圓錐擺:在 HSC 物理中分解張力與重量
學習如何分解水平圓周運動中質量所受的張力與重量,並把力的方程式與半徑、速率、角度及週期聯繫起來。
一個質量連在繩子上,沿著完全水平的圓周擺動。儘管重力一直向下拉著它,它的高度仍然保持不變。
所以問題來了:如果這個質量沒有垂直加速度,是甚麼阻止它下墜?而且,如果繩子是傾斜的,究竟是哪個力使質量沿圓周轉動?
繼續閱讀之前,先預測一下:繩子的張力是否等於向心力?
不是。這個看似合理的想法,正是這個模型中大多數錯誤的來源。
01一個張力同時有兩個作用
想像從側面觀察這個質量。繩子從質量的位置斜向上延伸至固定支點。
作用在質量上的力只有兩個:
- 它的重量 \(mg\),垂直向下
- 張力 \(F_T\),沿繩子指向支點
並不存在一個獨立、稱為「向心力」的力。向心力是指指向圓周路徑中心的合力。如果這個分別仍不清楚,可參閱 向心力:如何在 HSC 物理中辨認真正的力。

假設繩子與鉛直方向的夾角為 \(\theta\)。
張力沿斜向作用,因此可以把它分解成兩個互相垂直的分量:
- \(F_T\cos\theta\),垂直向上
- \(F_T\sin\theta\),水平指向圓心
垂直分量防止質量下墜。水平分量則使它轉彎。
這有點像用向上傾斜的拉桿拉動有輪子的行李箱。同一個拉力可以同時具有向上的分量和向前的分量。不過,這個類比到此為止,因為行李箱還受到地面的作用力,而我們的質量只受到張力和重量。
02先從加速度開始,而不是從力開始
「水平圓周」這個描述告訴你一個關於加速度的關鍵資訊。
質量並沒有向上或向下運動。因此,它的垂直加速度為零。
但它的水平速度方向持續改變,所以它具有指向圓心的向心加速度:
\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]
其中:
- \(a_c\) 是向心加速度,單位為 \(\text{m s}^{-2}\)
- \(v\) 是速率,單位為 \(\text{m s}^{-1}\)
- \(r\) 是水平圓周的半徑,單位為米
現在可以分別在垂直和水平方向套用牛頓第二定律。
| 方向 | 加速度 | 力的方程式 |
|---|---|---|
| 垂直 | \(0\) | \(F_T\cos\theta=mg\) |
| 水平向內 | \(\dfrac{v^2}{r}\) | \(F_T\sin\theta=\dfrac{mv^2}{r}\) |
這一對方程式就是這個模型的核心。
注意它們在物理意義上所表達的內容。並不是整個張力都用來產生向心加速度。只有它的水平分量有這個作用。
03為甚麼張力大於向心力
一個常見的初步做法是
\[ F_T=\frac{mv^2}{r} \]
但對上面所示的傾斜繩子而言,這不可能正確。
如果整個張力都用在水平方向,就不會有向上的力來平衡 \(mg\)。質量會向下加速,因此它的路徑不可能維持在同一個水平面上。
正確的是
\[ F_T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
以及
\[ F_T\cos\theta=mg \]
因為 \(F_T\) 必須同時提供這兩個分量,
\[ F_T=\sqrt{\left(\frac{mv^2}{r}\right)^2+(mg)^2} \]
所以 \(F_T\) 同時大於 \(mg\) 和所需的水平向心力。
還有另一個很有用的關係。把水平方程式除以垂直方程式:
\[ \frac{F_T\sin\theta}{F_T\cos\theta} = \frac{mv^2/r}{mg} \]
因此
\[ \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \]
質量會約去。對於指定的速率和半徑,改變質量不會改變所需的角度,但會改變張力。
例題:求張力和繩子的角度
一個 \(0.40\ \text{kg}\) 的質量以 \(2.5\ \text{m s}^{-1}\) 的速率沿半徑 \(0.75\ \text{m}\) 的水平圓周運動。求繩子的張力,以及繩子與鉛直方向的夾角。取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
步驟 1
\[ \frac{mv^2}{r} = \frac{(0.40)(2.5)^2}{0.75} = 3.33\ \text{N} \]
所以張力的水平分量為 \(3.33\ \text{N}\)。
步驟 2
\[ mg=(0.40)(9.8)=3.92\ \text{N} \]
因此,
\[ F_T\cos\theta=3.92\ \text{N} \]
步驟 3
\[ F_T = \sqrt{(3.33)^2+(3.92)^2} = 5.15\ \text{N} \]
步驟 4
\[ \tan\theta = \frac{3.33}{3.92} \]
\[ \theta=40.4^\circ \]
因此,張力為 \(5.15\ \text{N}\),而繩子與鉛直方向的夾角為 \(40.4^\circ\)。
這個結果在物理上是合理的。張力必須大於 \(3.92\ \text{N}\) 的重量,因為部分張力還需要把質量水平向內拉。
04半徑通常不等於繩長
現在假設繩長為 \(L\)。
很容易會想寫成 \(r=L\)。只有在繩子水平時,這才正確。
對於圓錐擺,水平半徑是繩長的水平分量:
\[ r=L\sin\theta \]
從支點到圓周所在平面的垂直距離是
\[ L\cos\theta \]
當題目給的是繩長而不是半徑時,這個幾何關係就很重要。
例題:利用繩長求速率
一個 \(0.25\ \text{kg}\) 的質量連接在一條 \(1.20\ \text{m}\) 長的繩子上。它沿水平圓周運動,繩子與鉛直方向成 \(35^\circ\)。求運動的半徑、張力、速率和週期。取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
步驟 1
\[ r=L\sin\theta =(1.20)\sin35^\circ =0.688\ \text{m} \]
步驟 2
\[ F_T\cos\theta=mg \]
\[ F_T = \frac{(0.25)(9.8)}{\cos35^\circ} = 2.99\ \text{N} \]
步驟 3
\[ F_T\sin\theta = (2.99)\sin35^\circ = 1.72\ \text{N} \]
這必須等於 \(mv^2/r\)。
步驟 4
\[ 1.72=\frac{(0.25)v^2}{0.688} \]
\[ v = \sqrt{\frac{(1.72)(0.688)}{0.25}} = 2.17\ \text{m s}^{-1} \]
步驟 5
圓周路徑的周長為 \(2\pi r\),所以
\[ P=\frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi(0.688)}{2.17} = 1.99\ \text{s} \]
質量每 \(1.99\ \text{s}\) 完成一周。
如果想進一步練習 \(v\)、\(r\) 和週期之間的關係,可參閱 等速圓周運動中的速率、半徑和週期。
05圓錐擺的一個實用關係
還可以用角速度來描述這個運動。
角速度為
\[ \omega=\frac{v}{r} \]
其中 \(\omega\) 的單位為 \(\text{rad s}^{-1}\)。
水平方向的力方程式變成
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2r \]
而因為 \(r=L\sin\theta\),
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2L\sin\theta \]
對於真正的圓周運動,\(\sin\theta\neq0\),所以
\[ F_T=m\omega^2L \]
把它和
\[ F_T\cos\theta=mg \]
結合,可得
\[ m\omega^2L\cos\theta=mg \]
因此
\[ \omega^2=\frac{g}{L\cos\theta} \]
由於 \(P=2\pi/\omega\),
\[ P=2\pi\sqrt{\frac{L\cos\theta}{g}} \]
這個關係包含一個略為出人意料的結果:週期取決於支點到圓周路徑之間的垂直距離 \(L\cos\theta\),而不是直接取決於半徑。
這個觀察在下面最後一道問題中會變得很重要。
06一個精簡的判斷方法
當你看到一個質量連在傾斜繩子上並沿水平圓周運動時:
- 只畫出真正存在的力:張力和重量。
- 選擇鉛直方向和水平向內方向。
- 利用垂直加速度為零:
\[ F_T\cos\theta=mg \]
- 在水平方向使用向心加速度:
\[ F_T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
- 如果已知繩長,就把力學模型和幾何關係連結起來:
\[ r=L\sin\theta \]
這些方程式假設 \(\theta\) 是從鉛直方向量度的。如果題目是從水平方向量度角度,正弦和餘弦的分量就會互換。重新畫出三角形,而不要試圖死記另一套方程式。
07問題與解答
問題 1
一個 \(0.30\ \text{kg}\) 的質量以 \(3.0\ \text{m s}^{-1}\) 的速率沿半徑 \(0.80\ \text{m}\) 的水平圓周運動。求:
a. 張力的水平分量
b. 張力的垂直分量
c. 總張力
d. 繩子與鉛直方向的夾角
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 1
水平和垂直分量分別為 \(3.38\ \text{N}\) 和 \(2.94\ \text{N}\),因此總張力為 \(4.48\ \text{N}\),繩子與鉛直方向的夾角為 \(48.9^\circ\)。
在水平方向,
\[ F_{T,x} = \frac{mv^2}{r} = \frac{(0.30)(3.0)^2}{0.80} = 3.375\ \text{N} \]
所以
\[ F_{T,x}=3.38\ \text{N} \]
在垂直方向,加速度為零:
\[ F_{T,y}=mg=(0.30)(9.8)=2.94\ \text{N} \]
總張力是向量的大小:
\[ F_T = \sqrt{(3.375)^2+(2.94)^2} = 4.48\ \text{N} \]
最後,
\[ \tan\theta=\frac{3.375}{2.94} \]
所以
\[ \theta=48.9^\circ \]
一個很誘人的捷徑,是因為 \(3.38\ \text{N}\) 等於 \(mv^2/r\),便把它稱為張力。但它其實只是張力的水平分量。同一個張力向量還必須提供 \(2.94\ \text{N}\) 的向上分量,以平衡重量。
問題 2
一個 \(0.20\ \text{kg}\) 的質量懸掛在一條 \(1.00\ \text{m}\) 長的繩子上,並作圓錐擺運動。繩子與鉛直方向成 \(50^\circ\)。
計算:
a. 圓周路徑的半徑
b. 繩子的張力
c. 質量的速率
d. 週期
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 2
半徑為 \(0.766\ \text{m}\),張力為 \(3.05\ \text{N}\),速率為 \(2.99\ \text{m s}^{-1}\),週期為 \(1.61\ \text{s}\)。
先利用繩子的幾何關係:
\[ r=L\sin\theta =(1.00)\sin50^\circ =0.766\ \text{m} \]
在垂直方向,
\[ F_T\cos50^\circ=mg \]
所以
\[ F_T = \frac{(0.20)(9.8)}{\cos50^\circ} = 3.05\ \text{N} \]
它的水平分量為
\[ F_T\sin50^\circ = (3.05)\sin50^\circ = 2.34\ \text{N} \]
因此,
\[ 2.34=\frac{(0.20)v^2}{0.766} \]
由此得到
\[ v = \sqrt{\frac{(2.34)(0.766)}{0.20}} = 2.99\ \text{m s}^{-1} \]
週期為
\[ P = \frac{2\pi r}{v} = \frac{2\pi(0.766)}{2.99} = 1.61\ \text{s} \]
一個很容易犯的錯誤是令 \(r=1.00\ \text{m}\)。繩長是幾何三角形的斜邊;圓周半徑是它的水平分量 \(L\sin\theta\)。
問題 3
一個質量作圓錐擺運動,週期為 \(1.80\ \text{s}\)。
起初,它的繩長為 \(1.00\ \text{m}\)。
a. 求繩子與鉛直方向的夾角,以及圓周的半徑。
之後,繩子縮短至 \(0.70\ \text{m}\),同時有一個機制嘗試把週期準確維持在 \(1.80\ \text{s}\)。
b. 質量能否穩定成一個半徑非零、且週期為該數值的圓錐擺?請從物理和數學上說明你的答案。
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 3
起初,角度為 \(36.5^\circ\),半徑為 \(0.594\ \text{m}\)。把繩子縮短至 \(0.70\ \text{m}\) 後,不可能存在週期為 \(1.80\ \text{s}\)、且半徑非零的圓錐擺狀態。
與該週期相應的角速度為
\[ \omega = \frac{2\pi}{P} = \frac{2\pi}{1.80} = 3.49\ \text{rad s}^{-1} \]
對圓錐擺而言,
\[ \omega^2=\frac{g}{L\cos\theta} \]
所以
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
當 \(L=1.00\ \text{m}\) 時,
\[ \cos\theta = \frac{9.8}{(3.49)^2(1.00)} = 0.804 \]
因此,
\[ \theta=36.5^\circ \]
而
\[ r=L\sin\theta = (1.00)\sin36.5^\circ = 0.594\ \text{m} \]
現在把繩子縮短至 \(0.70\ \text{m}\),同時保持相同的 \(\omega\):
\[ \cos\theta = \frac{9.8}{(3.49)^2(0.70)} = 1.15 \]
但實數角不可能有 \(\cos\theta>1\)。
所以,所要求的穩定圓周運動是不可能的。
一個看似合理的想法是,系統只需增加張力,就能讓較短的繩子正常運作。但張力不能任意調整來獨立滿足所有限制。垂直平衡、水平向心加速度、指定的角速度,以及固定的繩子幾何關係,都必須同時成立。在這裡,它們要求 \(\cos\theta\) 取一個不可能的數值。
等價地,在這個角速度下,繩長存在一個最小可能值:
\[ L_{\min}=\frac{g}{\omega^2} = \frac{9.8}{(3.49)^2} = 0.804\ \text{m} \]
所提出的 \(0.70\ \text{m}\) 繩子比這個下限更短。
問題 4
一個 \(0.40\ \text{kg}\) 的質量連接在一條 \(1.00\ \text{m}\) 長的繩子上作圓錐擺運動。它的圓周路徑位於水平地面上方 \(1.25\ \text{m}\)。
繩子突然斷裂。忽略空氣阻力。質量最後落在距離繩子斷裂位置正下方地面點 \(1.10\ \text{m}\) 的水平位置。
求:
a. 繩子斷裂前一刻的速率
b. 繩子與鉛直方向的夾角
c. 繩子斷裂前一刻的張力
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 4
在斷裂前一刻,質量的速率為 \(2.18\ \text{m s}^{-1}\),繩子與鉛直方向的夾角為 \(38.1^\circ\),張力為 \(4.98\ \text{N}\)。
在繩子斷裂的瞬間,質量會保留當時的瞬時速度。這個速度是水平的,並且沿圓周路徑的切線方向。
因此,它的初始垂直速度為零。
對於 \(1.25\ \text{m}\) 的下落,
\[ h=\frac{1}{2}gt^2 \]
所以
\[ 1.25=\frac{1}{2}(9.8)t^2 \]
並且
\[ t = \sqrt{\frac{2(1.25)}{9.8}} = 0.505\ \text{s} \]
在水平方向,
\[ v=\frac{d}{t} = \frac{1.10}{0.505} = 2.18\ \text{m s}^{-1} \]
在斷裂之前,圓錐擺的關係式為
\[ \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \]
但半徑目前仍未知。由於繩長為 \(L=1.00\ \text{m}\),
\[ r=L\sin\theta \]
因此,
\[ v^2 = gL\sin\theta\tan\theta = gL\frac{\sin^2\theta}{\cos\theta} \]
令 \(c=\cos\theta\)。由於 \(\sin^2\theta=1-c^2\),
\[ \frac{v^2}{gL} = \frac{1-c^2}{c} \]
代入 \(v=2.18\ \text{m s}^{-1}\),
\[ \frac{(2.18)^2}{(9.8)(1.00)} = 0.484 \]
所以
\[ 0.484=\frac{1-c^2}{c} \]
因此
\[ c^2+0.484c-1=0 \]
具有物理意義的根為
\[ c=0.787 \]
所以
\[ \cos\theta=0.787 \]
並且
\[ \theta=38.1^\circ \]
最後,繩子斷裂前的垂直平衡給出
\[ F_T\cos\theta=mg \]
所以
\[ F_T = \frac{(0.40)(9.8)}{\cos38.1^\circ} = 4.98\ \text{N} \]
一個很誘人的做法,是把拋射運動中的 \(1.10\ \text{m}\) 水平位移當作原本圓周的半徑。它不是。繩子一旦斷裂,質量一開始會沿原本圓周的切線方向運動。拋射運動讓我們求出切向速率;之後仍必須利用繩子的幾何關係和圓周運動方程式,求回原本的半徑。
問題 5
兩個不同的圓錐擺,其支點位於同一水平高度。
擺 A 的繩長為 \(1.20\ \text{m}\)。擺 B 的繩長為 \(0.80\ \text{m}\)。
在兩種情況下,水平圓周路徑都恰好位於支點下方 \(0.60\ \text{m}\) 的垂直距離。兩個質量不一定相等。
一名學生認為:
擺 A 的圓周半徑較大,所以它完成一周所需的時間一定較長。
判斷兩者的週期是否真的不同。然後計算每個質量的半徑和線速率。
取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。
解答 5
兩個擺的週期完全相同,都是 \(1.55\ \text{s}\),儘管擺 A 的半徑較大,而且具有較大的線速率。
令支點到圓周所在平面的垂直距離為 \(h\)。
由幾何關係,
\[ h=L\cos\theta \]
由力的平衡,
\[ F_T\cos\theta=mg \]
以及
\[ F_T\sin\theta=m\omega^2r \]
把水平方程式除以垂直方程式:
\[ \tan\theta=\frac{\omega^2r}{g} \]
但繩子的幾何關係也給出
\[ \tan\theta=\frac{r}{h} \]
因此,
\[ \frac{r}{h} = \frac{\omega^2r}{g} \]
兩個擺的半徑都不為零,所以 \(r\) 可以約去:
\[ \omega^2=\frac{g}{h} \]
這就是關鍵限制。半徑看起來似乎很重要,但當力的方程式和繩子的幾何關係必須同時成立時,它會從角速度的表達式中消失。
取 \(h=0.60\ \text{m}\),
\[ \omega = \sqrt{\frac{9.8}{0.60}} = 4.04\ \text{rad s}^{-1} \]
因此
\[ P = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{4.04} = 1.55\ \text{s} \]
兩個擺皆是如此。
現在求半徑。
對擺 A,
\[ r_A = \sqrt{L_A^2-h^2} = \sqrt{(1.20)^2-(0.60)^2} = 1.04\ \text{m} \]
對擺 B,
\[ r_B = \sqrt{L_B^2-h^2} = \sqrt{(0.80)^2-(0.60)^2} = 0.529\ \text{m} \]
線速率為 \(v=\omega r\)。
因此,
\[ v_A = (4.04)(1.04) = 4.20\ \text{m s}^{-1} \]
以及
\[ v_B = (4.04)(0.529) = 2.14\ \text{m s}^{-1} \]
擺 A 的確沿著較長的圓周運動,但它的速率也恰好提高到足以令週期保持不變。
這名學生的說法把半徑和速率視為其中一個可以改變、而另一個保持不變。在圓錐擺中,兩者透過力的平衡和幾何關係互相連繫。當垂直距離 \(h=L\cos\theta\) 相同時,角速度由
\[ \omega=\sqrt{\frac{g}{h}} \]
決定,與質量或半徑無關。
08這個模型接下來能讓你做到甚麼
這裡最重要的習慣,不是死記兩條分量方程式,而是判斷哪個方向實際上存在加速度。
對水平圓周路徑而言,垂直加速度為零,所以垂直方向的力互相平衡。在水平方向,存在向內的加速度,因此真正作用力的水平分量必須產生 \(mv^2/r\)。
同樣的方法也適用於更複雜的圓周運動問題。如果圓周是傾斜的、垂直的,或由多於一個力支撐,分量方程式會改變,但方法不變:選定徑向方向、辨認真正存在的力、把它們分解成分量,然後才寫出牛頓第二定律。