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數學公式

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  1. Forces on the Incline

    Forces on the Incline: 斜面計算器

    Parallel force, normal force, friction force and net force for mass m on angle θ

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結果

沿斜面下滑的加速度
3.206
m/s²
平行(重力)分力,m·g·sin θ 49.05 N
正向力,m·g·cos θ 84.957 N
摩擦力,μ·N 16.991 N
沿斜面方向的淨力 32.059 N

什麼是斜面計算器?

斜面就是一個傾斜了某個角度的平面。這個計算器能幫你分析物體放在斜坡上時的運動情形:沿斜面下滑的加速度、把物體往斜面方向拉的重力分量、把物體壓向斜面的正向力,以及阻礙物體運動的摩擦力。無論是寫作業、做物理實驗,還是工程上的概略估算,都是一個通用又實用的物理工具。

使用方法

請輸入物體的質量(公斤)、傾斜角度(度,範圍 0~90)、物體與斜面之間的摩擦係數(\(\mu\)),以及當地的重力加速度(地球預設為 9.81 m/s²)。計算器會算出物體沿斜面方向的加速度,並逐項列出各個受力的數值。

公式說明

物體的重量為 \(mg\)。在傾斜角為 \(\theta\) 的斜面上,重量會分解成兩個方向:沿斜面方向的分量 \(mg\sin\theta\),以及垂直壓向斜面的分量,也就是正向力 \(N = mg\cos\theta\)。動摩擦力會與滑動方向相反,大小為 \(\mu N = \mu\, mg\cos\theta\)。因此,沿斜面方向的淨力為 \(mg\sin\theta - \mu\, mg\cos\theta\),再除以質量便能得到加速度:

$$a = \text{g}\left(\sin\theta - \mu\cos\theta\right)$$

若算出的加速度為負值,代表摩擦力足以讓靜止的物體維持不動(靜摩擦力阻止了滑動)。

斜面上物塊的受力圖,顯示重力、法向力與摩擦力以及角度θ
作用在靜止於斜面上物塊上的力的分量。

範例試算

假設有一個 10 公斤的物塊,放在傾斜 30° 的斜面上,摩擦係數 \(\mu = 0.2\),重力加速度 g = 9.81 m/s²。其中 \(\sin 30° = 0.5\),\(\cos 30° \approx 0.8660\)。加速度 \(= 9.81 \times (0.5 - 0.2 \times 0.8660) \approx 9.81 \times 0.3268 \approx 3.21 \text{ m/s}^2\)。平行分力 \(= 10 \times 9.81 \times 0.5 = 49.05 \text{ N}\)。正向力 \(= 10 \times 9.81 \times 0.866 \approx 84.96 \text{ N}\)。摩擦力 \(= 0.2 \times 84.96 \approx 16.99 \text{ N}\)。

斜面上物塊向下滑動,角度θ與加速度箭頭
物塊沿斜坡加速下滑,用以說明例題。

常見問題

如果結果是負的怎麼辦?加速度為負值,表示摩擦力大於沿斜面方向的重力分量,因此物體不會自行開始下滑。

計算有考慮空氣阻力嗎?沒有。本計算器只考慮重力、正向力與動摩擦力。

重力加速度該填多少?在地球上請使用 9.81 m/s²;若要計算其他星球,可自行更改數值(例如月球為 1.62 m/s²)。

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