云峰+小米

曾經(jīng)有個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎：把大象放進(jìn)冰箱，總共分幾步？

第一步，打開(kāi)冰箱門(mén)；第二步，把大象放進(jìn)冰箱；第三步，關(guān)上冰箱門(mén)。一共三步！

這一次，清華大學(xué)的科普專(zhuān)家高老師提出的問(wèn)題是：用彈簧秤稱(chēng)大象，可以分幾步？并為此組織了一場(chǎng)超酷的現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)技——用彈簧秤稱(chēng)出大象的重量，看誰(shuí)的方法更為便捷、巧妙。比賽規(guī)定使用的彈簧秤最多只能稱(chēng)5千克的東西，怎么能稱(chēng)出幾噸重的大象呢？讓我們?nèi)ケ荣惉F(xiàn)場(chǎng)看看吧！

做個(gè)巨秤來(lái)稱(chēng)象

首先出場(chǎng)的是藝術(shù)學(xué)院隊(duì)。

選手們制造了一個(gè)巨大的秤，全長(zhǎng)6米多（如圖），用從建筑工地借來(lái)的鋼管做成。

先把巨秤頭部的S形掛鉤與裝大象的鐵籠相連，將套環(huán)掛在吊車(chē)上，用瓶裝水當(dāng)砝碼；兩端平衡后，數(shù)出瓶裝水的數(shù)量；用彈簧秤稱(chēng)出一瓶水的重量，計(jì)算，得出大象的重量。

明白了，這就是現(xiàn)代版的曹沖稱(chēng)象！

把杠桿串聯(lián)起來(lái)

第二個(gè)上場(chǎng)的是家庭隊(duì)，由來(lái)自深圳的一家三口組成。他們的裝置看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，像個(gè)臺(tái)子一樣。

家庭隊(duì)選手畫(huà)了一個(gè)示意圖：“這個(gè)秤采用了串聯(lián)杠桿的原理：ABC是第一級(jí)杠桿，可把力放大10倍；CDE是第二級(jí)杠桿，也可以把力放大10倍。兩個(gè)杠桿合在一起可以把力放大100倍。我們?cè)贓處安裝了彈簧秤。整個(gè)裝置很小，可以封裝在一個(gè)平臺(tái)中，而平臺(tái)的大小正好可以讓大象站在上面。”

因?yàn)?，大象靜止站立時(shí)，它受到的重力分散在4條腿上。其中，兩條前腿對(duì)稱(chēng)，受力一樣，兩條后腿也如此。所以，家庭隊(duì)稱(chēng)量的方法很巧妙。瞧，臺(tái)子的一端有個(gè)小托盤(pán)，先讓大象的一只前腳站在托盤(pán)上，測(cè)出讀數(shù)；再讓大象轉(zhuǎn)身，用一只后腳站在托盤(pán)上，測(cè)出另一個(gè)讀數(shù)。兩次讀數(shù)加在一起，再乘以二，就是大象的重量。

請(qǐng)摩擦力幫忙

清華一隊(duì)的選手上場(chǎng)了。

選手們搬來(lái)一根鋼管，把鋼管架在比賽場(chǎng)地邊的大樹(shù)和鐵欄桿之間；再用繩子把吊車(chē)與鐵籠相連；接著，橫著用繩子使鐵籠偏離原位置一個(gè)小角度；然后，把繩子繞圓鋼管若干圈后與彈簧秤相連……

看得一頭霧水了是嗎？SOS，有請(qǐng)專(zhuān)家答疑！

高老師解釋?zhuān)骸斑@個(gè)方案利用了力的分解與摩擦平衡原理。先講力的分解。我們蕩秋千的時(shí)候，輕輕一推，秋千就會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。哪怕是大人坐在秋千上，小孩子也可能推得動(dòng)。推力是在水平方向，與重力方向垂直的。這說(shuō)明：一個(gè)水平方向很小的力可以和垂直方向很大的力平衡。大家仔細(xì)看這個(gè)方案，豎直的繩子AB受到的是大象重達(dá)幾噸的重力，而水平的繩子BC受的拉力卻很小。但是，這個(gè)力再小，也仍然會(huì)超出彈簧秤的量程，所以，選手們還需要設(shè)計(jì)一個(gè)重要的環(huán)節(jié)——摩擦平衡?！?/p>

看到觀(guān)眾仍然一臉迷茫的樣子，高老師笑了：“舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，用一根繩子拴住一只蘋(píng)果，輕輕一拉蘋(píng)果就動(dòng)了。如果繩子在鋼管上繞幾圈，任你開(kāi)著摩托都拉不動(dòng)蘋(píng)果！這就是摩擦平衡現(xiàn)象。這個(gè)方案就是利用了類(lèi)似的原理，BC繩中的拉力可以與彈簧秤的拉力達(dá)到平衡。這個(gè)稱(chēng)大象的方案比前兩種更有技術(shù)含量啦！但是，這個(gè)方案需要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出位移、偏角、摩擦力等多個(gè)參數(shù)，所以，計(jì)算及參數(shù)測(cè)量的工作會(huì)很復(fù)雜。”

好吧，這果然是清華的技術(shù)男們的強(qiáng)項(xiàng)呀。

讓大象蕩秋千

說(shuō)起蕩秋千，清華大學(xué)二隊(duì)選手的方案恰好就是讓大象蕩秋千！大象那么大，怎么蕩秋千呢？

二隊(duì)的選手先用繩子把吊車(chē)與裝著大象的鐵籠相連，讓籠子小幅振動(dòng)起來(lái)，測(cè)出振動(dòng)的周期；然后，在籠子的側(cè)面加上彈簧，讓系統(tǒng)再次小幅振動(dòng)，得到新的振動(dòng)周期……然后，算出了大象的重量。

如此怪異的方案！他們是怎么算出來(lái)的？

高老師解釋道：“這個(gè)方案，利用測(cè)量振動(dòng)周期的方法來(lái)測(cè)大象的重量。振動(dòng)有很多種形式，最簡(jiǎn)單的就是單擺的擺動(dòng)。不過(guò)單擺的運(yùn)動(dòng)周期與繩長(zhǎng)有關(guān)，與物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)。”

好奇的小觀(guān)眾問(wèn)：“既然跟質(zhì)量沒(méi)關(guān)系，那他們?cè)趺礈y(cè)大象的重量呢？”

“因?yàn)檎駝?dòng)還有其他的形式呀！把一根彈簧和一個(gè)要測(cè)量的物體連在一起，這在物理學(xué)上叫‘彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。小朋友，以后你上了中學(xué)就會(huì)學(xué)到相關(guān)的原理，在這里，我只告訴你們結(jié)論?！备呃蠋熣f(shuō)，“實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：‘彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)周期與彈簧的長(zhǎng)度有關(guān)，也與要測(cè)量的物體質(zhì)量有關(guān)。通過(guò)測(cè)量振動(dòng)的周期，就可以算出大象的重量了?！?/p>

“那么他們?yōu)槭裁匆汛笙髴覓炱饋?lái)擺動(dòng)呢？”

“如果直接把大象掛在彈簧上，小小的彈簧肯定會(huì)被拉斷，如果讓大象壓在彈簧上，彈簧肯定會(huì)被壓癟而不能振動(dòng)。那該怎么辦呢？解決的方法就是利用我們之前提到的單擺——先把大象用吊車(chē)懸掛起來(lái)成為單擺，再把籠子側(cè)面連上彈簧成為‘彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。”

…………

“用彈簧秤稱(chēng)大象，可以分幾步？”現(xiàn)在你明白了吧，這是一個(gè)貨真價(jià)實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)題！以上幾組選手的方案各有特點(diǎn)，一個(gè)比一個(gè)巧妙，真是讓人大開(kāi)眼界。條條大路通羅馬，解決問(wèn)題的科學(xué)方法絕不止一種！

小編的話(huà)：

親愛(ài)的小讀者，這個(gè)“不可能”實(shí)驗(yàn)室的神奇比賽，是不是讓你的頭腦經(jīng)歷了一次暈乎乎的風(fēng)暴？哈哈，千萬(wàn)別被里面的各種科學(xué)術(shù)語(yǔ)給嚇跑了，讓我們一起來(lái)動(dòng)手試一試——把大象換成自行車(chē)、電視機(jī)，甚至一只氣球，你將如何用彈簧秤來(lái)稱(chēng)出它們的重量？

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