神奇的平衡
「餐桌上的物理學」用不可思議的方式表現平衡。
目的
用餐桌上隨手可得的餐具來演示「重心」、「力平衡」、「力矩平衡」、及「穩定平衡」原理。
實驗
實驗裝置：湯匙、叉子、牙籤、玻璃杯與打火機。
- 將湯匙與叉子相互交叉後用一跟牙籤插入並將牙籤放在玻璃杯上，前後調整牙籤位置使之平衡（如標題圖所示）。
- 將玻璃杯內伸出之牙籤燒掉是否會影響湯匙與叉子的平衡？
- 動一下湯匙與叉子，會發生什麼事？平衡狀態會被破壞嗎？
×實驗演示
×實驗演示
原理思考
- 系統能平衡的理由為何？
- 輕輕動一下會不會掉落，為什麼？
×原理探究
- 湯匙與叉子之所以會平衡，主要是槓桿原理（力矩）及重心的應用，仔細觀察您會注意到，其實整個系統的重心是落在牙籤與玻璃杯緣之接觸點（支點）下方，當調整牙籤位置到左右兩邊力矩相同時且整個系統的重心落在牙籤與玻璃杯緣接觸點（支點）下方，則湯匙與叉子永不掉落。
- 系統達成靜力平衡條件為系統之力與力矩都要平衡，因本系統之重心在支點之下，當傾斜時會提供一恢復力矩使其回復平衡，稱之為穩定平衡(stable equilibrium)如圖所示。
討論
- 為何火焰燒到杯邊就停止了？
- 燒掉的牙籤為何不會影響整個系統？
- 您可以舉例市售產品有哪些和我們的這項演示有相同的特點？
- 為什麼馬戲團走鋼索的表演人員要在手上持一根長竿維持平衡？
- 特技表演中之空中腳踏車又是為什麼不會掉下來？
×討論探究
- 當火焰燒到杯緣時大部分的的熱量都被玻璃吸收了所以火焰就熄滅了。
- 燒掉的牙籤對整體重量而言微不足道所以並不會影響整個系統的平衡。
- 市售產品如「喝水鳥」、「平衡玩具」、「鋼索騎輪車玩偶」等，他們都有有重心集中、降低、兩邊力矩平衡相等等特性。
關於實驗
- 湯匙與叉子兩者的重量相差太大時會不易找到平衡狀態。
- 使用打火機請注意安全。
參考資料
- B1-13: CENTER OF MASS – FORK AND SPOON ON TOOTHPICK(University of Maryland Physics Lecture-Demonstration Facility)
製作
V.1朱慶琪
指導老師
朱慶琪
撰稿
朱慶琪、朱浦毅
