如右圖所示,有一滑車承載砝碼 (合計質量為 X 公斤) ,以細繩連接。此繩跨過滑輪後,另一端懸吊質量為 Y 公斤的砝碼。此滑車可自由在無摩擦桌面移動。在實驗設計中,系統總質量 (X+Y) 保持固定。我們可以逐步將砝碼由滑車移至懸吊處,藉以增加質量 Y。將懸吊砝碼 Y 由靜止釋放,同時並量測滑車的加速度 a,以及細繩張力 T。已知細繩質量不計,與滑輪無摩擦力產生。試問加速度 a 對質量 Y 的數據關係圖應為以下何者?
答案與詳解
A
正確答案
因系統總質量 X+Y 固定,由牛頓第二定律可得 a=Yg/(X+Y),所以 a 與 Y 成正比,圖形為過原點的直線。
逐選項解析
A✓ 正確
滑車受力為細繩張力,懸吊砝碼受重力與張力。以整體系統看,驅動力為 Yg,系統總質量為 X+Y;因 X+Y 固定,a=Yg/(X+Y),與 Y 成正比,故 a–Y 圖為從原點出發的向右上傾斜直線。
B✕ 錯誤
若 a 為定值,表示加速度不隨懸吊質量 Y 改變。但本題中提供系統加速的來源是懸吊砝碼重力,Y 增加時驅動力增加;在總質量固定下,加速度會線性增加,不是水平直線。