所 得 到 的 數 據 是 否 與 衝 量 與 動 量 的 定 理 合?
4. 請 檢 視 力 對 時 間 的 圖 線 形 狀 。 力 的 平 均 值 與 最 高 力 的 值 是 否 有 顯 著 不 同 ? 試 想 想 有 沒 有 其 它 方 法 可 以 用 較 小 的 力 造 成 相 同 的 衝 量 ?
5. 當 換 上 另 一 種 彈 性 物 料 時 , 你 得 到 的 圖 線 有 哪 些 不 同 ? 你 認 為 圖 線 形 狀 與 物 料 之 間 是 否 有 關 係 ?
6. 當 你 使 用 較 僵 硬 或 較 緊 的 彈 性 物 料 時 , 對 衝 量 有 何 影 響 ? 這 如 何 影 響 到 力 的 最 大 值 ? 你 能 夠 從 這 些 觀 察 中 得 出 一 條 一 般 規 則 嗎 ?

擴 展 問 題

.
可 試 用 更 多 不 同 的 彈 性 物 料 重 複 實 驗 。
 
  力 學
  距 離 、 速 度 及 加 速 度
  如 何 証 明 鐘 擺 是 穩 定 的 ?
  衝 量 與 動 量



 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



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