中国传统科技文化与STEM教育——杆秤
一、杆秤的人文历史知识
梅山地区常用的称量工具——传统杆秤，它的发展和演变过程可以追溯到中国古代。最初，人们使用简易的木杆秤来测量物体的重量。随着经济的发展和技术的进步，杆秤逐渐变得更加精确和复杂。
在东汉时期，人们开始使用提纽式不等臂衡器，也就是现代意义上的杆秤。这种衡器通过调整秤砣的位置来测量物体的重量，比简单的木杆秤更加准确。
到了宋代，杆秤已经发展到了比较成熟的阶段。这时，秤砣被设计成可以移动的权，作为称量的“权衡”被简称为“杆秤”或“秤”，这一叫法沿用至今。随着时间的推移，杆秤的刻度和单位也发生了变化。最初，杆秤以十六两为一斤，这种斤两的进位制持续了1000多年。到了唐代，秤上又多了钱、分、厘等单位，十钱为一两，十分为一钱。
到了民国时期，木杆秤逐渐改成了十两进制（市斤秤）。而到了上世纪80年代，为了与国际接轨，木杆秤以千克为标准（公斤秤）。
杆秤经历了不断发展和完善的过程，从简单的木杆秤到复杂的衡器，从十六两制到十两制，再到国际标准的千克制，其演变的背后是经济社会的发展和技术的进步。
关于杆秤的民间传说：据说，木杆秤是鲁班发明的，根据北斗七星和南斗六星在杆秤上刻制13颗星，定13两为一斤；秦始皇统一六国后，又添加“福禄寿”三星，正好十六星，所以改一斤为16两，并颁布统一度量衡的诏书。另一种说法是“商圣”范蠡所制，他由一个鱼贩的难处那得到启示，先用根竹竿，一边放水筒，一边放鱼，利用杠杆原理发明。后来，他进行改造，根据北斗七星和南斗六星在杆秤上刻制13颗星，定13两为一斤，但因为有些商家缺斤少两，便添加“福禄寿”三星，表明：缺一两少“福报”，缺二两少“俸禄”，缺三两少“阳寿”。
二、杆秤的科学原理
杆秤这种常见的称重工具，它的设计巧妙地运用了物理原理，使得测量物体质量变得简单而准确。杆秤的物理原理，包括杠杆原理、力的平衡以及刻度与读数等方面的内容。
（一）杠杆原理
杆秤的工作原理基于杠杆原理，即一个杠杆在平衡状态下，两端的力矩相等。在杆秤中，杠杆的支点位于提纽处，秤砣和被称物的力矩分别作用于杠杆的两端。当秤砣的位置与支点之间的距离增大时，秤砣的力矩增大，而被称物的力矩减小，反之亦然。这样，通过调整秤砣的位置，可以使杠杆达到平衡状态，从而读出被称物的质量示值。
（二）力矩的平衡
在杆秤中，力矩的平衡是通过杠杆平衡条件来实现的。具体来说，当杆秤平衡时，挂在副杠杆上的物体的重量与秤砣的重量之比等于它们各自力臂长度的反比。设物体的质量为m1，秤砣的质量为m2，物体力臂长度为L1，秤砣力臂长度为L2，则有：m1L1 = m2L2。
在实际使用中，物体和秤砣的质量以及力臂长度会随着所称物体的质量变化而变化。例如，当所称物体质量增大时，物体力臂长度L1会相应减小，而秤砣力臂长度L2则会增大，以满足杠杆平衡条件。
（三）刻度与读数
杆秤的刻度是均匀的，这使得我们能够通过比较刻度上的投影与实际质量的换算关系来确定物体的质量。设杆秤的刻度分为n等份，每份刻度代表的质量为Δm，则杆秤的总质量范围为[0, nΔm]。当物体挂在副杠杆上时，物体的力臂会在刻度上产生相应的投影，通过比较投影与刻度的比例关系即可确定物体的质量。
例如，如果物体的力臂长度为L1，而每份刻度代表的质量为Δm，那么物体的质量m1可以通过以下公式计算得到：m1 = (L1/n) × Δm。通过观察指针在刻度上的位置，我们可以确定物体的质量。
（四）实际应用
在实际使用杆秤时，需要掌握一些使用方法和技巧。
1. 杆秤的刻度必须均匀，否则会影响测量精度。
2. 杆秤的提纽必须牢固可靠，以免在使用过程中脱落或损坏。
3. 杆秤的秤砣和被称物的力臂长度应该适应，以确保测量结果的准确性。
4. 杆秤在使用过程中需要避免过度用力或摇晃，以免损坏或影响测量结果。
总之，杆秤作为一种基于物理原理的称重工具，具有简单、方便、准确等优点，了解杆秤的物理原理有助于我们更好地使用和维护这种传统的称重工具。
三、STEM活动实践
（一）创意实践
1. 了解杆秤的历史和原理：通过查找资料、观看视频等方式，了解杆秤的发明背景、制作原理和使用方法。
2. 准备材料和工具：准备制作杆秤所需的材料和工具，如木棍、秤砣、刻度尺、绳子等。
3. 制作杆秤：将木棍锯成合适长度，刻上刻度，并固定好秤砣和绳子。在制作过程中，需要不断尝试和调整，确保杆秤的准确性和稳定性。
4. 使用杆秤：使用自己制作的杆秤进行物品称重，了解不同物品的重量和单位换算。思考如何提高杆秤的测量精度和使用寿命。
5. 分析数据：将称重数据记录下来，并进行数据分析。思考如何通过数据分析来判断物品的真伪、优劣等。
6. 改进和创新：针对杆秤的不足之处提出改进方案，并进行创新设计。例如，可以尝试使用其他材料制作秤砣、增加刻度线的精度等。
7. 展示成果：将制作的杆秤和称重结果进行展示，并分享自己的制作过程和经验。思考如何通过展示活动来提高自己的自信心和表达能力。
（二）创意改良
杆秤的创意改良可以从多个方面入手，以下是一些可能的创意：
1. 数字化杆秤：将传统的杆秤与电子技术相结合，将称重结果转化为数字形式，便于记录和分析。可以添加传感器和显示屏幕等元件，使得使用更加方便和直观。
2. 折叠式杆秤：将杆秤设计成可折叠的形式，使得携带更加方便，可以随时随地使用。
3. 防抖杆秤：在杆秤上增加防抖装置，减少使用过程中由于震动和不稳定带来的误差。
4. 多功能杆秤：将多种功能集成到杆秤中，如测量体积、计算价格、记录时间等，提高使用效率和便利性。
这些创意可以相互组合和优化，使得杆秤更加符合现代社会的发展需求和使用习惯。同时，这些创意也可以通过不断尝试和改进，成为实用的新型产品。
（三）创意挑战
1. 最轻的杆秤：挑战制作一个能够测量微小重量的杆秤，例如测量小颗粒物品的重量。可以通过使用更精细的传感器和优化设计来实现。
2. 最准的杆秤：挑战制作一个准确度极高的杆秤，其准确度要比传统杆秤高得多。可以通过使用更精确的传感器、优化算法和进行高精度的校准来实现。
3. 最美观的杆秤：挑战制作一个外观最美观的杆秤，使其不仅具有实用价值，还具有艺术观赏性。可以通过雕刻、绘画、镶嵌等工艺来实现外观的美化。
4. 最耐用的杆秤：挑战制作一个非常耐用的杆秤，能够经受住长期使用和恶劣环境的影响。可以通过使用高质量的材料、进行精细的加工和保养来提高杆秤的耐用性。
5. 最方便的杆秤：挑战制作一个使用起来最方便的杆秤，提高其易用性和便利性。可以通过优化设计、添加辅助部件或采用现代技术（如无线传输、移动应用等）来实现。
（作者/罗崇会 湖南省新化县上梅中学）
（一审：卢小伟 二审：蒋玉青 三审：禹振华）
