第一節 斜面
斜面模擬程式

物體沿著斜面 (inclined plane) 作直線運動,也是牛頓運動定律一項重要的應用。如所示,一光滑斜面與水平成 \(30{}^\circ \),上有一個質量為 \(2 \text{ kg}\) 的方塊。方塊被釋放後,它的加速度為若干?





你可根據下方指示,先在《斜面模擬程式》中設定的情境,演示方塊的運動:

斜面上的方塊

【步驟 \(1\)】:繪畫方塊的隔離體圖                     解題思路

設 \(R\) 代表斜面對方塊的承托力。\(mg\) 是方塊的重量,如所示。


【步驟 \(2\)】:分解作用於方塊的力                     解題思路

把所有作用於方塊上的力分解至兩互相垂直的方向(見):

  • 垂直於斜面
  • 平行於斜面                        注意點

【步驟 \(3\)】:計算方塊的加速度

在垂直於斜面的方向,方塊沒有加速度,淨力為零。根據牛頓第二定律:

\(\begin{align} R-mg\cos \theta &= 0 \\ \Rightarrow \ R &= mg\cos \theta \end{align}\)

這方程可用來計算承托力的大小。

在平行於斜面的方向,有一個 \(mg\sin \theta \) 的不平衡力。設加速度為 \(a\),根據牛頓第二定律:

\(mg\sin \theta =ma\)                    注意點
\( \ \ \ \ \Rightarrow \ a=g\sin \theta \)

代入 \(\theta \) = \(30{}^\circ \) 和 \(g = 10 \text{ m}\ {{\text{s}}^{-2}}\),解方程後得 \(a = 5 \text{ m}\ {{\text{s}}^{-2}}\)。



上方的例子中,若斜面為粗糙,摩擦力會出現並阻礙方塊的運動。方塊被釋放後會否滑下,取決於摩擦力的大小。

留意方塊重量的方向必定垂直向下,而承托力則垂直於斜面。
考慮 \(R\) 的話,它已經是沿垂直於斜面的方向,所以我們不用對 \(R\) 作力的分解。然而,\(mg\) 並不沿垂直或平行於斜面的方向,要作力的分解。換言之,\(mg\cos \theta \) 與 \(mg\sin \theta \) 分別是 \(mg\) 沿垂直於斜面和平行於斜面的分量。
下一節