國營聯招 機械應用力學、材料力學113 年第 26 題單選題
如右圖所示,有一假設質量m之B塊,可在無摩擦之OA臂桿上自由滑動,臂桿OA以 θ' 的等速率在水平面上轉動。若B在r=r0的位置處鬆開,請問臂桿OA施加在B之水平力量為何?
A2m r0 θ'
B2m θ' / r0正確答案
C2m r0 θ'^2
D2m r0^2 θ'
B正確答案
無摩擦臂桿只能提供垂直於桿的橫向力,即科氏力(Coriolis force)2m·ṙ·θ',此為臂桿施於B的水平推力。
為什麼答案是 B
依官方答案,代表臂桿對B的橫向(垂直於桿)作用力,來源為等速轉動下的科氏加速度項 2ṙθ',臂桿只能提供此方向的力。
考點:動量誤植考點:科氏力/橫向力考點:向心項混淆考點:角動量誤植
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完整詳解
Pro · 無限重點 無摩擦臂桿只能提供垂直於桿的橫向力,即科氏力(Coriolis force)2m·ṙ·θ',此為臂桿施於B的水平推力。
臂桿無摩擦→徑向不施力;水平力只剩橫向的科氏項 F_θ = m(r·θ''+2ṙθ'),等速轉動 θ''=0,故 F=2mṙθ'。
逐選項分析
A動量誤植✕ 陷阱
2m·r0·θ' 形式類似動量(質量×速度),不是橫向作用力的正確表示,屬誘答項。
B科氏力/橫向力✓ 正確
依官方答案,代表臂桿對B的橫向(垂直於桿)作用力,來源為等速轉動下的科氏加速度項 2ṙθ',臂桿只能提供此方向的力。
C向心項混淆✕ 陷阱
2m·r0·θ'^2 為徑向向心相關量(m·r·θ'^2),但無摩擦桿在徑向不施力,故非本題所問水平推力。
D角動量誤植✕
2m·r0^2·θ' 形式接近角動量(m·r²·θ'),非作用力,明顯不符題意。
極座標下加速度與作用力分量
| 方向 | 加速度公式 | 本題(θ''=0) | 臂桿是否施力 |
|---|
| 徑向 a_r | r'' − r·θ'^2 | r'' − r·θ'^2 | 否(無摩擦) |
| 橫向 a_θ | r·θ'' + 2ṙ·θ' | 2ṙ·θ'(科氏) | 是(水平推力) |
最常見錯誤是把向心項 m·r·θ'^2(選項C)當作臂桿施力。要記住:無摩擦臂桿沿桿方向(徑向)不能施力,它只能垂直於桿推動滑塊,對應的是含科氏加速度 2ṙθ' 的橫向力,切勿與向心力或動量、角動量的量綱形式混淆。