不等臂機械天平

研究背景

初中實驗室用的天平普遍是托盤天平。這種天平的感量較大，不夠精密，不適宜精確操作。而電子天平和分析天平雖然比托盤天平精度高，但價格比較責，不適宜在學校大規模使用。

于是我就想到了自己做一個天平?？扇绾慰朔胀C械天平感量大，不夠精密的問題呢？經過思考，我想到，利用不等臂杠桿可以將力放大的特性進行微小測量，不就可以實現精確測量了么？于是我就自己買來材料，開始設計并制作高精度不等臂機械天平。

研究的基本思路與原理

利用不等臂天平將被測物體的重力進行放大，實現精確測量，3根不同放大倍數的杠桿可以分別實現粗測量、一般測量和精確測量的任務，將3個測量值經過計算就能得到被測物體的質量值。

本作品主要運用到了杠桿原理的相關知識。杠桿原理亦稱杠桿平衡條件。要使杠桿平衡，作用在杠桿上的兩個力矩（力與力臂的乘積）大小必須相等。即：動力×動力臂=阻力×阻力臂，如圖1所示。用代數式表示為F1· L1—F2·L2。

研究過程

材料準備

根據設計思路和計劃適用范圍，我在超市購買了整個研究過程中會用到的棉線、吸管、竹簽、筷子、大頭針、牛奶盒、塑料盤等，并在五金店買了一些工具，后來又在物理老師的幫助下找到了粗細不同的2種漆包線和1臺學校用的托盤天平進行設計和對比實驗。我自己又用家里廢棄柜子的柜腳制作了1個簡單的框架。

控制變量法實驗的內容

◇除了要作為實驗對象的材料，其他材料完全相同。

◇對于每個實驗分別測量3.5g、14g、45.5g的物體和1枚針，根據實驗情況確定要使用的材料。

◇用作為實驗對象的材料和其他不變的材料先制作1個天平，按照上述實驗內容測量并記錄數據。然后將實驗材料換為另幾種實驗材料，再制作新的天平，同樣按照上述實驗內容測量并記錄數據。最后綜合實驗情況得出結論和最終選擇結果。

比較和選擇結果

我選擇棉線作為本作品使用的線材。細漆包線阻力較大，精確度不夠；粗漆包線由于直徑更大，阻力也更大，因此不采用這兩種材料。通過對比，我采用了在吸管內插入兩根竹簽作為杠桿，而采用棉線從吸管中穿過作為支點的設計；采用了使用傳統方法制作的指針，但進行了改進，解決了之前出現的問題。在物理老師的指導下，我決定將1個砝碼盤增加至3個砝碼盤，分別掛在3根杠桿上，3個砝碼盤分別承擔到粗測量、一般測量和精確測量的任務。

制作

◇用廢棄柜子的柜腳經過清洗和用砂紙打磨制作出框架。

◇制作杠桿。先將竹簽和吸管剪成要用的長度，然后把竹簽插入吸管內，再根據設計好的距離在吸管上扎出孔并掛上托盤。

◇組裝天平。先在框架上用鋸條按照設計的長度割出凹槽，再用棉線穿過杠桿，綁在框架上。而杠桿之間的連接也用棉線穿過2個對應的孔，形成一定的聯系。

◇制作指針、指示盤和限制裝置。指針制作依然使用吸管和竹簽制作。根據第1根杠桿的水平位置畫出表示水平的1條線，然后分別在這條線上下各畫上5條線，這就制成了指示盤，見圖2。

◇為了防止天平晃動幅度過大，我在第1根杠桿的前后左右還設計了限制移動范圍的限制裝置。

改進

我將這個天平給老師和同學們試用后，他們認為這個天平還存在一些問題天平不夠美觀；體積過大，便攜性較差；精確度還不夠高；使用的時候易受到風的影響。針對這些問題，我對天平又做了一些改進。

我到五金店用不銹鋼制作了一個新的框架，并更換了新砝碼盤。這樣新天平體積減小了，比原來的設計美觀多了。為了提高指示的精度，我在原設計的基礎上，增加了1根杠桿，運用不等臂天平的特點，將指針的偏轉幅度進行放大，以達到提升指示精確度的目的。我還在l張紙上畫上刻度，貼在邊框上，用它充當指示盤。限定裝置則使用了樂高積木拼接成1個小框，用它限定指針晃動的幅度。用新材料新設計組裝完成的天平見圖3。組裝完成后我對整個天平做了全面調試。

作品的創新點

◇制作材料便宜易得，制作方法簡單，測量原理簡單易懂。

◇測量精確度達到O.Olg，感量小，結果準確，適用于精確測量質量較小的物體的質量。

制作成本低，適宜學校、家庭等多種不同場合使用。

進一步完善作品的設想

將作品的體積進一步縮小，外觀制作更細致，增強作品的便攜性，改善外觀。

采用更好的材料制作，進一步提高天平的精確度。

本天平使用的時候易受風的影響，可以加設防風裝置確保精度。

可以增加游碼和平衡螺母，增加實用性。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組物理學一等獎。

專家評語

為了測出1粒米的質量，項目小作者根據物理課上學到的杠桿原理知識，自己動手制作了1臺不等臂長的機械天平，用較大的砝碼測出了微小物體的質量。項目反映出小作者善于思考，勇于動手，能將書本知識用于實踐的優秀品質。