第5课　小小天平称万物

上课时，物理老师拿出两个外观一样的苹果，问我们哪个苹果更重一些？聪明的你很快可以想到使用天平去称一称物体的质量，就可以知道答案了。天平是一种衡量物体质量的仪器，它依据杠杆原理制成。在本节课内容中，我们使用乐高器材制作一个简易的天平来解决这个问题。

任务分析

天平的种类繁多，结构也大不相同，在物理实验室中最常见的是托盘天平。本节课我们要制作一个能模拟出天平功能的作品。首先在构思这个作品时，要明确作品的功能与特点；然后在设计作品时，需要思考如何通过杠杆原理来制作天平，并能够提出相应的解决方案，从而掌握杠杆原理；最后将所学的知识进行拓展延伸来制作生活中其他的类似物品。

明确功能

要设计制作一个天平，首先要知道它应当具备哪些功能或特征。请将你认为作品所需要达到的目标填写在图5-1的思维导图中。

提出问题

在制作天平时，需要思考的问题如图5-2所示。你还能提出怎样的问题？填在框中。

头脑风暴

电动平衡车是我们日常生活中常见的一种代步工具，站在车上通过控制身体平衡，使得平衡车可以稳步行驶，所以掌握平衡的技巧是控制平衡车的关键。其实生活中有很多物品都用到了这种技巧，如走钢丝、跷跷板等。如图5-3所示，请仔细观察，并比较天平和它们的异同。我们在设计天平的时候，有哪些地方可以借鉴呢？

提出方案

天平是一个类似跷跷板的杠杆结构，其样式有很多种。本课我们利用乐高科学套装搭建一个托盘天平，请填写表5-1，完善你的方案。

规划设计

作品规划

根据以上的方案，可以初步设计出作品的构架，请规划作品所需要的元素，将自己的想法和问题添加到图5-4的思维导图中。

结构设计

天平由底座、支架、托盘、指针和横梁5部分组成。参照图5-5，你有什么更好的结构方案吗？

探究实践

在制作“天平”作品时，首先根据作品规划，选择合适的器材；然后依次搭建底座、支架、横梁和托盘，并将其组合；最后测试作品功能，开展实验探究活动。

器材准备

天平的底座、支架选择连杆和T形连杆；横梁选择轴、联轴器、销轴连接器和正交联轴器；托盘和指针使用板、双轴连接器、轴和圆砖。它们之间通过各种销相连，主要零件清单如表5-2所示。

搭建作品

搭建天平时，可以分模块进行。首先搭建天平的底座和支架；然后根据支点的位置搭建横梁；最后搭建左右两侧的托盘和指针。大家也可以根据自己的想法进行搭建，只要满足天平的功能即可。

●搭建底座和支架

用两根15孔连杆作为底座，再用蓝色长销将两根T形连杆和9孔连杆连接作为支架，最后用黑色销将支架和底座连接，左右两侧对称，这种“汉堡包”结构增大了底面面积，使天平前后方向更加稳定，如图5-6所示。

●搭建横梁

横梁以4根8个单位的轴作为基础，用联轴器、销轴连接器、正交联轴器和轴进行连接。注意，搭建时天平横梁是可以转动的，所以两端的连接销需要用灰色的非摩擦销，如图5-7所示。

●搭建托盘和指针

托盘是用来摆放砝码和物品的，用3个2×6的板进行组合，形成一个方形的托盘，反面用2×4的板连接，中心固定一个圆砖。指针是用来判断天平的平衡状态的，将双轴连接器和5个单位的轴连接，指针搭建完成，如图5-8所示。

●组合

将支架、横梁、托盘和指针用轴和销进行连接，并用轴套将轴固定，要求松紧适当，从而可以有效降低横梁转动时的阻力，作品搭建完成。

功能检测

天平搭建好后，我们可以利用现成的乐高积木充当砝码，衡量不同物体的质量。下面开始我们的科学探究吧。

●积木称重

使用3孔连杆充当砝码，对不同物体进行称重，假定一个3孔连杆的质量是一个单位，按照表5-3中“分组”所示开展实验，将实验结果记录在表中。

●力臂变化

使用搭建的天平，按照表5-4中“分组”所示开展实验，通过更换横梁上轴的长度，仔细观察天平状态并思考分析原因，将实验结果记录在表中。

智慧钥匙

1．杠杆原理

所谓的杠杆就是能围绕一个固定点转动的杆。固定点称为支点，支点两端的重物所处的位置称为作用点。在天平模型中，作用点受到的力是垂直向下的物体本身的重力，分别用F₁和F₂表示。而支点距作用点的距离则称为力臂，用L₁和L₂表示。它们之间的关系是F₁×L₁=F₂×L₂（一边的重力×物体到支点的距离=另一边重力×另一边物体到支点的距离），如图5-9所示。

2．杠杆分类

天平是利用杠杆原理来测量物体质量的，它是一种等臂杠杆。生活中的杠杆按照施加动力的大小分为省力杠杆、费力杠杆、等臂杠杆。如图5-10所示，剪刀、筷子、指甲钳等生活用品都是杠杆原理的实际应用。