第5課　小小天平稱萬物

上課時，物理老師拿出兩個外觀一樣的蘋果，問我們哪個蘋果更重一些？聰明的你很快可以想到使用天平去稱一稱物體的質量，就可以知道答案了。天平是一種衡量物體質量的儀器，它依據杠桿原理制成。在本節課內容中，我們使用樂高器材制作一個簡易的天平來解決這個問題。

任務分析

天平的種類繁多，結構也大不相同，在物理實驗室中最常見的是托盤天平。本節課我們要制作一個能模擬出天平功能的作品。首先在構思這個作品時，要明確作品的功能與特點；然后在設計作品時，需要思考如何通過杠桿原理來制作天平，并能夠提出相應的解決方案，從而掌握杠桿原理；最后將所學的知識進行拓展延伸來制作生活中其他的類似物品。

明確功能

要設計制作一個天平，首先要知道它應當具備哪些功能或特征。請將你認為作品所需要達到的目標填寫在圖5-1的思維導圖中。

提出問題

在制作天平時，需要思考的問題如圖5-2所示。你還能提出怎樣的問題？填在框中。

頭腦風暴

電動平衡車是我們日常生活中常見的一種代步工具，站在車上通過控制身體平衡，使得平衡車可以穩步行駛，所以掌握平衡的技巧是控制平衡車的關鍵。其實生活中有很多物品都用到了這種技巧，如走鋼絲、蹺蹺板等。如圖5-3所示，請仔細觀察，并比較天平和它們的異同。我們在設計天平的時候，有哪些地方可以借鑒呢？

提出方案

天平是一個類似蹺蹺板的杠桿結構，其樣式有很多種。本課我們利用樂高科學套裝搭建一個托盤天平，請填寫表5-1，完善你的方案。

規劃設計

作品規劃

根據以上的方案，可以初步設計出作品的構架，請規劃作品所需要的元素，將自己的想法和問題添加到圖5-4的思維導圖中。

結構設計

天平由底座、支架、托盤、指針和橫梁5部分組成。參照圖5-5，你有什么更好的結構方案嗎？

探究實踐

在制作“天平”作品時，首先根據作品規劃，選擇合適的器材；然后依次搭建底座、支架、橫梁和托盤，并將其組合；最后測試作品功能，開展實驗探究活動。

器材準備

天平的底座、支架選擇連桿和T形連桿；橫梁選擇軸、聯軸器、銷軸連接器和正交聯軸器；托盤和指針使用板、雙軸連接器、軸和圓磚。它們之間通過各種銷相連，主要零件清單如表5-2所示。

搭建作品

搭建天平時，可以分模塊進行。首先搭建天平的底座和支架；然后根據支點的位置搭建橫梁；最后搭建左右兩側的托盤和指針。大家也可以根據自己的想法進行搭建，只要滿足天平的功能即可。

●搭建底座和支架

用兩根15孔連桿作為底座，再用藍色長銷將兩根T形連桿和9孔連桿連接作為支架，最后用黑色銷將支架和底座連接，左右兩側對稱，這種“漢堡包”結構增大了底面面積，使天平前后方向更加穩定，如圖5-6所示。

●搭建橫梁

橫梁以4根8個單位的軸作為基礎，用聯軸器、銷軸連接器、正交聯軸器和軸進行連接。注意，搭建時天平橫梁是可以轉動的，所以兩端的連接銷需要用灰色的非摩擦銷，如圖5-7所示。

●搭建托盤和指針

托盤是用來擺放砝碼和物品的，用3個2×6的板進行組合，形成一個方形的托盤，反面用2×4的板連接，中心固定一個圓磚。指針是用來判斷天平的平衡狀態的，將雙軸連接器和5個單位的軸連接，指針搭建完成，如圖5-8所示。

●組合

將支架、橫梁、托盤和指針用軸和銷進行連接，并用軸套將軸固定，要求松緊適當，從而可以有效降低橫梁轉動時的阻力，作品搭建完成。

功能檢測

天平搭建好后，我們可以利用現成的樂高積木充當砝碼，衡量不同物體的質量。下面開始我們的科學探究吧。

●積木稱重

使用3孔連桿充當砝碼，對不同物體進行稱重，假定一個3孔連桿的質量是一個單位，按照表5-3中“分組”所示開展實驗，將實驗結果記錄在表中。

●力臂變化

使用搭建的天平，按照表5-4中“分組”所示開展實驗，通過更換橫梁上軸的長度，仔細觀察天平狀態并思考分析原因，將實驗結果記錄在表中。

智慧鑰匙

1．杠桿原理

所謂的杠桿就是能圍繞一個固定點轉動的桿。固定點稱為支點，支點兩端的重物所處的位置稱為作用點。在天平模型中，作用點受到的力是垂直向下的物體本身的重力，分別用F₁和F₂表示。而支點距作用點的距離則稱為力臂，用L₁和L₂表示。它們之間的關系是F₁×L₁=F₂×L₂（一邊的重力×物體到支點的距離=另一邊重力×另一邊物體到支點的距離），如圖5-9所示。

2．杠桿分類

天平是利用杠桿原理來測量物體質量的，它是一種等臂杠桿。生活中的杠桿按照施加動力的大小分為省力杠桿、費力杠桿、等臂杠桿。如圖5-10所示，剪刀、筷子、指甲鉗等生活用品都是杠桿原理的實際應用。