力學黑盒子虛擬實驗設計

我們將亞奧物的線上實驗延伸，融入國高中的教學，發展出力學黑盒子的實驗。利用內有小球以及彈簧的兩種力學黑盒子，透過基本物理觀念來求出黑盒子內，小球的信息及彈簧力常數。

本計畫將設計一系列考題，使學生能使用本計畫所開發之軟體做線上實驗操作。

(一) 虛擬實驗儀器

本計畫運用 Unity 架設虛擬實驗儀器，實際模擬實體實驗器材的操作步驟，透過本計畫的軟體可供操作者進行完全擬真的實驗，在實際實驗中所需要的調整、操作都可在本需軟體中進行，達到讓線上操作者與做真實實驗有完全一致的體驗。

簡介
一顆質量為 m 的小重球被固定於一質量 M 的長空心圓柱內，如下圖十二，此小重球的位置到圓柱上端的距離為 Z。圓柱上鑽有一串小孔，小孔的鑽入方向垂直於圓柱的中心軸；這些小孔作為讓圓柱懸吊在鉛直面的支點。

實驗裝置說明
本模擬實驗可以藉由轉動的概念，配合複擺擺動周期的測量，可以決定下列物理量的數值，並估算其誤差:

Z值。
M/m比值。
重力加速度𝑔值。

A.力學黑盒子擺動開關: 按下按鍵可使力學黑盒子開始進行小擺幅擺動。
B.力學黑盒子擺動裝置:利用其擺動狀態，量測其週期。
C.計時器開始按鈕:按下按鍵可開始計時，若要重新計時，則再按一次即可。
D.計時器暫停按鈕:按下按鍵可暫停計時，再按一次則可接續計時。
E.計時器螢幕:顯示當前紀錄的時間(如下圖十四)。
F.力學黑盒子平衡裝置:利用滑鼠點選移動及可找出其平衡位置(如下圖十三)。
G.量尺:力學黑盒子平衡後，利用其量測質心位置。

力學黑盒子 : 內有小球及兩彈簧圓柱

一顆球由兩個彈簧和連結在圓柱管內，兩彈簧一端連結在圓柱管兩端，設計一個實驗求出球的質量和兩個彈簧的力常數。

有關力學黑盒的一般性質如圖十五所示，一黑色圓柱管的長度為𝐿，內有一實心球和兩個彈簧連接後，彈簧再接到用以封閉圓柱管兩端的塞子。兩個彈簧的才質相同、匝數密度相同，但總匝數不一樣，因此彈簧力常數不相等。兩彈簧的質量和未伸長時的長度皆可忽略不計。圓柱管是均勻的，且封閉圓柱管兩端的塞子完全一樣。塞子插入圓柱管內的長度為 𝛿(模擬實驗設計需要給數值如5mm)，實心球的半徑為 𝑟 (模擬實驗設計需要給數值如 11mm)，圓柱管的內徑為 𝐷 (模擬實驗設計需要給數值如 23mm)，重力加速度 𝑔=9.8m/s2。在實心球和圓柱管內壁之間存在有一定的摩擦。

實驗裝置說明
本實驗之目的，係在不可打開力學圓柱黑盒的情形下，測量球的質量 m 和彈簧的彈力常數𝑘1 和𝑘2。其困難點在於不能只靠單一實驗，就能量得球的質量 𝑚 或是定出球的位置 𝑙 ，主要原因是 𝑚 和 𝑙 彼此相關。此處的 𝑙 為當力學圓柱黑盒呈水平平衡，且摩擦力為零時，圓柱管中心和球之間的距離。
本實驗分為三個實驗桌，第一實驗桌為測量力學黑盒子質心，來求得力學黑盒子內球的質量與位置的乘積。
第一實驗桌
A.力學黑盒子二平衡裝置:可利用其找出其質心位置。
B.量尺:可利用其量測質心位置數值。

實驗裝置說明
第二實驗桌為利用轉動慣量測量，來測得球的質量。
第二實驗桌
A 法瑪:供滑輪實驗作為通過光電閘的物品。
B 光電閘:可上下調整位置，依序量測法瑪不同降落距離之通過速率。
C 量尺:可利用其定點出法瑪下降距離。
D 刪除按鈕:可刪除目前一筆資料。
E 記錄資料按鈕:記錄當前資料。
F 資料數目:顯示當前紀錄資料數量，當資料數目打 20 彼時，Generate 按鈕便會出現，按下按鈕能顯示資料表格。
G 螢幕 : 20 組資料測量完畢後，能生成資料紀錄表。

實驗裝置說明
第三桌實驗為將力學黑盒子視為一複擺系統，並利用小擺幅實驗，求得黑盒子內的兩彈力常數 k1 & k2。
第三實驗桌
A 開始按鈕:按下按鍵能使力學黑盒子進行小擺幅擺動。
B 開始按鈕:按下按鍵能使力學黑盒子進行小擺幅擺動。
C 計時器暫停按鈕:按下按鈕能暫停紀錄時間，再按一次能繼續計時。
D 計時器開始按鈕:按下按鈕能開始計時，再按一次能重新計時。
E 秒數畫面:能呈現當前紀錄時間。