小学科学教科版五年级下册高效课堂资料《机械摆钟》学案 1

小学科学教科版五年级下册高效课堂资料

《机械摆钟》学案

一、学习目标

同一个单摆每摆动一次所需的时间是相同的；根据单摆的等时性，人么制成了摆钟，使时间的计量误差更小。 二、重点难点

1．动手制作一个单摆并观察和测量单摆在相同时间内摆动的次数。 2．通过观测理解摆的等时性。 三、导学问题

1．摆钟计时为什么可以这么精确呢？ 2.观察讨论：摆钟是怎样来计量时间的？

3.测量：用秒表测一测：摆钟的摆每分钟摆动几次？ 4.集体测量一次后反馈，问：钟摆每分钟摆动的次数相同吗？ 5.讨论：课本中的记录表为什么要让我们测三次或更多次呢？ 6.是不是所有的单摆每分钟摆动的次数都是一样的呢？ 四、参考资料

1．摆

一是汉字，一是回族中的姓氏，另一个是实验仪器。

能够产生摆动的一种机械装置。摆的发展和研究，同钟表计时器的发展有密切的关系。意大利著名力学家伽利略首先研究了单摆，后来荷兰科学家C.惠更斯研究了复摆，他们为摆的力学理论奠定了基础。

拼音：bǎi 注音：ㄅㄞˇ

简体部首:扌,部外笔画:10,总笔画:13 繁体部首:手 五笔：RLFC 仓颉:QWLI 郑码:DLBZ 摆 <动>

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(形声。繁体从手，从罢，罢亦声。“罢”意为“用罗网困住冬眠中的熊”、“被用罗网罩住的冬眠之熊”。“手”与“罢”联合起来表示“把被用罗网罩住的冬眠之熊一个个有序排列起来，放置妥当”。本义：排列、放置。说明：本字造字法同“摊”，后者是指把翅膀和爪子被捆住的鸟一个个有序排列起来，放置妥当，以便于贩卖，所以叫做“摊贩”)

何当摆俗累,浩荡乘沧溟?――杜甫《桥陵》 又如:摆落(摆脱)

排列;放置 [arrange;place;set in order] 说话时,已摆了茶果子来。――《红楼梦》 又如:摆正(摆放端正);摆八卦阵;摆酒席 挥手,左右摇动手 [shake]

…把手一摆,意思是请兄弟在阶沿上坐下。――鲁迅《故事新编》 又如:摆手(挥手) 来回或上下地摇动

旋见鸡伸颈摆扑。――《聊斋志异·促织》 天坼地裂,宫殿摆簸。――唐·李朝威《柳毅传》 又如:摆尾巴;摆簸(

又如：（划船）把船摆过来；摆渡。

当一个人作出自己所不能，或超出次热能力范围的事业可以说‘摆 ’。 不过这是极为口语化的说法表示厉害，赞美用，不宜用于书面。

【摆动数列】一个实数列从第二项起，有些项大于它的前一项，有些项却小于它的前一项。这样的实数列叫做摆动数列。

【摆门面】讲究排场，装饰外表。 【摆平】

公平对待。<港台>将人打伤；被打伤。

【摆线】一个动圆沿着一条定直线作纯滚动时，动圆圆周上一点所画出的平面曲线叫摆线或旋轮线。摆线又叫最速下降线，这是因为质点在重力作用下从一点滚到另一点时，沿摆线的路径所花时间最短。

【摆夷】见【傣族】。

回族中的摆姓，早期见于唐天宝元年（742年）进入中国，在长安（西安）县子午巷（化觉巷）任掌教的西域回部人摆都而的。及至元代，在至元二十九年（1292年）任定远大将

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军、贵赤亲军都指挥使司达鲁花赤的明安，其子便姓摆，名言太。摆姓回族主要分布在西北地区。

摆是一种实验仪器，可用来展现种种力学现象。最基本的摆是悬挂于定点能在重力影响下往复摆动的物体。因为摆一次全振荡的时间间隔（周期）是恒定[1]的，它通常用作校准如钟这类机械装置的运动的主要机件。意大利的伽利略首先研究了单摆，荷兰的C.惠更斯研究了复摆，他们为摆的力学理论奠定了基础。单摆由悬在质量可以忽略的细杆下端的摆锤构成。悬挂点到摆中心的长度越大，摆的周期越长。摆的长度确定后，摆锤质量的变化对周期无影响，但是摆在地球上的位置对周期却有影响。复摆是在重力作用下能绕固定转轴摆动的物体。复摆运动规律和性质类似单摆。利用复摆可以测量一些刚体对某轴的转动惯量。此外，还有扭摆、可逆摆、等时摆等。

2．摆钟

摆钟发明于1657年，是时钟的一种，用摆锤控制其它机件，使钟走的快慢均匀，一般能报点。它是根据单摆定律制造的。

摆动的钟摆是靠重力势能和动能相互转化来摆动的，简单的说，如果你把钟摆拉高，由于重力影响它会往下摆，而到达最低位置后它具有一个速度，不可能直接停在那(就好象刹车不能一下子停一样)，它会继续冲过最低位置，而摆至最高位置就往回摆是因为重力使它减速直到0，然后向回摆(就象往天上仍东西，它会在上升中减速到0，然后落下)。如此往复，就不停的摆动了。最简单的摆钟只有摆锤、齿轮操作器、重物和支轴组成。

按照上述，钟摆可以永远摆下去，但由于阻力存在，它会摆动逐渐减小，最后停止.所以要用发条来提供能量使其摆动。

摆钟的结构大体上可分为走时部分、打点部分、指针部分和打点控制部分。 （1）走时部分

由头轮(即条盒轮，内装发条)、二轮、三轮(中心轮)、四轮、擒纵轮、擒纵叉、摆锤等组成。

条盒轮是机芯中最大的轮子，发条装在轮片下面的盒里(以前生产的摆钟大多不带条盒)，它是走时部分的能源。二轮、三轮、四轮都是传动轮，其结构由轮轴、轮片，销轮等组成。擒纵轮的结构与上述各轮相同，但它的轮片齿形是斜三角形的尖齿。擒纵叉也叫卡子，它的作用就是把擒纵轮齿接过来，送出去。

摆锤组件包括摆锤、摆杆及挂摆装置。摆锤中间有透孔，摆杆从中通过，下面旋有螺母固定。此装置可以将摆锤升高或降低，从而调节钟的快慢。

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（2）打点部分

由打点条盒轮、打点二轮、打点三轮、打点四轮，打点五轮及风轮组成。在打点三轮上有一个星角轮，当轮系转动时，它使打点轴上的抬止杆不断地抬起落下，打点轴的一端固定着两个打锤，锤头敲击一长一短两根音簧，就发出悦耳的声音。风轮主要是起调节轮系转动速度的作用，使打点声音有一个合适的时间间隔。

（3）指针部分

由分轮、跨轮和时轮组成。结构原理与闹钟基本相同。 （4）打点控制部分

摆钟每隔半小时打点一次，整点敲击的次数必须与时针指示的时刻相同，因此，它的打点必须由走时来控制。在走时和打点之间有一个具有控制打点次数的机构，它由二角凸轮、十二角凸轮、扇形齿、抬闸杠杆、开关杠杆、拨齿凸轮等组成。

二角凸轮紧紧固定在走时部分的中心轮轴上，每小时随中心轮转一圈。二角凸轮齿尖半径一长一短，长的打整点用，短的打半点用。十二角凸轮套在时轮管上，每十二个小时转一圈，每小时转过十二角凸轮的一个角。平时抬闸杠杆挡住打点五轮上止钉，使打点机构不能运转。当二角凸轮顺时针方向旋转时，慢慢将抬闸杠杆顶起，抬闸杠杆上端最后将止钉释放(这个过程也叫抬闸)，但打点五轮的止钉转过一个角度后，又被开关杠杆的折角挡住，打点机构又停止运转。由于抬闸杠杆抬起的同时，顶起了开关杠杆，开关杠杆原来末端托住扇形齿板现在释放，扇形齿板落下，齿板中段折角落在十二角凸轮的一个角的中部。当二角凸轮将抬闸杠杆推到最高点落下时，开关杠杆挡住打点五轮的止钉部位也同时脱离，打点机构便开始转动。打点三轮上的星角轮拨动抬止杆，带动打锤敲击音簧。紧固在四轮轴上的拨齿凸轮也随着转动，凸轮上的拨销拨动扇形齿板向上运动，直至开关杠杆末端重新托住扇形卤板，抬闸杠杆挡住打点五轮上的止钉，打点工作完毕。

以摆作为振动系统的钟。通常都带有报时功能，所以又称自鸣钟。1582~1583年，意大利物理学家和天文学家伽利略发现了摆的等时性。1657年，荷兰物理学家和天文学家C.惠更斯利用摆的等时性原理发明了摆钟。后经不断改进，沿用至今。摆钟可根据用途和要求制成座钟、挂钟、落地钟、子母钟的母钟、天文钟等型式。摆钟的报时方式通常为机械打点报时，也有用电子扩音报时的。近代帝王宫廷中使用的摆钟，常附有一套机械传动机构，以精工制作的人物、山水、飞禽、走兽等活动形象进行报时。

摆钟的原理是利用单摆的等时性。正是这种性质可以用来计时。而单摆的周期公式是:时间=圆周率的2倍乘以(根号下摆长除以重力加速度) 通过公式以及其推导可以看出来，单

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摆运动靠的是重力，和绳子的拉力。而摆动的周期仅仅取决于绳子的摆长和重力加速度。地球重力加速度固定，控制摆长可以调整周期来计时。

摆钟是利用摆锤的周期性振动(摆动)过程来计量时间，时间=摆的振动周期×振动次数。而摆的振动周期 T=2π(l/g)^0.5

一般来说，摆的重量是确定的，调节摆的引用长度(l)即可调整摆的振动周期。摆的引用长度减短，时钟变快;反之则变慢。对精密摆钟，也有用附加重物法来微调摆的振动周期。摆钟放置在不同的地理位置(不同的地球纬度和海拔高度)中，摆锤的重力加速度会发生变化从而影响其振动周期。摆钟放置在不同温度和气压的环境中，也会引起振动周期的变化。温度变化会引起摆的各部分尺寸包括摆的引用长度的变化。一般是温度升高，摆胀长而钟变慢;反之则摆缩短而钟变快。因此，精密摆钟常用不同的线胀系数的材料制成温度补偿管，以补偿温度影响。气压的变化会引起空气阻力和空气密度的变化，从而引起振动周期的变化。因此，精密的摆钟常将摆安装在恒压的壳体中，以消除气压影响。

摆的振动幅度影响到钟的等时性。振幅愈小，振幅变化所造成的日差(见钟表日差)变化愈小，即等时性愈好，因而精密摆钟常采用长摆杆小摆幅。但是，小摆幅对外界来的震动和撞击很敏感，因而对安装环境要求很高。摆钟的走时日差一般可以达到20秒/天以内，精密摆钟达千分之几秒。

利用摆的机械振荡产生稳定频率，以此作为频率标准制成的计时仪器。16世纪中叶C.惠更斯根据伽利略发现的摆天文摆钟的等时性原理，发明了摆钟。摆钟是天文观测中的计时工具，也是时间服务中的守时工具。早期摆钟的走时误差约每天0.1秒;经过不断改进，到20世纪20年代误差约每天几毫秒，当时的天文学家曾依据天文摆钟指示的相对均匀的时间发现了地球自转的不均匀性。当钟摆在一定的幅度内摆动时，其周期只与摆长有关，摆长随温度的变化给走时带来误差。克服这一缺陷的途径在于稳定摆杆的长度，采取的措施有:摆杆用温度系数小的材料(如铟钢、石英等)制造或用两种膨胀系数不同的金属(如黄铜和钢)熔合在一起以补偿温度变化，而且将钟安放在恒温室内 ，罩入真空罩中 ，实行钟体(母钟)与钟面(子钟)分离，由母钟控制子钟指示时刻。20世纪50年代初期，天文摆钟已完全由精度更高的石英钟取代。

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