第9課　桔槔灌溉顯智慧

中華五千年的歷史長河，創造發明的東西超乎我們的想象，你聽說過桔槔（jié gāo）嗎？桔槔也叫吊桿，是中國古代打水用的簡單機械，發明于春秋戰國時期，在一根豎立的架子上加上一根細長的杠桿，中間是支點，一端系水桶，另一端系重物，它主要是將重力勢能轉換為動能，通過取水時的一起一落，讓裝滿水的水桶能自動抬起來，又省力又省時。同學們，想不想自己制作一個桔槔呢？讓我們一起試試吧！

任務分析

想要制作出桔槔，首先要了解在打水的時候是怎么將重力勢能轉換為動能的。在構思這個作品時，首先要明確作品的功能與特點，然后思考并提出設計作品中需要解決的問題，并能夠提出相應的解決方案。

明確功能

在你沒看到桔槔之前，你想象的打水裝置應該是什么樣的呢？桔槔跟你想象的有何不同？為何不同？你覺得桔槔的結構又能讓它實現什么樣的功能呢？請將你認為需要達到的目標填寫在圖9-1的思維導圖中。

提出問題

要想成功利用桔槔打水，還需思考幾個問題，如圖9-2所示。你還能提出怎樣的問題？填在框中。

頭腦風暴

生活中有很多重力勢能轉換的運用，如圖9-3所示，無論是從高處往下滑雪還是小孩子玩蹺蹺板，都是將重力勢能轉換成動能，需要的元件有一根杠桿和一個支點，變化的是支點的選擇和杠桿兩側物體。那么桔槔是如何借鑒這樣的設計來讓打水省時省力呢？讓我們展開思考。

提出方案

桔槔可以采用杠桿和支點組合的設計方案，就是模擬蹺蹺板，首先需要有支點，支點的一端連接打水的桶，另一端連接重物，通過重力勢能將水桶一端自動提起。請根據表9-1的內容，選一選支點和重物的設計類型，并說說為什么這樣選擇。

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9-4的思維導圖中。

結構設計

桔槔由底座、杠桿和兩端重物3部分組成。參照圖9-5，你有什么更好的結構方案嗎？

探究實踐

作品的實施主要分器材準備、搭建作品和功能檢測3個部分。首先根據作品結構，選擇合適的器材；然后依次搭建底座杠桿和兩端重物，并將其組合；最后使用搭建的作品開展實驗探究。

器材準備

桔槔的底座選擇孔梁、孔臂（厚連桿）和連接件，中間杠桿使用的軸須是不帶摩擦的軸銷；重物端用輪胎代替，水桶端可自制水桶。主要器材清單如表9-2所示。

搭建作品

搭建桔槔時，可以分模塊進行。首先搭建桔槔的底座，再通過光銷連接架起杠桿，最后將杠桿的兩端一端放“水桶”，一端放“重物”。同學們也可以根據自己的想法進行搭建。

●底座

如圖9-6所示，將2個1×16梁與1×11.5雙彎厚連桿通過若干黑銷連接起來，再搭建一個相反的結構，兩者構建起桔槔的底座。

●杠桿

如圖9-7所示，先將光銷裝在杠桿上，再一起固定到底座上端。

●重物端

將底座與橫梁用藍色銷進行連接，可以使用各種零件進行配重，對比不同配重的實驗結果，如圖9-8所示。

●水桶端

如圖9-9所示，使用短孔梁和孔臂模擬水桶。

●組合

如圖9-10所示，協調好各部件，光銷插在孔梁的中間位置。

功能檢測

桔槔制作好后，通過改變重物端的質量，觀察水桶端是否能自動提起，可以開展有趣的科學探究。

●重物端質量選擇

選擇不同數量的車輪和輪胎，預測水桶端是否能自動提起，再比較水桶端和重物端的質量，并將結果記錄在表9-3中，同樣質量的需實驗3次來確認。

●支點的選擇

改變支點使其不在孔臂的中間位置，不改變重物端和水桶端的質量，觀察當支點向哪一端靠近時，那一端會自動上升還是下降呢？請把實驗結果記錄在表9-4中。

智慧鑰匙

1．重力的發現

你一定聽過這樣的一個故事，1666年的一個夏天，一顆蘋果落到牛頓的頭上，于是牛頓發現了萬有引力和重力的存在，重力就是地球對物體的吸引而使物體受到的力，我們在地球上都會受到重力的作用，如圖9-11所示。

重力的方向總是豎直向下的，這就解釋了為什么我們在地球上跳躍總會下落，而在太空航行時，受重力影響變小，我們會看到宇航員飄浮在空中，如圖9-12所示。

2．重力的運用

桔槔能讓打滿水的桶在重力的作用下自動提起，在生活中還有許多利用重力的實例，讓重力的能量轉換為動能，比如跳水和滑雪就是運動員在重力的作用下，速度越來越快。在醫院中，病人吊水也是重力的一種運用（圖9-13），你能想出重力在生活中還有哪些運用嗎？