課程名稱:力矩與靜力平衡 編授教師: 中興國中 楊秉鈞 轉動 影響轉動的因素探討 O 轉軸 OO’ A B C O’ (媒體:1,1’46”) 1.在門 C 位置上施力,門很容易轉動 2.從門位置 C 依序至位置 A 施力,轉動愈不易.
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Transcript 課程名稱:力矩與靜力平衡 編授教師: 中興國中 楊秉鈞 轉動 影響轉動的因素探討 O 轉軸 OO’ A B C O’ (媒體:1,1’46”) 1.在門 C 位置上施力,門很容易轉動 2.從門位置 C 依序至位置 A 施力,轉動愈不易.
課程名稱:力矩與靜力平衡
編授教師:
中興國中 楊秉鈞
轉動
影響轉動的因素探討
O
轉軸
OO’
A
B
C
O’
(媒體:1,1’46”)
1.在門 C 位置上施力,門很容易轉動
2.從門位置 C 依序至位置 A
施力,轉動愈不易
影響物體轉動的因素
影響物體轉動的因素:
(1) 施力的大小
(2) 作用點
(3) 方向
。
。
。
轉動效果討論:
(1)當力的作用點和方向固定時,施力 愈大 ,物體轉動的效果越
明顯。
(2)當作用方向相同時,力作用點離支點 愈遠 ,可以用越小的施
力,產生相同的轉動效果。
(3)當力的作用點固定時,施力的方向和物體的夾角越接近 90 度
,可以用越小的施力產生相同的轉動效果。
(媒體:1,3’55”)
力臂的定義
力臂的定義:用力臂來說明施力的 作用點 和 方向 對轉
動效果之影響
(1)力臂定義: 支點 到 力作用線 的垂直距離,符號
(2)力臂的意義:
在施力大小相同時,力臂越大者愈容易轉動。
施力的方向與槓桿的夾角越小時,力臂 越小 。
(3)找力臂的程序:
作力線
找支點
;
; 畫垂距
。
d
F
●
O
d
。
求力臂作圖
若OP D
d甲 D
d乙
d丙
D
2
D
2
d丁 0
d甲 d乙 d丙 d丁
垂直於槓桿的施力, 力臂最大, 轉動效果最好
範例解說
1.小華欲施力將一圓柱(半徑10公分)推上樓梯,如圖:
(1)標示出物體轉動時的轉軸(支點)位置。
(2)如圖的四個施力F1、F2、F3、F4,其力臂大小請作圖求出。
10
(3)力臂依序為:d1=
cm;d2= 如圖
cm 。
d3= 20
cm ;d4= 如圖 cm 。
d4
d2
●
O
(媒體:2 )
●
O
力矩 L
力矩的定義與公式
力矩的定義:符號 L ,是有方向性的物理量。
以 施力大小
與 力臂 的乘積衡量物體的轉動效果
力矩的公式:
力矩 施力力臂
L F d
力矩的單位:
與功的單位相同,但意義截然不同
力矩的單位:(1) N.m=牛頓.米
(2)kgw.m=公斤重.米
(3)gw.cm=公克重.公分
。
轉動的觀察
轉動的觀察:
1. 轉軸 O( 支點 ):轉動中位置不變的點
逆時針
2.方向: 順時針
;
。
3.施力方向(力的作用線)
4. 槓桿 :繞轉軸轉動的裝置
O
O
順時針力矩
逆時針力矩
範例解說
2.右圖,F1、F2、F3對槓桿施力,則:
若以A為轉軸,可能造成順時針轉動的施力是 F1 F3 。
若以B為轉軸,可能造成逆時針轉動的施力是 F1 F2 。
若以C為轉軸,可能造成逆時針轉動的施力是 F1 F3 。
F2
A
F1
B
C
F3
範例解說
3.如圖所示,就其旋轉效果的大小而言,各力對支點的力矩依大小排列
C
如下,哪一項正確?
。(單位:F gw、d cm)
(A) F1 的力矩>F2 的力矩>F3 的力矩>F4 的力矩
(B) F4 的力矩>F3 的力矩>F2 的力矩>F1 的力矩
(C) F3 的力矩=F2 的力矩=F1 的力矩>F4 的力矩
(D) F4 的力矩=F3 的力矩>F1 的力矩>F2 的力矩。
L1 F1d1 6 1 6 gw.cm 逆時針
L2 F2d2 3 2 6 gw.cm 逆時針
L3 F3d3 2 3 6 gw.cm 順時針
L4 F4d4 1 4 4 gw.cm 逆時針
範例解說
4. ( C )如附圖所示,扳手上各力的大小均相同,各力皆單獨施於扳
手上,比較各力所產生的力矩,下列敘述何者正確?
(A) F1 所產生的力矩最大
(B) F1 所產生的力矩等於F1與d 的乘積
(C) F4 所產生的力矩為零
(D) F2 所產生的力矩大於 F3 所產生的力矩。
L1 F1d1 F1 0 0
d2
L2 F2 d 2
d3
L3 L2 L1 L2
L3 F3d3 F3d
L4 F4 d4 F4 0 0
範例解說
5. ( D )下圖為一個以O點為支點轉動的鐵片,而三拉力F1、F2、F3
大小均相等,且所生成的力矩分別為L1、L2、L3,試問三力
矩大小關係為何?
(A) L1=L2=L3 (B) L1>L2>L3。
(C) L1>L3>L2 (D) L2>L1>L3。
d1
d 2 d1 d3
d2
F1 F2 F3
L2 L1 L3
d3=0
合力矩 L
合力矩的意義
合力矩的意義:
當物體同時受到數個力產生的力矩時,合力矩為 順逆力矩和之差 。
(1)如果力矩的方向相同,轉動效果會增強。
(2)力矩的方向不同,轉動效果會減弱。
(3)當順時針方向的力矩和逆時針方向的力矩大小相等,則合力矩
為零,對物體的轉動效果也為零,原本靜止的物體 不會轉動 。
合力矩決定物體是否轉動?
L 順逆力矩和之差 L順 L逆 或 L逆 L順
1
2
L 0 不轉動
1.順時針力矩和 逆時針力矩和 不轉動
L 0 必轉動
1.順時針力矩和 逆時針力矩和 向順時針方向轉動
2.順時針力矩和 逆時針力矩和 向逆時針方向轉動
範例解說
6. ( B )附圖為一扇具有轉軸的門之俯瞰圖,這個門同時受到三個力
(3 kgw、5 kgw、4 kgw)的作用,其合力矩為?
(A) 0 (B) 30 kgw‧m (C) 50 kgw‧m (D) 55 kgw‧m
LS 順 ; Ln 逆
LS 5 3 3 5 4 0 30Kgw.m
Ln 0
L 30 0 30Kgw.m 順時針
範例解說
7. ( B )如附圖為一木尺受到各力作用,求此木尺所受的合力矩大小
為多少? (A) 32 gw.cm順時鐘 (B) 16 gw.cm順時鐘
(C) 32 gw.cm逆時鐘 (D) 8 gw.cm逆時鐘
順
順
逆
LS 10 6 6 2 72gw.cm
Ln 20 2 4 4 56gw.cm
L 72 56 16gw.cm 順時針
逆
範例解說
8. 如圖所示,F1、F2及F3皆為15gw,AC=10cm,BC=20cm。則:
(1)( C )對C點而言,哪些力會產生逆時針方向的力矩?
(A) F2 (B) F1、F2 (C) F2、F3 (D) F1、F2、F3。
(2)( C )對O點而言,三力所產生的力矩大小為何?
(A) 45gw.cm
(B) 150gw.cm。
(C) 375gw.cm (D) 600gw.cm。
逆
逆
5cm
10 cm
10 cm
逆
LS 0 gw.cm
Ln 1510 1510 15 5
375gw.cm
L 375gw.cm 逆時針
槓桿原理
名詞釋義 施力(臂)與抗力(臂)
(媒體:1,52”)
抗力臂
支點
W
抗力
施力臂
F
施力
阿基米德
西元前212-287
Give me a place tostandand I will movetheEarth.
槓桿原理
槓桿原理:
零 。
(1)槓桿之合力矩=
(2)順時針力矩 = 逆時針力矩。
(3)槓桿不轉動
d1
施力臂
d2
抗力臂
施力
抗力
F
W
施力 施力臂 抗力 抗力臂
Fd1 Wd 2
(媒體:1,4’31” ; 2,5’47” )
槓桿原理的應用 等臂天平
W1d W2 d m1 gd m1 gd m1 m2
槓桿原理的應用 蹺蹺板
d1
d2
W1
W2
當兩人分別坐在蹺蹺板兩側,保持平衡而不轉動時:
(1)體重較重的人離蹺蹺板支點較 近
。
(2)體重較輕的人離支點較 遠
。
W1d1 W2 d 2
W1 W2 d1 d 2
槓桿原理的應用 拔釘器
施力F
抗力W
抗力臂 d2
支點
施力臂d1
Fd1 Wd 2 釘子可拔起
施力臂d1愈大 , F愈小, 愈易拔起
槓桿原理的應用 扳手
支
點
抗力點
施力臂
施力點
靜力平衡
靜力平衡
靜力平衡:
(1)槓桿之狀態= 靜止 ; 不移動且不轉動 。
(2)兩必要條件:
甲:合力關係:
不移動: 合力=0 , F=0 。
乙:合力矩關係:
不轉動: 合力矩=0 , △L=0 。
物體受力狀態討論:移動與轉動可獨立討論
合力=0;合力矩=0 不移動、不轉動
合力 0;合力矩=0 會移動、不轉動
合力 0;合力矩 0 會移動、會轉動
合力=0;合力矩 0 不移動、會轉動
平衡討論:
靜力平衡討論
如圖以中國桿秤秤魚,桿及秤鉤重量忽略不計,調整秤錘之位置,當
桿秤水平並保持(靜力)平衡時:
甲: 合力關係
合力 0
F F1 F2 不移動
若合力 0
1 若 F F1 F2 合力向上
2 若 F F1 F2 合力向下
靜力平衡討論
平衡討論:
如圖以中國桿秤秤魚,桿及秤鉤重量忽略不計,調整秤錘之位置,當
桿秤水平並保持(靜力)平衡時:
A
C
乙 : 合力矩關係
合力矩 0
L 0 不轉動
支點可任選
以下關係皆成立:
1 設A為支點 Fd1 F2 d1 d 2
2 設B為支點 F1d1 F2d 2
3 設C為支點 F1 d1 d 2 Fd 2
範例解說
9.回答下列物體的受力關係:
C
(1)當我們用拇指與食指關水龍頭時:
。
(2)一保齡球選手,擲出一個旋轉的曲球:
D
。
A
(3)當物體處於「靜力平衡」時:
。
C
(4)原地轉動的地球儀:
。
(5)滑車受力而水平移動: B
。
(A)合力=0,合力矩=0 (B)合力≠0,合力矩=0
(C)合力=0,合力矩≠0 (D)合力≠0,合力矩≠0。
10.下列為各物體受力作用的情形,則哪一物體正處於靜力平衡的狀態?
向左移動
向右移動
順時針轉動
範例解說
11. 如附圖,兄妹二人以一根3公尺長的竹棒(重量忽略不計)共提一重
物,該物重60公斤,距兄1公尺,在靜力平衡時,則:
(1)兄需施力 40
公斤重。(2)妹需施力 20
公斤重。
逆
Y
▲
F
甲合力關係:
F Y 60
乙合力矩關係:
F 3 60 2 F 40Kgw
Y 60 40 20Kgw
2m
60Kgw 順
或選其他支點時:
2 Y F 1 F 2Y
Y 3 601 Y 20 Kgw
範例解說
12. ( B )如附圖木棒的重量不計,若要撐起質量為20公斤的重物,
至少須施力F多少公斤重?
(A) 10公斤重 (B) 12公斤重 (C) 14公斤重 (D) 16公斤重。
順
20Kgw
逆
D
O
A
B
F 1 20 0.6 F 12Kgw
0.6
1
E
ABO
∾
EDO
AO BO 0.6
EO DO 1
範例解說
13. ( D
)農夫扛著鋤頭,手握木柄末端,如附圖所示。木柄全長80
cm(重量不計),鐵鋤頭重6 kgw,距肩膀50 cm,當達靜
力平衡時,試問農夫肩膀受力多少kgw?
(A)6 kgw (B)8 kgw (C)12 kgw (D)16 kgw。
甲合力關係:
Y F 6
Y Kgw
乙合力矩關係:
F 30 6 50 F 10Kgw
Y 10 6 16Kgw
▲
F
Kgw
6Kgw
農夫手施力 10 Kgw
範例解說
14. ( A )一長為5公尺之均勻木棒,平置於地面,今施力於棒之一端
將棒慢慢吊起,如附圖所示,當此一端提離地面3公尺時,
施力大小F為0.5公斤重,則該木棒重為多少公斤重?
(A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4。
0.5 Kgw
逆
均勻:
木棒重量W畫在木中央
乙合力矩關係:
0.5 5 W 2.5 W 1Kgw
地面支撐力 0.5 Kgw
▲
2.5cm
W
順
範例解說
15. 如附圖所示,用起釘桿將鐵釘拔起,若施力至少為20 kgw,則:
(1) 抗力所產生的力矩量值為 8
kgw‧m。
(2) 施力的力臂為 0.4 m。
(3) 鐵釘的抗力為 160 kgw。
逆
乙合力矩關係:
Ln Ls
20 0.4 F 0.05 8
F 160Kgw
▲
順
F
範例解說
16. 在長1公尺的輕木桿(質量可忽略不計)兩端分別放置A 60公克和B
100公克的物體,結果如附圖所示,若OA:OB=3:2,當系統達到
平衡時,則:
(1)地面給物體的支撐力為 10 gw。
(2)木桿支架的支撐力為 150 gw。
X
60gw
Y
甲合力關係:
X Y 60 100 160
▲
乙合力矩關係:
X 2 60 5 X 150gw
Y 160 150 10gw
100gw
範例解說
17. ( C )如圖所示,蹺蹺板呈靜止狀態。假設不考慮蹺蹺板的重
量,支點也無摩擦,對於蹺蹺板支點,小孩的重量形成甲力
矩,父親的重量形成乙力矩。有關兩力矩的敘述,下列何
者正確?
(A) 甲力矩小於乙力矩 (B) 甲力矩等於乙力矩。
(C) 甲力矩大於乙力矩 (D)條件不足,無法判斷。
L地面
順
L支架
乙合力矩關係:
L乙 L地面 L甲
▲
L甲
逆
L乙
順
L乙 L甲
範例解說
18. ( B )附圖中之數字比為桿長比,設桿質量可忽略不計且達水平
平衡。關於甲、乙、丙、丁之質量比,下列何者錯誤?
(A) 甲:乙=1:1 (B) 乙:丙=3:1
(C) 丙:丁=1:2 (D)甲:丁=3:4
8
甲
3
2甲
甲1 乙1 甲 乙
2
2甲1 丙 3 丙 甲
3
2
8
2甲 丙 2甲 甲 甲
3
3
8
4
甲1 丁 2 丁 甲
3
3
甲:乙 :丙 : 丁
2
4
甲:甲: 甲: 甲
3
3
3:3: 2: 4
課程結束