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自由體圖怎麼畫:受力種類、範例與檢查清單
2026/07/18

自由體圖怎麼畫:受力種類、範例與檢查清單

一步一步教你繪製自由體圖(受力分析圖)。搞懂該畫哪些力、如何確定方向與作用點,避開常見的受力圖錯誤,並透過物體、斜面與拋體運動等經典範例學會畫法,適合物理課程學習、作業練習與考試複習,看完就能上手,配例題講解。

大多數自由體圖的錯誤,都出現在寫下第一條方程式之前。正向力被畫成鉛直方向、速度箭頭被誤認為一個力,或是重力在分解成分量後又被重複算了一次。這張圖一旦畫錯,就算後面的代數運算完美無瑕,得到的結果也還是錯的。

這篇指南提供你一套能反覆套用的方法:把研究物體隔離出來、辨識外力、畫出並標示向量,並在套用牛頓定律之前先檢查結果。當你已經清楚有哪些力時,自由體圖產生器可以把文字描述直接轉成一張乾淨、標示清楚的受力圖。

常見的自由體圖錯誤

  • 把物體施加在其他物體上的力也畫進來。 自由體圖只呈現作用在所選物體上的力。
  • 把運動、速度或加速度當成力畫出來。 這些量可以另外標註,但它們並不是力向量。
  • 把「向心力」當成一個額外的力。 向心力是由張力、重力、摩擦力或正向力等真實的力所提供、指向圓心的淨力。
  • 理所當然地認為正向力永遠等於重力。 只有在特定情況下正向力才等於 mg,例如物體在水平面上處於鉛直方向平衡、且沒有其他鉛直方向的力時。
  • 在斜面上把正向力畫成鉛直向上。 正向力必須垂直於接觸面。
  • 不假思索地把摩擦力畫成與速度相反。 摩擦力對抗的是接觸處的相對滑動,或滑動的趨勢。
  • 把重力和它的分量當成三個獨立的力畫出來。 mg 只畫一次。分量只是座標分解,並不是額外的力。
  • 在同一張圖裡混入兩個物體。 在多物體系統中,每個物體都要各自畫一張自由體圖。

什麼是自由體圖?

自由體圖(受力圖,free body diagram,FBD) 又稱力圖,它把單一物體隔離出來,用標示清楚的向量表示作用在它身上的每一個外力。通常會用一個點或一個簡單的方塊來取代物體的複雜外形,如此各力之間的關係會更容易看清楚。

自由體圖並不是整個物理情境的寫實圖。它是一個用來列出方程式的模型,例如:

ΣFx = max
ΣFy = may

圖中應包含足夠的資訊來建立這些分量方程式,同時又不能加入實際上並不存在的力。

自由體圖中常出現的力

力常用符號方向
重力Fg 或 W = mg鉛直向下,指向地心
正向力FN 或 N垂直於接觸面
摩擦力Ff、fs 或 fk沿接觸面,對抗相對運動或其趨勢
張力T沿拉緊的繩、索或纜,朝遠離物體的方向拉
施力(外力)Fapp指向所述推力或拉力的方向
彈力Fs = -kx與偏離平衡位置的位移方向相反
阻力或空氣阻力Fd與物體相對於流體的速度方向相反
浮力FB在靜止流體中,向上穿過浮力中心
電力FE = qE沿電場方向或與之相反,視電荷正負而定

只有當另一個物體或場確實對所選物體施加了某個力時,才把這個力畫進去。

一步一步畫出自由體圖

1. 選定一個物體

明確說出這張圖代表什麼:「這個物體」、「懸吊的質量」或「電梯裡的人」。如果情境中有好幾個物體,就在原圖上為你要研究的那個物體劃一道邊界。

2. 用簡單形狀取代物體

在自由體圖的正中央畫一個點或方塊。把地板、斜面、繩子和周圍景物都拿掉,它們的作用會以力的形式重新出現。

3. 列出所有交互作用

問兩個問題:

  1. 有哪些物體與所選物體接觸?
  2. 有哪些遠程場作用在它身上?

粗糙斜面上的物體會與地球(重力)以及斜面(正向力,可能還有摩擦力)產生交互作用。若有繩子則多一個張力。沒有相對應的交互作用,就不應該出現其他的力。

4. 每個外力畫一個向量

每一根箭頭都從物體出發。讓它指向力的方向,並立即標示。只有在題目給出大小、或相對大小已知時,才用比較長的箭頭表示比較大的力。

5. 選擇座標軸

對於水平面,通常取水平軸與鉛直軸較為方便。在斜面上,取 x 軸平行於斜面、y 軸垂直於斜面,如此可將需要分解的力的數量降到最少。

6. 在需要時分解分量

在傾角為 θ 的斜面上,重力可分解為:

mg sin(θ)  平行於斜面
mg cos(θ)  垂直於斜面

用虛線的分量箭頭,或在另一張分量圖中畫出它們。在對力求和時,不要在原本的 mg 向量之外把這些分量重複算進去。

7. 寫出淨力方程式

利用圖來決定正負號,沿每一個座標軸建立 ΣF = ma。方程式要在畫好自由體圖之後再寫,而不是之前。

8. 做一次物理檢查

問問看:是不是每一根箭頭都有真實的來源、方向是否合理,以及淨力是否與所述的加速度一致。

範例一:水平面上的物體

一個物體被往右推,在粗糙地面上滑動。共有四個力:

  • 重力 mg,鉛直向下;
  • 正向力 N,鉛直向上;
  • 施力 Fapp,指向右方;
  • 動摩擦力 fk,指向左方。

如果鉛直方向沒有加速度,則 N - mg = 0。水平方向上,Fapp - fk = ma。

粗糙水平面上物體的自由體圖,標示了施力、摩擦力、正向力與重力

每個向量都有可辨識的來源:地球、地面,或外部的推力。

範例二:斜面上的物體

對於斜面上的一個物體:

  • mg 鉛直向下;
  • N 垂直於斜面向外;
  • 若有摩擦力,則沿斜面方向;
  • 重力的兩個分量為:沿斜面向下的 mg sin θ,以及垂直壓向斜面的 mg cos θ。

在光滑斜面上沒有摩擦力。平行分量產生加速度,而正向力與垂直分量互相平衡:

ΣFparallel = mg sin(θ) = ma
ΣFperpendicular = N - mg cos(θ) = 0

30 度斜面上物體的自由體圖,標示了重力分量與正向力

正向力垂直於斜面,而不是鉛直向上。

範例三:加速中的電梯裡的人

這個人受兩個力:鉛直向下的重力,以及電梯地板鉛直向上的正向力。

  • 向上加速:N > mg
  • 等速運動:N = mg
  • 向下加速:N < mg

單憑速度無法決定受力的平衡關係。電梯在減速下降時,可以一邊向下運動,一邊向上加速。

範例四:拋體在最高點

忽略空氣阻力時,拋體只受到鉛直向下的重力作用——即使在軌跡的最高點也是如此。此時水平速度仍不為零,但要維持這個速度並不需要任何水平方向的力。

這正是為什麼多加一個向前的「運動力」是錯誤的。

一個更好的提示詞

較差的提示詞

畫出斜面上物體的受力。

更好的提示詞

為一個位於光滑 30° 斜面上、質量 4 kg 的物體畫一張自由體圖。用一個簡單方塊取代物體。畫出鉛直向下的重力 Fg = 39.2 N、垂直於斜面向外的正向力 N = 34.0 N,以及以虛線表示的重力分量:沿斜面向下的 mg sin 30° = 19.6 N 與垂直壓向斜面的 mg cos 30° = 34.0 N。加上座標軸,+x 沿斜面向上、+y 垂直於斜面向外。不要畫摩擦力、速度或任何額外的施力。乾淨的物理教科書風格,白色背景。

更好的提示詞把研究物體、交互作用條件、各個力、方向、數值、座標軸與排除項都講清楚了。

自由體圖檢查清單

  • 圖中只隔離出一個物體。
  • 每一根力箭頭都從該物體出發。
  • 每一個力都有真實的施力者或場。
  • 重力鉛直向下。
  • 正向力垂直於接觸面。
  • 張力沿繩方向,朝遠離物體的方向拉。
  • 摩擦力沿接觸面方向,對抗相對滑動或其趨勢。
  • 運動與加速度沒有被當成力畫出來。
  • 分量沒有與原本的力重複計算。
  • 向量標示與正方向座標軸清楚無歧義。
  • 淨力方向與加速度一致。

線上製作自由體圖

打開自由體圖產生器,選擇物體、斜面、電梯、拋體或阿特伍德機等範例,再把數值換成你自己的。若需要更完整的力學圖,科學示意圖產生器可以把自由體圖與物理裝置、方程式和說明性註解結合在一起。

SciDraw AI 會畫出你所描述的力;它並不會求解或驗證力學問題本身。在把畫好的自由體圖與方程式用於作業、教學或實驗報告之前,請先自行檢查。

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作者

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Davie Chen / SciDraw AI

Researcher

Davie Chen is a researcher at the Faculty of Animation and Intermedia, University of Arts in Poznan, studying generative AI for scientific figure creation, patent illustration, and manuscript drafting. SciDraw AI is one of the research-to-product tools built from this work.

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常見的自由體圖錯誤什麼是自由體圖?自由體圖中常出現的力一步一步畫出自由體圖1. 選定一個物體2. 用簡單形狀取代物體3. 列出所有交互作用4. 每個外力畫一個向量5. 選擇座標軸6. 在需要時分解分量7. 寫出淨力方程式8. 做一次物理檢查範例一:水平面上的物體範例二:斜面上的物體範例三:加速中的電梯裡的人範例四:拋體在最高點一個更好的提示詞自由體圖檢查清單線上製作自由體圖

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