有一部很好看的電影「星際效應」,在影片中主角們為了人類的存續而開始了在太空中的旅行,而影片裡出現許多物理的原理與名詞,其中「重力彈弓」更是屢次出現在影片中,在好奇心的驅使之下我們開始了對「重力彈弓」研究與實驗。

 

X博士摘要說明】

  1. 設計與製作可模擬重力彈弓的實驗裝置。
  2. 觀測鋼珠在行經星球引力範圍內時,鋼珠的速度及不同軌道對偏向角度的影響並利用 Excel 分析鋼珠軌跡。

 

第 55 屆 國中物理科作品

題目:星際效應中的憤怒鳥

作者:新北市立蘆洲國民中學的同學們

 

【摘要(原文)

由電影「星際效應,我們開始了這次對重力彈弓的實驗與研究,共設計了三種實驗裝置 :

一、馬忼、鋁盤、強力磁鐵及滑軌組成的引力裝置
、壓克力材質的的實驗平台
三、可調整鋼珠從不同高度滾落的凹槽滑梯裝置,利用這三種裝置我們可以進行重力彈弓的模擬

 

X博士步驟說明】

  • 星球引力的模擬

投影片2

星球的引力方向要指向星球的中心且引力的大小與距離的平方成反比,因此我們利用磁力的大小與距離的平方成反比的特性,來進行模擬我們將 12 顆直徑為 2.0 ㎝高 3.0cm 的圓柱型強力磁鐵平均安裝於直徑 11.5 ㎝、厚 3.0cm 鋁盤的圓周上,並將鋁盤固定於馬達的承軸上。將馬達開啟並以指南針做檢測,調整馬達的轉速直到指針持續指向圓盤的圓心。

 

  • 太空船飛行的模擬

實驗中我們以滾動的鋼珠模擬飛行中的太空船,而太空船的速度及軌道皆會影響重力彈弓的表現,為了瞭解太空船不同飛行速度、軌道所造成的影響,我們設計能改變鋼珠入射速度與軌道的裝置。

投影片3

無引力裝置初速 168.0 ㎝/s,加速度為–90.0 ㎝/s2,摩擦力大小為 1.49gw。

 

  • 觀測鋼珠在行經星球引力範圍內時,鋼珠的速度及不同軌道對偏向角度的影響

思考方向:

因為太空船的偏向角度會受到星球引力大小及經過星球時間所影響,所以我們將實驗分為兩部分:

  1. 觀測鋼珠入射速度對偏向角度的影響
  2. 觀測不同距離產生的星球引力大小對偏向角度的影響

投影片4

當速度較快時,經過星球的時間較短暫,受引力作用時間較短,使得加速度作用時間也較短,所以偏向的角度較小

投影片5

當鋼珠與星球間距離越大,所受的引力越小加速度越小,因此當軌道離星球越遠時,鋼珠所增加的速度較少。

 

數據分析與結論

一、鋼珠行進軌道與引力模擬裝置的距離越近則偏向角度越大。

二、鋼珠入射速度越小則偏向角度越大。

三、引力模擬裝置逐漸遠離鋼珠行進軌道時,鋼珠會有加速的現象。

四、引力模擬裝置逐漸遠離鋼珠行進軌道,鋼珠入射速度越小則增加的速度越多。

五、引力模擬裝置逐漸遠離鋼珠行進軌道時,鋼珠行進軌道與引力模擬裝置的距離越近則增加的速度越多。

 

以下是評審給的評語

投影片6

 

X博士評語】

本實驗的結果因為還有摩擦力的難題需要克服,太空中沒有摩擦力,但地球上的摩擦力幾乎無所不在,所以實驗的過程中越貼近無摩擦的環境越好,另外太空船的行進,會因為周圍的行星重力的影響而產生偏移,為了不偏題軌道,如何控制太空船的速度也是很重要的議題。