第6課　擺鐘滴答有規律

在古代，人們嘗試使用日晷、沙漏、水鐘等簡易的時鐘計時，可是只能知道大概的時間。聰明的古人并沒有停止過思考，他們不斷創造，終于發明了更精確的計時工具——機械擺鐘，它的出現大大提高了時鐘的精確度。那么為什么時鐘可以通過擺動精確計時呢？本節課，讓我們一起使用樂高器材制作一個機械擺鐘去探究一下其中的奧秘吧！

任務分析

人們生活在地球上，都要受到重力的作用，用重力作為時鐘的驅動力，是一個比較不錯的想法。本節課我們要制作一個能模擬出時鐘功能的作品。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，需要思考如何通過重力和擺的等時性原理來制作時鐘，并能夠提出相應的解決方案，從而掌握相應的物理知識；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

要設計制作一個重力時鐘，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6-1的思維導圖中。

提出問題

在制作重力時鐘時，需要思考的問題如圖6-2所示。你還能提出怎樣的問題？填在框中。

頭腦風暴

擺鐘是我們日常生活中常見的計時工具，它一般由盤面、指針和鐘擺組成。生活中的擺鐘是通過電力來驅動鐘擺擺動的，從而使指針轉動記錄時間。本課設計的作品是依靠重力來驅動鐘擺和指針，需要將重物抬起一定的高度。那么我們如何把重物提起來呢？其實在生活中可以使用滑輪來提升重物，比如升國旗、起重機搬運等事例都用到了這種方法。如圖6-3所示，請仔細觀察并比較重力時鐘和它們的異同。我們在設計重力時鐘的時候，有哪些地方可以借鑒呢？

提出方案

重力時鐘可以使用重力塊作為動力源產生動力，從而驅動時鐘擺動，其外形、功能可以設計成擺鐘的樣式。本課我們利用樂高科學套裝搭建一個重力時鐘，請填寫表6-1，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6-4的思維導圖中。

結構設計

重力時鐘由底座、支架、傳動機構、鐘面4部分組成。參照圖6-5，你有什么更好的結構方案嗎？

探究實踐

在制作“重力時鐘”作品時，首先根據作品結構，選擇合適的器材；然后依次搭建時鐘的底座、支架、傳動機構和鐘面，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

重力時鐘的底座和支架選擇連桿、梁、2×4直角厚連桿和板；傳動機構（圖6-5中左側）選擇軸、齒輪、連桿、滑輪和正交聯軸器；鐘面使用連桿、圓形面板、軸和車輪；傳動機構的重力驅動部分由重力塊、滑輪和線構成。它們之間通過軸套長銷相連，主要器材清單如表6-2所示。

搭建作品

搭建重力時鐘時，可以分模塊進行。首先搭建它的底座和支架；然后根據支架的位置搭建傳動機構圖6-5中左側；最后搭建左右兩側的鐘面和重力驅動部分。大家也可以根據自己的想法進行搭建，只要能夠滿足時鐘的功能即可。

●底座和支架

底座用黑色銷將兩根15孔連桿和4根2×4直角厚連桿連接，再用互鎖機構將梁鎖定作為支架，如圖6-6所示。

●傳動裝置

在15孔梁上安裝齒輪，通過齒輪傳遞動力，完成傳動裝置搭建，如圖6-7所示。

●限位裝置

用軸和銷將滑輪和7孔連桿相連并插入傳動機構，再使用軸、軸套和長正交聯軸器等零件搭建限位裝置，用來控制鐘擺擺動的頻率，如圖6-8所示。

●重力裝置

用重力塊和板搭建配重，使用軸套長銷與線連接，再將線繞到滑輪上，最后將滑輪安裝到傳動機構上，如圖6-9所示。

●鐘面

按圖6-10所示，構造鐘面和表盤，使用軸和聯軸器連接車輪搭建鐘擺。

●組合

將上述搭建的底座、支架、傳動機構和鐘面等用軸套長銷固定連接，作品搭建完成。

功能檢測

重力時鐘搭建好后，我們可以將重力塊從上段放下來測試時鐘的效果了。當重力塊下降時，可以帶動指針轉動。下面開始我們的科學探究吧。

●質量與重力

分別使用1個重力塊和2個重力塊，記錄指針在鐘面上轉動一周的時間。按照表6-3開展實驗，將實驗結果記錄在表中。

●擺長變化

使用搭建的重力時鐘，按照表6-4開展實驗，更換鐘擺上軸的長度，記錄指針在鐘面上轉動一周的時間并思考分析原因，將實驗結果記錄在表中。

智慧鑰匙

1．重力

當衣服洗完后，把衣服拿到戶外晾干時，衣服上的水會滴到地面上；蘋果成熟了，會從樹上落到地面；開車時，遇到下坡路，即使不踩油門，車輛也能自己滑行。這些生活中的事例都與重力有關。重力是物體由于地球吸引而受到的力，其大小與物體質量成正比，方向總是豎直向下，生活中無時無刻不存在重力。所以只要是在地球上的物體，都會受到重力的作用，如圖6-11所示。

2．擺的等時性

擺的等時性原理是指不論擺動幅度大小，完成一次擺動的時間是相同的。該原理是由意大利物理學家伽利略發現的，他在比薩的教堂中觀察吊燈擺動現象時得到此結論。如圖6-12所示，擺鐘就是根據擺的等時性原理發明的。