0160202簡單機械

01槓桿

 

模擬翹翹板

  翹翹板是常見的遊戲器材,體重不同的兩個人要如何使翹翹板保持平衡呢?體重較輕的人要如何讓體重較重的人處於比較高的位置呢?

要使翹翹板可以左右兩邊平衡,體重較重的人要坐在比較靠近中間支點的位置,體重較輕的人要坐在遠離中間支點的位置,如此才容易保持平衡。

若體重較輕的人坐在遠離支點的位置,而體重較重的人坐在靠近支點的位置,比較容易使體重較重的人處於比較高的位置。

體重較重的人往前坐,翹翹板會平衡嗎?

體重較重的人要往支點位置靠近,較易平衡。

體重較輕的人往後坐,翹翹板會平衡嗎?

體重較輕的人要遠離支點的位置,較易平衡。

 

  利用直尺模擬翹翹板,將重物放在尺的一邊,另一邊以手指下壓施力,改變重物及手指施力的位置,下壓的手指會有什麼感覺?

隨著重物放置位置不同,手指施力位置不同,施力大小亦有不同。

 

重物的位置固定時,用手指在直尺另一端不同的位置施力,當模擬翹翹板平衡時,手指施力的大小會改變嗎?

當重物的位置固定時,手指壓在靠近支點的位置時,感覺比較吃力、不省力;手指壓在鐵尺末端,感覺比較輕鬆省力。所以施力大小會改變。

 

用手指在固定的位置施力,移動重物的位置,當模擬翹翹板平衡時,手指施力的大小會改變嗎?

當重物放置於鐵尺末端時,手指下壓的感覺比較吃力、不省力;當重物放置於靠近支點的位置時,手指下壓的感覺比較輕鬆省力。所以施力大小會改變。

 

認識槓桿

  進行直尺模擬翹翹板的實驗時,手用力位置與重物放置的位置都會影響手指的施力大小。這是一種槓桿的原理應用。鉛筆支撐直尺的位置稱為支點,手指用力的位置稱為施力點,重物放置的位置稱為抗力點。

  槓桿中包含了支點、施力點和抗力點三個力點,施力點到支點的距離稱為施力臂,抗力點到支點的距離稱為抗力臂。

  翹翹板也是槓桿原理的應用,如果將體重較重的人坐的位置看成重物的位置,你能指出支點和施力點的位置嗎?

  手施力位置不同時,施力點到支點的距離就會不一樣,施力臂長短也會跟著改變。而重物放置的位置,也會使抗力臂的長短改變。若要讓槓桿兩邊達到平衡,施力臂、抗力臂的長短,與施力、抗力的大小有什麼關係呢?讓我們利用槓桿實驗器來進行實驗觀察。

 

動手做

槓桿實驗

實驗開始前,先利用調節器使槓桿實驗器保持平衡,例如:若槓桿朝右方傾斜,就要將調節器往左方慢慢移動,直到槓桿平衡為止。

 

方法一:固定抗力臂、改變施力臂

1.取2個等重的砝碼作為重物(抗力),掛在支點左方第3格處。再以支點右方第2格處作為施力臂,觀察需掛幾個砝碼才能使槓桿平衡。

2.重物及重物位置不變,改以支點右方第1格處作為施力臂,觀察需掛幾個砝碼才能使槓桿平衡。

3.重物及重物位置不變,改以支點右方第6格處作為施力臂,觀察需掛幾個砝碼才能使槓桿平衡。

 

方法二:改變抗力臂、固定施力臂

1.取2個等重的砝碼作為重物,掛在支點左方第2格處,再以支點右方第4格作為施力臂,觀察需掛幾個砝碼才能使槓桿達到平衡。

2.將重物改掛至支點左方第4格處,同樣以支點右方第4格作為施力臂,觀察需掛幾個砝碼才能使槓桿達到平衡。

 

討論

1.在方法一中,重物的重量相同,且抗力臂的長度固定,當槓桿平衡時,施力臂長短與施力大小有什麼關係?

當重物及抗力臂不變時,施力臂愈長,施力愈小(掛的砝碼數少);施力臂愈短,施力愈大(掛的砝碼數多)。

2.在方法二中,重物的重量相同,而施力臂的長度固定,當槓桿平衡時,抗力臂長短與施力大小有什麼關係?

當重物及施力臂不變時,抗力臂愈長,施力愈大(掛的砝碼數多);抗力臂愈短,施力愈小(掛的砝碼數少)。

  從實驗操作中可以發現,若重物的重量不變,施力臂愈長、抗力臂愈短,則愈省力。

 

槓桿的應用

  生活中常見的剪刀是一種應用槓桿原理的工具。你知道剪刀的支點、施力點和抗力點分別在哪裡嗎?想一想,下面各種不同類型的剪刀都可以省力嗎?

各種剪刀的施力臂及抗力臂長短不同,所以不一定都能省力。

 

一般的剪刀支點在中間,使用時不一定能省力。

裁縫用的小剪刀能省力嗎?

施力臂小於抗力臂,所以無法省力。

修剪樹枝用的園藝剪刀能省力嗎?

施力臂大於抗力臂,所以可以省力。

 

  不同類型的剪刀,施力臂與抗力臂的長度也不同,當施力臂的長度大於抗力臂的長度,就能省力;當施力臂的長度小於抗力臂的長度時,就無法省力。無法省力的剪刀,通常有操作便利的設計。

  想一想,生活中有哪些應用槓桿原理的工具?這些工具的支點、施力點與抗力點分別在哪個位置?哪些工具可以達到省力的效果?哪些無法省力呢?

 

抗力點在中間

下面兩種工具都可以達到省力的效果,它們力點的位置有什麼相同的地方?

榨汁器

開瓶器

它們都是抗力點在中間,施力臂大於抗力臂,所以可以達到省力的效果。

 

施力點在中間

下面兩種工具都無法達到省力的效果,它們力點的位置有什麼相同的地方?

筷子

鑷子

它們都是施力點在中間,施力臂小於抗力臂,所以無法達到省力的效果。

 

支點在中間

下面兩種工具不一定能達到省力的效果,它們力點的位置有什麼相同的地方?

老虎鉗

剪刀

它們都是支點在中間,但是隨著施力臂及抗力臂長短的不同,便會產生不一樣的效果,所以不一定能省力。

 

  抗力點在中間的工具,施力臂大於抗力臂,可以省力;施力點在中間的工具,施力臂小於抗力臂,比較費力。有些工具雖然無法省力,卻有操作方便的優點。

 

科學小百科

阿基米德

(Archimedes of Syracuse,西元前287~212年)

  阿基米德是一位永不停止研究的希臘科學家,他曾說過:「給我一個支點和一根夠長的棍子,我可以舉起整個地球。」雖然這是不可能做到的,但是卻清楚說明了槓桿原理。而他在數學、

天文、物理、機械等方面,都有偉大

的發明與發現。

 

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