关于此实验
跷跷板一侧的转动效果与另一侧相等时，就会达到平衡。这种转动效果称为力矩，它取决于砝码的重量以及砝码到支点的距离。把砝码挂在这根横梁上，沿横梁移动砝码，并移动支点本身。你会发现，距离支点较远的轻砝码可以与靠近支点的重砝码平衡；有自身重量的横梁，即使短的一侧没有放任何东西，也能保持平衡。
学习目标
- 将力矩定义为力与支点到力的作用线之间垂直距离的乘积
- 陈述力矩原理：处于平衡时，顺时针力矩之和等于逆时针力矩之和
- 运用力矩原理求出未知质量或距离
- 解释为什么支点必须支撑总重量
- 计入横梁的重量，并将其视为作用在横梁重心处
使用方法
- 1先使用重量相等的砝码。将其中一个砝码向支点移动一个孔位。哪一侧会下沉？
- 2取下所有砝码，在左侧第5个孔处挂上200 g砝码。要使横杆平衡，应在右侧哪里挂上1 kg、500 g或200 g的砝码？找出规律。
- 3轻的放远处，重的放近处。检查两个力矩是否相等，尽管砝码的重量并不相同。
- 4在同一侧放上两个不同重量的砝码。它们的力矩如何相加？
- 5取下所有砝码，打开“横杆有重量”选项，并将支点移离中心。哪一侧会下沉？为什么？
- 6选择“较重的横杆”和“支点偏离中心”。找出再加一个砝码使横杆平衡的方法。
模型
假设
- 横杆是刚体，支点没有摩擦力。砝码从孔中垂直悬挂，因此它们到支点的距离沿横杆测量。
- 孔之间相距 10 cm。横梁失去平衡时会倾斜，直到抵住位于 12° 处的限位挡块并停下。
- 除非开启“横梁重量”选项，否则横梁本身视为没有重量。开启后，全部 0.5 kg 的重量都作用在横梁中心。
在课堂上试试这个实验
- Q1一个 30 kg 的孩子坐在距跷跷板支点 2 m 处。一个 40 kg 的孩子必须坐在哪里才能保持平衡？
- Q2为什么在靠近门把手的地方推门，比在靠近铰链的地方推更容易打开门？
- Q3使用手柄较长的扳手，更容易拧松紧固的螺母。请用力矩解释原因。
- Q4两个重物在横梁上保持平衡。如果把它们都向远离支点的方向移动一个孔的距离，会发生什么？
- Q5起重机为什么需要沉重的配重？为什么有些起重机上的配重可以移动？
常见问题
为什么力矩的单位看起来与能量的单位相同？
两者都是牛顿乘米，但代表不同的物理量。力矩中的距离与力成直角，物体不会移动；而做功时，距离沿着力的方向。因此，力矩通常写作 N·m，能量则用焦耳表示。
如果两边的重量相同，横梁会平衡吗？
只有当两边的重物也与支点相距相同时才会平衡。需要相等的是力矩，也就是重量乘以距离，而不只是重量。
为什么加上重物时支点的力会改变，而移动重物时却不会？
达到平衡时，支点必须向上推，推力与所有物体向下压的总力一样大。因此，无论重物挂在哪里，支点的力都等于总重量。