第6课　摆钟滴答有规律

在古代，人们尝试使用日晷、沙漏、水钟等简易的时钟计时，可是只能知道大概的时间。聪明的古人并没有停止过思考，他们不断创造，终于发明了更精确的计时工具——机械摆钟，它的出现大大提高了时钟的精确度。那么为什么时钟可以通过摆动精确计时呢？本节课，让我们一起使用乐高器材制作一个机械摆钟去探究一下其中的奥秘吧！

任务分析

人们生活在地球上，都要受到重力的作用，用重力作为时钟的驱动力，是一个比较不错的想法。本节课我们要制作一个能模拟出时钟功能的作品。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，需要思考如何通过重力和摆的等时性原理来制作时钟，并能够提出相应的解决方案，从而掌握相应的物理知识；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

要设计制作一个重力时钟，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6-1的思维导图中。

提出问题

在制作重力时钟时，需要思考的问题如图6-2所示。你还能提出怎样的问题？填在框中。

头脑风暴

摆钟是我们日常生活中常见的计时工具，它一般由盘面、指针和钟摆组成。生活中的摆钟是通过电力来驱动钟摆摆动的，从而使指针转动记录时间。本课设计的作品是依靠重力来驱动钟摆和指针，需要将重物抬起一定的高度。那么我们如何把重物提起来呢？其实在生活中可以使用滑轮来提升重物，比如升国旗、起重机搬运等事例都用到了这种方法。如图6-3所示，请仔细观察并比较重力时钟和它们的异同。我们在设计重力时钟的时候，有哪些地方可以借鉴呢？

提出方案

重力时钟可以使用重力块作为动力源产生动力，从而驱动时钟摆动，其外形、功能可以设计成摆钟的样式。本课我们利用乐高科学套装搭建一个重力时钟，请填写表6-1，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6-4的思维导图中。

结构设计

重力时钟由底座、支架、传动机构、钟面4部分组成。参照图6-5，你有什么更好的结构方案吗？

探究实践

在制作“重力时钟”作品时，首先根据作品结构，选择合适的器材；然后依次搭建时钟的底座、支架、传动机构和钟面，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

重力时钟的底座和支架选择连杆、梁、2×4直角厚连杆和板；传动机构（图6-5中左侧）选择轴、齿轮、连杆、滑轮和正交联轴器；钟面使用连杆、圆形面板、轴和车轮；传动机构的重力驱动部分由重力块、滑轮和线构成。它们之间通过轴套长销相连，主要器材清单如表6-2所示。

搭建作品

搭建重力时钟时，可以分模块进行。首先搭建它的底座和支架；然后根据支架的位置搭建传动机构图6-5中左侧；最后搭建左右两侧的钟面和重力驱动部分。大家也可以根据自己的想法进行搭建，只要能够满足时钟的功能即可。

●底座和支架

底座用黑色销将两根15孔连杆和4根2×4直角厚连杆连接，再用互锁机构将梁锁定作为支架，如图6-6所示。

●传动装置

在15孔梁上安装齿轮，通过齿轮传递动力，完成传动装置搭建，如图6-7所示。

●限位装置

用轴和销将滑轮和7孔连杆相连并插入传动机构，再使用轴、轴套和长正交联轴器等零件搭建限位装置，用来控制钟摆摆动的频率，如图6-8所示。

●重力装置

用重力块和板搭建配重，使用轴套长销与线连接，再将线绕到滑轮上，最后将滑轮安装到传动机构上，如图6-9所示。

●钟面

按图6-10所示，构造钟面和表盘，使用轴和联轴器连接车轮搭建钟摆。

●组合

将上述搭建的底座、支架、传动机构和钟面等用轴套长销固定连接，作品搭建完成。

功能检测

重力时钟搭建好后，我们可以将重力块从上段放下来测试时钟的效果了。当重力块下降时，可以带动指针转动。下面开始我们的科学探究吧。

●质量与重力

分别使用1个重力块和2个重力块，记录指针在钟面上转动一周的时间。按照表6-3开展实验，将实验结果记录在表中。

●摆长变化

使用搭建的重力时钟，按照表6-4开展实验，更换钟摆上轴的长度，记录指针在钟面上转动一周的时间并思考分析原因，将实验结果记录在表中。

智慧钥匙

1．重力

当衣服洗完后，把衣服拿到户外晾干时，衣服上的水会滴到地面上；苹果成熟了，会从树上落到地面；开车时，遇到下坡路，即使不踩油门，车辆也能自己滑行。这些生活中的事例都与重力有关。重力是物体由于地球吸引而受到的力，其大小与物体质量成正比，方向总是竖直向下，生活中无时无刻不存在重力。所以只要是在地球上的物体，都会受到重力的作用，如图6-11所示。

2．摆的等时性

摆的等时性原理是指不论摆动幅度大小，完成一次摆动的时间是相同的。该原理是由意大利物理学家伽利略发现的，他在比萨的教堂中观察吊灯摆动现象时得到此结论。如图6-12所示，摆钟就是根据摆的等时性原理发明的。