自由體圖工具

自由體圖產生器

給物理和靜力學用的帶標註自由體圖。自由體圖產生器把每個力畫成從物體出發、標為 W、N、f 或 T 的箭頭,涵蓋斜面、滑輪、阿特午德機、電梯、傾斜彎道和梁。

自由體圖範例

自由體圖產生器依所附提示詞實際產生的圖:沿 30° 斜面下滑的木塊、在地面上被推動的箱子、以兩條纜線懸吊的紅綠燈,以及一張空白學習單。點選任一張,即可把它的提示詞載入自由體圖產生器並修改。

斜面上的木塊

有摩擦的斜面,自由體圖產生器把座標軸轉成沿斜面方向。

簡單學習單

等速被推動的箱子,自由體圖產生器為入門學習單這樣畫:四個力兩兩平衡,以文字標註。

懸吊的紅綠燈

自由體圖產生器畫的懸吊紅綠燈:兩條張力加上重力,角度從 x 軸量起。

空白填圖版

自由體圖產生器產出的空白斜面學習單,所有標註都留給學生填。

斜面上木塊的自由體圖,標出重力、正向力、動摩擦力、拉力以及傾斜的 x 軸與 y 軸
自由體圖產生器畫出的帶標註自由體圖:沿傾角 θ 的粗糙斜面往上拉的木塊,重力、正向力、動摩擦力和拉力都從木塊中心畫出,x 軸與 y 軸沿斜面傾斜。

自由體圖怎麼畫:以沿斜面拉上的木塊為例

這張由自由體圖產生器畫出的帶標註自由體圖,是一個木塊被平行於斜面的繩子沿粗糙斜面往上拉。同樣四個步驟適用於任何力學題。

  1. 1

    把物體縮成一點

    自由體圖產生器讓每個箭頭都從木塊中央的點出發,箭尾在物體上,繩子的拉力也一樣。

  2. 2

    先畫重力,鉛直向下

    W = mg 指向地心,不是指向斜面。

  3. 3

    接觸面給兩個力

    N 垂直於斜面;動摩擦力 f_k 沿斜面向下,因為木塊往上移動。

  4. 4

    再畫拉力,最後轉斜座標軸

    拉力 F 沿著繩子;x 軸沿斜面、y 軸垂直斜面,只有 W 需要分解。

自由體圖產生器能畫的力學題,一個力一個力拆解

物理課最常出的幾種情境的自由體圖範例,各有自己的一組力,也有最適合的座標軸取法。每張卡片最後都附一段提示詞:按「試試看」,上方的自由體圖產生器就會載入這個情境,可直接修改。

水平地面上箱子的力圖

箱子被等速向右推,受四個力、兩兩相等:向右的推力 F_app 和向左的摩擦力,向下的重力 mg 和向上的正向力 N。以 θ 角斜向下推,N 增為 mg + F sin θ;以同樣角度斜向上拉,N 減為 mg − F sin θ,所以用拉的受到的摩擦力較小。把推力的角度告訴自由體圖產生器,它就會把箭頭轉斜,並調整 N 的長度。

斜面上的自由體圖

重力 mg 鉛直向下,正向力垂直斜面,摩擦力沿著斜面。把座標軸轉成沿斜面方向後,N = mg cos θ(下方有完整演算)。靜止的木塊受沿斜面向上的靜摩擦力,大小等於 mg sin θ;當 tan θ 大於 μ_s 時,木塊就開始下滑。告訴自由體圖產生器木塊是靜止、往下滑還是被往上拉,因為這決定摩擦力的方向。

有摩擦力的自由體圖

動摩擦力 f_k = μ_k N,方向與滑動方向相反。靜摩擦力的方向與「沒有它時會發生的滑動」相反,最大可達 μ_s N;把汽車往前推的,就是驅動輪上的靜摩擦力。在提示詞裡說明物體是在滑動還是抓地不滑,自由體圖產生器就會把摩擦力標為 f_k 或 f_s。

有張力的自由體圖

懸掛的物體:繩子張力 T 向上,重力 mg 向下,靜止時 T = mg。用兩條纜線吊起的紅綠燈,纜線夾角為 θ₁ 和 θ₂:以繩結為研究對象,沿纜線畫 T₁ 和 T₂,再畫向下的重力;於是 T₁ cos θ₁ = T₂ cos θ₂,T₁ sin θ₁ + T₂ sin θ₂ = mg。上方的第三張範例就是這種情境。請自由體圖產生器以繩結為研究對象,它就會從同一點畫出三個力。

滑輪與阿特午德機的自由體圖

每個物體各畫一張。在滑輪無質量、無摩擦的阿特午德機中,每個物體都受向上的張力 T 和向下的自身重力,兩側的 T 相同;若 m₂ 較重,a = (m₂ − m₁)g / (m₁ + m₂),T = 2m₁m₂g / (m₁ + m₂)。桌面上的木塊經滑輪連到懸掛物時,木塊受 N、mg、摩擦力和指向滑輪的 T;懸掛物受 T 和 mg。請自由體圖產生器每個物體各畫一張,它們會並排出現,張力箭頭長度相同。

電梯的自由體圖

站在電梯裡體重計上的人:向下的重力 mg 和向上的正向力 N,N 就是體重計的讀數。以向上為正,N − mg = ma:電梯向上加速時 N 大於 mg,向下加速時 N 小於 mg,等速時 N = mg,自由落下時 N 為零。在提示詞裡寫明加速度的方向,自由體圖產生器就會依此調整 N 相對於 mg 的長度。

圓周運動的自由體圖

向心力是各個真實力的合力,指向圓心,不另外畫箭頭。汽車在平路上轉彎:mg 向下、N 向上、靜摩擦力指向圓心,f = mv²/r。用繩子拉著球在水平面上繞圈:T 沿繩子,mg 向下;T 的水平分量指向圓心。畫平路轉彎時,請自由體圖產生器改從車後方看,指向圓心的摩擦力箭頭才看得到。

單擺的自由體圖

擺錘受兩個力:沿繩子指向支點的張力 T,以及鉛直向下的重力 mg。改用徑向和切向座標軸:沿弧線的 mg sin θ 把擺錘拉回最低點,沿繩子方向 T − mg cos θ = mv²/L,所以 T 在最低點最大。寫明繩子的角度,自由體圖產生器就會畫出徑向和切向座標軸,並以虛線畫出重力的分量。

彈簧的自由體圖

彈力沿著彈簧,指向恢復原長的方向,大小為 kx。掛在彈簧下的物體:kx 向上,mg 向下,平衡時伸長量 x = mg/k。在水平彈簧上,它是唯一的水平力,彈簧伸長時往回拉,壓縮時往外推。把質量和彈力常數交給自由體圖產生器,它就會在箭頭上寫出 kx 和 mg。

梁的自由體圖(靜力平衡與力矩)

這是有大小的物體,所以每個力都畫在它實際作用的位置,不集中在一個點。架在兩個支點上的梁:A、B 兩處的支撐反力,梁的重量畫在中點,每個負載畫在懸掛處;接著列 ΣF_x = 0、ΣF_y = 0、Στ = 0,對某個支點取力矩以消去它的未知力。靠在光滑牆上的梯子也一樣:牆給一個水平推力,地面給 N 和摩擦力,重量畫在中點。把支承類型和距離交給自由體圖產生器,它就會把每個反力畫在作用的位置上。

傾斜彎道的自由體圖

在沒有摩擦的傾斜彎道上的汽車受兩個力:向下的 mg 和垂直於路面的 N。汽車的加速度是水平的,所以座標軸維持水平、改把 N 分解:N cos θ = mg,N sin θ = mv²/r,得到 tan θ = v²/(rg)。有摩擦時,摩擦力沿著路面:車速高於設計速率時沿斜坡向下,低於時沿斜坡向上。請自由體圖產生器從車後方畫,N 就會畫成朝圓心傾斜。

考慮空氣阻力的落體自由體圖

跳傘者受兩個力:向下的重力 mg 和向上的空氣阻力。剛跳出時阻力很小;到達終端速度時阻力等於 mg,兩個箭頭一樣長,雖然跳傘者仍在快速下落。降落傘打開時,阻力短暫大於 mg,所以跳傘者一邊往下一邊減速。自由體圖產生器可以把這三個階段並排畫在同一張簡報上。

拋體在最高點的自由體圖

往上拋的球,或任何忽略空氣阻力的拋體,在飛行中的每一點都只受一個力:鉛直向下的 mg。球一離手,就沒有「拋出的力」,最高點沒有向上的力,也不需要任何力來維持水平速度。請自由體圖產生器把三個時刻並排畫出,那支始終不變的箭頭本身就說明了一切。

飛機的自由體圖

等速水平飛行的飛機受四個力、兩兩平衡:向上的升力和向下的重力,向前的推力和向後的阻力。傾斜轉彎時升力隨機翼傾斜;它的鉛直分量撐住飛機,水平分量讓飛機轉彎,所以升力必須大於重力。自由體圖產生器把飛機畫成簡單的剪影,四個箭頭都從質心畫出。

火箭升空時的自由體圖

離開發射台的火箭:推力向上,重力 mg 向下,開始運動後還有向下的阻力。只有推力大於重力時才會升空,合力(推力 − mg − 阻力)決定它的加速度。被往下推的廢氣不畫在火箭的自由體圖上:推力箭頭就是氣體反過來推火箭的力。告訴自由體圖產生器火箭還在發射台上或已經在爬升,因為這決定要不要畫阻力。

雲霄飛車迴圈的自由體圖

在鉛直迴圈的最高點,車廂倒過來:軌道的 N 和 mg 都向下、指向圓心,N + mg = mv²/r。在最低點,N 向上、mg 向下,N − mg = mv²/r,所以乘客在那裡覺得最重。車廂通過最高點的最低速率,是 N 降到零的時候:v = √(gr)。同時要求最高點和最低點,自由體圖產生器會把兩個位置畫在同一個迴圈上。

桌上書本的自由體圖

靜止在桌上的書受兩個力,重力和正向力,大小相等、方向相反,但它們不是牛頓第三運動定律的一對作用力與反作用力。重力的反作用力是書把地球往上拉;N 的反作用力是書往下壓桌子,這個力要畫在桌子的自由體圖上。請自由體圖產生器把書和桌子分成兩張圖,每個第三定律的反作用力都會落在正確的那一張上。

兩個接觸木塊的自由體圖

在無摩擦地面上一起被推動的兩個木塊:每個木塊各畫一張。前面的木塊受後面木塊向前的接觸力 P;後面的木塊受推力 F,以及前面木塊大小相等、方向相反的反推力。兩者都有各自的 mg 和 N。若把整體當作一個系統,就只有 F,兩者的加速度都是 a = F / (m₁ + m₂)。給自由體圖產生器的一段提示詞,就能同時要求兩個木塊各自的圖和整體系統的圖。

從自由體圖到 ΣF = ma:一道斜面題完整演算

多數練習題要的都是附解答的自由體圖範例,因為畫完圖之後的分數,來自圖所列出的方程式。下面以 30° 斜面上的一個木塊為例,從畫圖一路算到加速度,數值就像作業題會給的那樣。

已知: m = 5.0 kg · θ = 30° · μ_k = 0.20 · g = 9.8 m/s² · 木塊沿斜面下滑

  1. 1

    只畫力,其他都不畫

    從木塊畫出三個箭頭:鉛直向下的重力 W = mg = 49 N、垂直於斜面的正向力 N,以及與滑動方向相反、沿斜面向上的動摩擦力 f_k。這就是自由體圖產生器依下方提示詞畫出的圖。

  2. 2

    轉斜座標軸,分解重力

    取 x 軸沿斜面向下、y 軸垂直斜面。只有重力不在座標軸上:沿 x 方向 mg sin θ = 24.5 N,垂直壓向斜面 mg cos θ = 42.4 N。分量用虛線畫,或另外畫一張草圖,絕不能當成額外的力。

  3. 3

    列出 ΣF_y = 0

    木塊既不離開斜面,也不陷進去,所以 N − mg cos θ = 0,N = 42.4 N。於是 f_k = μ_k N = 0.20 × 42.4 N = 8.5 N。

  4. 4

    列出 ΣF_x = ma

    mg sin θ − f_k = ma,得 24.5 N − 8.5 N = (5.0 kg) a,所以 a = 3.2 m/s²,沿斜面向下。以符號表示為 a = g(sin θ − μ_k cos θ):質量消掉了。

  5. 5

    拿圖核對答案

    合力 16 N 沿斜面向下,與木塊加速的方向一致。如果下滑的木塊算出負的 a,就表示摩擦力正在讓它減速,加速度指向沿斜面向上。

把這張圖連同數值一起載入自由體圖產生器:

沿 30° 斜面下滑的木塊自由體圖,重力、正向力和動摩擦力從木塊中心畫出,重力的分量以虛線沿傾斜的 x 軸與 y 軸畫出。θ = 30°W = mgNf_kmg sin θmg cos θxy
30° 斜面上 5.0 kg 木塊的自由體圖:W、N 和 f_k 從木塊中心畫出,重力分量 mg sin θ 和 mg cos θ 以虛線沿傾斜的座標軸畫出。下方的「試試看」會讓自由體圖產生器以這些數值畫出同一張圖。
傾斜彎道上汽車的自由體圖,重力鉛直向下,正向力垂直於路面,其分量 N cos θ 和 N sin θ 以虛線沿水平座標軸畫出。θNmgN cos θN sin θ← 彎道圓心

斜面還是傾斜彎道:座標軸該怎麼取?

讓其中一條軸沿著加速度的方向。在斜面上,木塊沿斜面加速,所以 x 軸跟著傾斜,N = mg cos θ。在傾斜彎道上,汽車朝彎道圓心水平加速,所以座標軸維持水平,要分解的是 N:N cos θ = mg,所以 N = mg / cos θ,比重力大。把斜面的 mg cos θ 硬套到傾斜彎道上,正是網路論壇上一長串相關討論背後的錯誤。這裡的「試試看」會把車速高於設計速率、摩擦力沿斜坡向下的情況交給自由體圖產生器。

自由體圖產生器畫的力,以及每個箭頭的方向

力學題最常出現的力、它們慣用的符號,以及箭頭必須指向的方向。除非你另有指定,自由體圖產生器都依這些慣例來畫。

力符號自由體圖產生器的畫法
重力W 或 mg鉛直向下,所有有質量的物體都受重力
正向力N垂直於接觸面,由接觸面指向物體外側
動摩擦力f_k(大小 μ_k N)沿接觸面,與滑動方向相反
靜摩擦力f_s沿接觸面,與物體將要滑動的方向相反
張力T沿繩子,拉離物體的方向
外加的推力或拉力F沿推或拉的方向
空氣阻力f_空氣 或 R與物體運動方向相反
彈力(彈簧)F = kx沿彈簧,指向恢復原長的方向

不同課本的符號不完全一樣。有些課程寫 F_g 和 F_N,有些寫 W 和 N,也有的把每個力都寫成 F 加兩個字母的下標,標明誰施力於誰。告訴自由體圖產生器你的課程用哪些符號,圖上就只用這些。

會被扣分的自由體圖錯誤,以及自由體圖產生器的正確畫法

AP 物理的閱卷報告年年列出同樣幾種自由體圖錯誤:箭頭沒有接在點上、漏畫力、多畫力,以及沒人看得懂的標註。下面八項幾乎涵蓋了全部,自由體圖產生器預設就會避開。

箭頭不是從物體出發

每個箭頭的箭尾都在點或方塊上,並朝外指,推力也一樣。和點分開的向量,或沒畫箭頭的線段,都拿不到分數。自由體圖產生器讓每個箭頭都從物體出發。

把合力多畫成一個箭頭

ΣF 是已經畫出的箭頭的總和,不是另一個力。多畫一個 F_net 箭頭,等於每個力都算了兩次;題目要求合力時,寫在圖旁邊就好。自由體圖產生器從不加上合力箭頭。

畫了向心力箭頭

轉彎的汽車或用繩子甩動的球,指向圓心的力是摩擦力、張力或 N 的一部分。另外畫一個 F_c 箭頭就是多畫了一個力,AP 閱卷報告也把它列為圓周運動題的常見錯誤。自由體圖產生器只畫真實的力,並在旁邊標出圓心的方向。

把分量畫成額外的力

mg sin θ 和 mg cos θ 就是分解後的重力。在 mg 旁邊用實線畫出,重力就被算了三次。AP 題目要求畫「力(不是分量)」;需要分量時,用虛線或另外畫。自由體圖產生器只在你要求時才畫,而且畫成虛線。

畫了物體施加在別的東西上的力

箱子往下壓地板,但這個力作用在地板上。只有作用在所選物體上的力才畫在它的圖上;每個箭頭在牛頓第三運動定律中的反作用力,屬於另一個物體的圖。除非你要求更多,自由體圖產生器每張圖只隔離一個物體。

漏畫或捏造接觸力

數一數有什麼和物體接觸:每個接觸面給 N,可能還有摩擦力;每條繩子給一個 T;每個鉸鏈或銷釘給一個反力。忘了畫鉸鏈的力,以及替沒有接觸任何表面的物體畫正向力,都是閱卷報告點名的錯誤。在提示詞裡列出和物體接觸的東西,自由體圖產生器就會替每個接觸畫上對應的力。

以為 N = mg

只有在水平面上、沒有其他鉛直方向的力、也沒有鉛直加速度時,N 才等於 mg。在斜面上是 mg cos θ,在向上加速的電梯裡是 m(g + a),在傾斜彎道上是 mg / cos θ。描述運動情形,自由體圖產生器就會依此調整 N 相對於 mg 的長度。

箭頭沒標註,或用自創的標註

每個箭頭都需要讀者認得的符號:F_g 或 mg、F_N 或 N、f、T。沒標註的箭頭和自創的標註都會被扣分。告訴自由體圖產生器你的課程用哪些符號,圖上就只會出現這些。

上方自由體圖範例中,自由體圖產生器畫的每一張都遵守這些規則。打開一張放在你自己畫的圖旁邊,逐個箭頭比對。

自由體圖和運動圖(頻閃圖)有什麼不同?

自由體圖表示某一瞬間一個物體受到的力;運動圖則在相等的時間間隔標出物體的位置,並附上速度與加速度箭頭。

自由體圖運動圖
表示什麼一個物體受到的力物體在相等時間間隔的位置
箭頭代表力,每個都有施力者速度與加速度
回答的問題它為什麼這樣運動?(ΣF = ma)它怎麼運動?
圖上該畫W、N、f、T、F_appv 和 a

牛頓第二運動定律把兩者連在一起:自由體圖的合力方向,和運動圖上的加速度方向相同。如果自由體圖上的箭頭加起來不可能得到你預期的加速度,就是漏了力,或有某個力的方向畫錯。請自由體圖產生器把兩者並排畫出,運動圖會以一排點的形式出現在力的旁邊。

各課程的自由體圖慣例:AP Physics、IB、A-level 與靜力學

物理到哪裡都一樣;名稱、符號和閱卷者看重的地方卻不同。在英國,同一張圖常被稱為力圖(force diagram)。在提示詞裡寫明你的課程,自由體圖產生器就會採用它的符號。

課程通常稱為常用符號閱卷者檢查什麼自由體圖產生器
AP Physics 1、2 與 C(美國)自由體圖(free-body diagram)F_g, F_N, f, T, F_app每個力是一個獨立的箭頭,從點出發並朝外指;畫力而不是分量;題目要求時要畫出相對長度
IB Physics(DP)自由體圖(free-body diagram)W 或 F_g、N、f、T畫出作用在同一物體上的所有力並標註,長度呈現相對大小;合力由這些力求出,不和它們畫在一起
A-level 數學,力學(英國)力圖(force diagram)mg(或 W),正向反力用 R,摩擦力用 F 且 F ≤ μR,T把力分解為平行和垂直於斜面的分量;物體即將滑動時,摩擦力達到極限值 F = μR
GCSE 與 A-level 物理(英國)自由體圖或力圖重力、正向接觸力、摩擦力、張力,寫成文字或 W、R箭頭長度呈現大小,並由它們算出合力
大學物理(OpenStax 等)自由體圖(free-body diagram)w 或 mg、N、f、T物體畫成一個點;分量以虛線或另一張草圖呈現;多物體問題每個物體各畫一張
工程靜力學自由體圖(FBD)支承反力用 A_x、A_y、B_y,力偶矩用 M,分布負載以一個合力表示每個支承都換成它的反力,每個力畫在真實的作用點,並標出尺寸以便取力矩

每個「試試看」都會載入以該課程符號寫成的提示詞;改變情境時,自由體圖產生器會保留同一套記號。

什麼是自由體圖?

自由體圖(又稱受力圖)把要分析的物體從周圍環境隔離出來,畫成一個點或簡單的方塊,再把它受到的每個外力畫成從物體出發、指向力的方向的箭頭。每個箭頭都標上符號,例如重力 W 或 mg、正向力 N、摩擦力 f、繩子張力 T。列出牛頓第二運動定律之前,第一步就是畫這張圖。

重點

  • 每個力都要有施力者。重力來自地球,正向力和摩擦力來自接觸面,張力來自繩子或纜線。沒有東西推或拉,就沒有箭頭;所以在一般不轉動的參考系中,不會有「離心力」。

自由體圖產生器 vs 手繪、PhET 與解題工具

找自由體圖產生器、繪圖工具或製作工具的人,要的是那張圖本身:一份學習單、一份解答、一份實驗報告、一張簡報。這正是自由體圖產生器做的事;下表比較它和其他製圖方式。

製作方式得到什麼最適合要注意
紙筆手繪符合考試格式的草圖必須自己畫的考試和小考很難再用到報告或簡報裡
簡報或向量繪圖軟體(PowerPoint、Google 簡報、Inkscape、draw.io)一個一個擺上去的箭頭和文字方塊有固定版面風格的學習單每個角度和標註都要手動定位
附力箭頭的 PhET 模擬可以推動、傾斜物體的即時箭頭觀察情境改變時力怎麼變化情境固定;不是能照自己方式標註的圖
作業平台的繪圖工具(McGraw Hill Connect、Mastering Physics)在指定題目裡畫出並評分的圖指定作業只能用在該平台自己的題目裡
自由體圖解題器和計算機標準情境中未知力的數值核對答案多半只給數字,不給可以交出去或列印的帶標註圖
這個自由體圖產生器任何你描述得出來的情境,畫成帶標註、可直接列印的圖,使用你課程的符號學習單、解答、實驗報告、簡報、複習筆記它只畫圖不解題;圖上寫的任何數值都要核對

自由體圖產生器和紙筆草圖可以搭配使用:考試時自己畫,放進講義或報告的乾淨版本則交給產生器。

自由體圖產生器:學生常問的問題

自由體圖要畫哪些東西?

只畫要分析的物體(一個點或簡單方塊)、它受到的每個外力箭頭(各自帶符號),以及座標軸。其他都不畫:不畫周圍的東西,不畫速度或加速度箭頭,也不畫合力。這就是自由體圖產生器預設的畫法;要求把斜面或繩子簡單畫出來,它就會加上。

力圖和自由體圖是同一種圖嗎?

在多數課程裡是的:兩者都把作用在單一物體上的力畫成標有符號的箭頭,兩個名稱指的是同一張圖。有些課程會加以區分:力圖可以把物體連同周圍環境一起畫,或同時畫好幾個物體;自由體圖則一定只把一個物體單獨隔離出來。無論哪一種,每個箭頭都是某個東西施加的力。自由體圖產生器兩種都能畫:要求單獨隔離一個物體,或連同周圍環境畫出整個情境。

自由體圖要怎麼一步步畫?

先把物體隔離出來,找齊它受到的所有力,再把每個力畫成從物體出發的箭頭並標上符號。先畫重力;每個接觸面加上正向力和摩擦力,每條繩子或纜線加上張力;最後加上推力或拉力。接著選定座標軸(斜面上沿斜面和垂直斜面),並檢查每個箭頭都有施力者。把這段描述輸入自由體圖產生器,就能得到一張乾淨的圖,拿來核對你自己畫的。

斜面上的正向力為什麼不是鉛直向上?

因為正向力永遠垂直於施力的接觸面,而斜面是傾斜的。把它畫成鉛直向上,是自由體圖最常見的錯誤。大小也會改變:沒有其他力把木塊壓向斜面時,N = mg cos θ,比重力小。在任何斜面上,自由體圖產生器都把 N 畫成垂直於接觸面。

圓周運動要不要畫離心力?

不要。在一般的慣性座標系裡,沒有東西施加離心力,所以沒有這個箭頭。向心力也不是額外的一個箭頭,而是由已經畫出的各個力組成、指向圓心的合力:甩動的小球靠張力,轉彎的汽車靠摩擦力,人造衛星靠重力。自由體圖產生器兩者都不畫。

速度和加速度要畫在自由體圖上嗎?

不要,圖上只畫力。向右運動的物體不一定受向右的力;等速滑動的箱子受力平衡。想標出運動方向,可以寫在圖旁邊,不要畫成圖上的箭頭。在提示詞裡提到運動情形,自由體圖產生器會把它寫在圖旁邊,而不是畫成一個力。

摩擦力的方向怎麼判斷?

沿接觸面,與滑動方向相反。動摩擦力與物體相對接觸面的運動方向相反;靜摩擦力與物體將要滑動的方向相反,所以靜止在斜面上的木塊受到的靜摩擦力沿斜面向上。說明物體是在滑動還是靜止,自由體圖產生器就會把箭頭標為 f_k 或 f_s。

力的箭頭從哪裡畫起?

從物體上畫起,指向力作用的方向。把物體當成質點時,所有箭頭都從這個點或方塊中心畫出,推力也是箭尾在物體上。需要考慮轉動效果時,例如梁或梯子,要把每個力畫在它的作用點上。除非你要求畫在各力的作用點,自由體圖產生器會讓每個箭頭都從物體中心出發。

自由體圖產生器也能幫忙解題嗎?

不能:自由體圖產生器負責畫圖,列式計算還是你的事。給出質量、傾角或摩擦係數等數值,會寫在圖上,但它不會求解未知的力。上面的斜面演算範例示範了一張完成的自由體圖能列出哪些方程式;使用任何數值前請先核對。

自由體圖產生器能畫出力的分量嗎?

可以,只要你要求:自由體圖產生器會沿你指定的座標軸,以虛線箭頭畫出分量,並與力本身分開。 AP 式的作答只要求畫力、不要分量,這時就不要畫;寫詳解或做教學簡報時再加上。

自由體圖一定要依比例畫嗎?

不用,但相對長度要對。自由體圖是示意圖,不是比例圖;不過平衡的力要畫成等長的箭頭,較大的力要畫得較長,AP 題目要求比較相對大小時檢查的就是這一點。在提示詞裡寫明關係,例如「摩擦力等於推力」或「N 比重力短」,自由體圖產生器就會照此調整箭頭長度。

怎麼在線上製作自由體圖?

在本頁最上方的自由體圖產生器裡輸入情境:物體、和它接觸的東西、運動情形,以及任何數值。選一種風格或保留簡潔的教科書樣式,圖就會在你的工作區開啟,你可以在那裡改符號、移動標註,並匯出高解析度檔案,用於學習單或報告。

開啟自由體圖產生器

輸入一句題目描述,大約一分鐘就拿到一張帶標註、可列印的自由體圖。

畫自由體圖