關於此實驗
蹺蹺板一側的轉動效果與另一側相等時，就會達到平衡。這種轉動效果稱為力矩，它取決於砝碼的重量以及砝碼到支點的距離。把砝碼掛在這根橫樑上，沿橫樑移動砝碼，並移動支點本身。你會發現，距離支點較遠的輕砝碼可以與靠近支點的重砝碼平衡；有自身重量的橫樑，即使較短的一側沒有放任何東西，也能保持平衡。
學習目標
- 將力矩定義為力與支點到力的作用線之間垂直距離的乘積
- 陳述力矩原理：處於平衡時，順時針力矩總和等於逆時針力矩總和
- 運用力矩原理求出未知質量或距離
- 解釋為什麼支點必須支撐總重量
- 計入橫樑的重量，並將其視為作用在橫樑重心處
使用方法
- 1先使用重量相等的砝碼。將其中一個砝碼向支點移動一個孔位。哪一側會下沉？
- 2取下所有砝碼，在左側第5個孔的位置掛上200 g砝碼。要使橫桿平衡，應在右側哪裡掛上1 kg、500 g或200 g的砝碼？找出規律。
- 3輕的放遠處，重的放近處。檢查兩個力矩是否相等，儘管砝碼的重量並不相同。
- 4在同一側放上兩個不同重量的砝碼。它們的力矩如何相加？
- 5取下所有砝碼，開啟「橫桿有重量」選項，並將支點移離中心。哪一側會下沉？為什麼？
- 6選擇「較重的橫桿」和「支點偏離中心」。找出再加一個砝碼使橫桿平衡的方法。
模型
假設
- 橫桿是剛體，支點沒有摩擦力。砝碼從孔中垂直懸掛，因此它們到支點的距離沿橫桿測量。
- 孔之間相距 10 cm。橫樑失去平衡時會傾斜，直到抵住位於 12° 處的限位擋塊並停下。
- 除非開啟「橫樑重量」選項，否則橫樑本身視為沒有重量。開啟後，全部 0.5 kg 的重量都作用在橫樑中心。
在課堂上試試這個實驗
- Q1一個 30 kg 的孩子坐在距離翹翹板支點 2 m 處。一個 40 kg 的孩子必須坐在哪裡才能保持平衡？
- Q2為什麼在靠近門把手的地方推門，比在靠近鉸鏈的地方推更容易打開門？
- Q3使用手柄較長的扳手，比較容易鬆開鎖得很緊的螺帽。請用力矩解釋原因。
- Q4兩個重物在橫樑上保持平衡。如果把它們都往遠離支點的方向移動一個孔的距離，會發生什麼事？
- Q5起重機為什麼需要沉重的配重？為什麼有些起重機上的配重可以移動？
常見問題
為什麼力矩的單位看起來與能量的單位相同？
兩者都是牛頓乘以公尺，但代表不同的物理量。力矩中的距離與力成直角，物體不會移動；而作功時，距離沿著力的方向。因此，力矩通常寫作 N·m，能量則以焦耳表示。
如果兩邊的重量相同，橫樑會平衡嗎？
只有當兩邊的重物也與支點相距相同時才會平衡。需要相等的是力矩，也就是重量乘以距離，而不只是重量。
為什麼加上重物時支點的力會改變，移動重物時卻不會？
達到平衡時，支點必須向上推，推力與所有物體向下壓的總力一樣大。因此，無論重物掛在哪裡，支點的力都等於總重量。