沙漏
沙落下的過程，沙漏的重量是不變的嗎？
目的
沙漏(hourglass)中的牛頓第二運動定律(Newton second law)
實驗
實驗裝置：設計一個沙漏立於一秤上，當沙漏中的沙子開始落下，觀察秤的讀數變化。
×實驗演示
原理思考
秤上的讀數變化為何，為什麼會有此變化？
×原理探究
- 當沙漏中的沙子開始落下時，此時落在半空中的沙子是沒有受到秤的正向力，故秤上的讀數會減少。
- 當落下的沙子落到秤上時，此時沙子所帶有的衝量，轉為秤的讀數，亦可利用能量守恆，沙子落下前和落下後的位能差轉為秤上的讀數。[4]
- 當沙漏中的沙子漸漸落完時，此時由沙子落下時所減少的讀數會減少，但是落下的沙子所帶的衝量並無同時減少，故讀數會增加。
- 最後，沙子全落完，系統回到靜止狀態，呈靜力平衡。
- 上述沙子落下過程中秤的讀數，可由右下圖所表示。
討論
- 若沙漏中的沙子換成水或其它流體，此時會有何種情況發生？[3]
- 若落下距離加長（亦下落時間變長），此時會有何種情況發生？
- 若沙漏的開口加大或縮小，此時會有何種情況發生？
- 若電子秤改用彈簧秤，此時會有何種情況發生？[5]
關於實驗
將圓筒內注滿水，且置入沙漏，再將圓筒兩端封死，將圓筒直立，沙漏會浮在頂端，此時若將圓筒倒置，則沙漏會滯留在底部，待沙漏中沙子落完，方會上浮。此現象和本實驗有何異同之處？[2]
參考資料
- HOURGLASS PROBLEM (University of Maryland Physics Lecture-Demonstration Facility)
- W. P. Reid, "Weight of an Hourglass", Am. J. Phys., 35, 351-352 (1967).
- J. Flores, G., Solovey, and S. Gil, "Flow of Sand and a variable mass Atwood machine", Am. J. Phys. 71(7), 715-720, 2003,
- K. Y. Shen and B. L. Scott, "The hourglass problem", Am.J. Phys., 53(8), 787-788, 1985,
- J. Flores, G. Solovey, and S. Gil, "Variable Mass Oscillator", Am.J. Phys., 71(7), 721-725, 2003,
製作
v.1 黃時霖
指導老師
朱慶琪
撰稿
黃時霖、朱慶琪
