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普考申論題 108年 [天文] 普通物理學概要

第 一 題

📖 題組:
如下圖所示,用 a, b, c 三根等長的木棒支撐一重量為 M g 的圓型桌面,木棒位於桌面的邊緣,a 與 b 相隔 90°角,b 與 c 相隔 120°角(a 與 c 相隔 150°角)。(每小題 10 分,共 20 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

以圓桌中心為支點,定性畫出每根木棒分別給予桌面的力矩向量。

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  1. 看到力矩作圖題,先從定義式 $\vec{\tau} = \vec{r} \times \vec{F}$ 出發,確立 $\vec{r}$(由圓心向外)與 $\vec{F}$(垂直向上)的方向,利用右手定則判斷出力矩必在桌面上且與半徑垂直。
  2. 題目要求「定性畫出」,除方向外亦考驗「長度比例」。圓桌處於不轉動的靜力平衡(合力矩為零),可運用拉密定理(Lami's Theorem)推導出各力矩的相對大小,使作圖更具說服力。
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【解題思路】利用力矩的向量外積定義判斷方向,並透過靜力平衡條件(合力矩為零)結合拉密定理推導出各力矩的相對大小。 【詳解】 已知:

小題 (二)

每根木棒分別的支撐力為何?

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解這類剛體平衡問題,第一步先想到「合力為零」與「合力矩為零」兩大靜力平衡條件。可以透過將桌面中心設為原點並建立直角坐標系,寫出各支點的位置向量與力矩分量,藉此輕鬆將複雜的幾何角度轉化為聯立方程式進行求解。

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【解題思路】利用剛體的靜力平衡條件(淨力為零與淨力矩為零),透過建立二維直角坐標系來分析各支撐點的力矩分量,建立聯立方程式即可求得三個支撐力。 【詳解】 已知:

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