天平

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古代的一种衡器,产生较早,到春秋晚期,天平和砝码的制造技术已经样当精密。以竹片做横梁,丝线为提纽,两端葛悬一铜盘。后因天平秤重物比较麻烦,改为“”,称量小物时才用天平。  

目录

现代天平

天平用于称量物体质量,狭义上也叫托盘天平

常用的精确度不高的天平,由托盘、指针、横梁标尺、游码、砝码、平衡螺母、分度盘等组成。精确度一般为0.1或0.2克。

一种衡器。由支点(轴)在梁的中心支着天平梁而形成两个臂,每个臂上挂着一个盘,其中一个盘里放着已知重量的物体,另一个盘里放待称重的物体,固定在梁上的指针在不摆动且指向正中刻度时的偏转就指示出待称重物体的重量。  

使用注意事项

1.要放置在水平的地方.

2.使用前要使天平左右平衡(游码必须归“0”平衡螺母向相反方向调).

3.砝码不能用手拿,要用镊子夹取.千万不能把砝码弄湿、弄脏,游码也要用镊子拨动.

4.被测物体的质量不能超过称量或低于感量.

5.潮湿的物体和化学药品不能直接放在天平的盘中.

6.称量时注意左物右码

7.称量后要把游码归零,砝码用镊子放回砝码盒  

天平的分类

有狭义和广义之分。狭义的天平专指双盘等臂机械天平,是利用等臂杠杆平衡原理,将被测物与相应砝码比较衡量,从而确定被测物质量的一种衡器。广义的天平则包括双盘等臂机械天平、单盘不等臂机械天平和电子天平3类。

双盘等臂机械天平 一般按结构分为普通标牌天平、微分标牌天平和架盘天平3种。也可按用途分为检定天平、分析天平精密天平和普通天平4种。

检定天平是计量部门、商检部门或其他有关部门或工厂专门用来检查或校准砝码的天平。

分析天平是用于化学分析和物质精确衡量的高准确度天平。在大多数情况下,这类天平的最小分度值都小于最大称量的 10-5。分析天平可按衡量范围和最小分度值分为常量天平(称量和最小分度值分别为100~200g和0.01~1mg)、半微量天平 (30~100g和1~10g)、微量天平(3~30g和0.1~1g)和超微量天平(3~5g和0.1g以下)。

精密天平广泛应用于各种物质的精密衡量,其最小分度值通常为最大称量的10-5~10-4。

普通天平用作物质的一般衡量。最小分度值等于或大于最大称量的10-4。  

天平的组成

天平组成示意图

普通标牌天平 主要由立柱、横梁、吊挂系统、底座和制动装置组成。

立柱垂直固定在底座上,用以支撑横梁。立柱下部装有分度牌,顶部装有托架,在天平不工作时支托横梁。在横梁中部装有一把中刀。天平工作时,中刀搁置在与升降杆顶端连接的刀承上,作为支点。中刀两边装有两把边刀,分别作为重点和力点,起承受和传递载荷的作用。中刀下横梁底面装有指针,指针上固定有可上下移动以调节横梁重心位置的重心砣,它起调整天平灵敏度的作用。

横梁顶部刻有分度标尺,标尺上有一移动游码。横梁两端还装有可调整天平空载平衡位置的平衡螺母。

吊挂系统包括小吊环,挂盘架和秤盘。挂盘架吊挂在小吊环吊钩上,两把边刀分别通过小吊环承受秤盘砝码和被称物的重力。

底座装有两个调整天平水平的螺旋调整脚,底座上面还安置有水准器以显示天平水平度。调整水平是为避免天平不水平而产生称量误差。

制动装置主要由开关旋钮、开关轴和偏心凸轮(或连杆)组成。转动旋钮使凸轮(或偏心连杆)偏转一定角度,即可使立柱中的升降杆上下移动,通过中刀承将横梁托起或落下,以开启或关闭天平。  

几种特殊的天平

微分标牌天平 结构与普通标牌天平相似,不同的是:①横梁指针下端装有微分刻度牌。②立柱下端装有用以放大并在投影屏上显示微分读数值的电光系统。③吊挂系统增加了套筒式空气阻尼器,称量时能使横梁迅速停止摆动,便于定点准确读数。④在天平外框罩上装有凸轮杠杆式或其他形式的部分量程机械加码(一般为10~999mg)或全量程机械加码装置,以代替人工加码。微分标牌天平的最小分度值一般都在0.1mg以上,准确度也比普通标牌天平高。

架盘天平 一种双托盘天平。秤盘安放在横梁两边刀上方的盘架上,秤盘和托盘架重心高于横梁支点。砝码或被称物在处于秤盘前后位置时会引起秤盘盘架和横梁前后倾侧,在处于秤盘左右位置时会引起秤盘盘架的左右倾倒。为克服此缺点,架盘天平采取了加长中刀、边刀和加宽刀架的措施,并在结构设计上采用了罗伯威尔(Roberval)机构。在罗伯威尔机构中,杆杆AB、A′B′与纵杆AA′、BB′、支柱EE′铰链连接,组成两个相等的平行四边形AA′E′E和EE′B′B。当大小相等的力P、P′分别作用于左右横臂上时,对支柱来说,即使作用的位置不对称,也能水平地平衡。无论AB如何倾斜,AA′、BB′都与支柱EE′平行。从EE′的左侧来看,当将与纵杆AA′的距离为d的力P作用于横臂上时,就有一个与P大小相等、方向相同的力作用于A和A′点;同时,有一个值为P.d的转矩作用于纵杆AA′,从而在A点将杠杆拉向左侧,而在A′点将杠杆推向右侧。但由于杠杆受到EE′点的限制,在A、A′上将分别产生大小相等、方向相反的反作用力 f、f′,从而形成一个与P.d相等的反向转矩f.s(f′.s),结果P.d转矩被f.s(f′.s)所平衡。最后,在A、A′上只有与P相等的力起作用,而与P在横臂上的作用位置d无关。这种情况在EE′的右侧也完全相同。

阻力天平 在梁上挂上专门的阻力盒,使天平的摆动能迅速停止.

单盘不等臂机械天平 也是以杠杆平衡原理设计的。工作时,在加上被衡量物体后,减去悬挂系统上的砝码,使横梁始终保持全载平衡状态。所减砝码质量加上微分度牌读数值,就是被衡量物体的质量。

电光阻力天平 利用游标原理,能比较准确地读出指针的位置

上皿天平 秤盘在上侧,灵敏度较低.

电子天平 它是传感技术、模拟电子技术、数字电子技术和微处理器技术发展的综合产物,具有自动校准、自动显示、去皮重、自动数据输出、自动故障寻迹、超载保护等多种功能。电子天平通常使用电磁力传感器(见称重传感器),组成一个闭环自动调节系统,准确度高,稳定性好。电子天平的工作原理如图 5所示。当秤盘上加上被称物时,传感器的位置检测器信号发生变化,并通过放大器反馈使传感器线圈中的电流增大,该电流在恒定磁场中产生一个反馈力与所加载荷相平衡;同时,该电流在测量电阻Rm上的电压值通过滤波器、模/数转换器送入微处理器,进行数据处理,最后由显示器自动显示出被称物质量数值。  

天平的基本原理

天平是实验室中常用的仪器。天平是一种衡器,是衡量物体质量的仪器。它依据杠杆原理制成,在杠杆的两端各有一小盘,一端放砝码,另一端放要称的物体,杠杆中央装有指针,两端平衡时,两端的质量(重量)相等。这些道理对学过物理学的人来说已经是老生常谈了。现代的天平,越来越精密,越来越灵敏,种类也越来越多。我们都知道,有普通天平、分析天平,有常量分析天平、微量分析天平、半微量分析天平,等等。须知,天平不是一下子就发展成今天这个样子的,它还有一段发展史呢!

天平原理示意图

天平的发明很早。在埃及尼罗河三角洲盛产一种水生植物,很像我国多水地区生长的芦苇,将其茎逐层剥离撕成薄片,可以写字,这种东西叫做纸草。许多欧洲国家的文字中的纸就是从纸草的拉丁文演变而来的。用纸草写成的书是纸草书,它成为古代埃及重要的历史文献。我们现在所知道的古埃及的情况,特别是科学技术的历史发展情况,很多都是来源于纸草书上的记载。当然,纸草书上的文字不是现代文字,而是一种象形文字,经过很多专家的研究才读懂了那种文字。据纸草书的记载,早在公元前1500多年,埃及人就已经使用天平了,还有人说,埃及人使用天平的时间还要早,大约在公元前5000年以前。古埃及的天平虽然做的很粗糙,但是已经有了现代天平的轮廓,成为现代天平的雏型。下图画的就是古代埃及人使用的天平。

从图可见,这种天平是用一根竖棍中间钻个孔,横穿一根棍儿,在棍的两端各用绳子挂上一个盘子。这种天平使用了很长时间,直到大约公元前500年,罗马的“杆称”才出现,杆称靠移动称砣的位置来保持与被称物品重量的平衡,实际上是将天平的一端(放砝码端)由固定式变成活动式,其好处是只要配上一个称砣就可以了,而天平的砝码要好几个。杆称也是用绳子吊一个盘子,再用绳子吊一个称砣,除一端可活动外,基本形式与天平相同。

人们在使用天平和杆称过程中,感到用绳子吊一个盘子是一件很麻烦的事,使用起来很不方便。于是,有人想去掉这讨厌的绳子,17世纪中叶,法国数学家洛贝尔巴尔发明了摆动托盘天平,托盘天平的发明被认为是对古老的吊式天平的重大改进,至今,托盘天平仍在被广泛使用。下图画的是现在实验室中常见的一种托盘天平,比17世纪的托盘天平有了很大改进。图中1是天平横梁,两端各支撑一个称盘2。这两部分构成了托盘天平的骨架,体现了托盘天平的基本设计原理,见下面的示意图:当横梁1平衡时,力矩相等,F1L1=F2L2,F1=m1g, F2=m2g,L1=L2,∴m1gL1=m2gL2,m1=m2,这就是说,由已知砝码的质量可知被称量物的质量。下图中3为指针,4是刻度盘,指针正对准刻度盘中心表示两端达到平衡,5为游码标尺,6是游码,7是调零螺母。与天平配套的还有砝码。

应当指出,托盘天平的发明并没有使吊式天平退出历史舞台,相反,吊式天平不仅为人们继续使用,特别是科学家们仍继续使用着,而且在使用中不断改进,现代广泛应用的精密天平大都是吊式的,而托盘天平在日常生产和生活中用的较多,在科学实验中大多在精确性要求不太高的称量中使用。  

天平的发展史

在化学实验中较早使用天平的有英国化学家布莱克,他生活和工作于18世纪,那个时候,正是化学中不断发现气体、并开始建立理论的时期。布莱克在化学研究中非常重视实验,而且是第一个应用定量的方法研究气体的人。1755年,他写了一篇论文,内容是对石灰石等碱性物质的实验研究。论文中提到,他发现将石灰石煅烧会产生气体。于是,他在煅烧前称量了石灰石的重量,煅烧后再次称量重量,结果发现,石灰石经过煅烧重量减少了44%,他认为这个重量正是从中释放出的气体的重量。在此基础上,他又进行了多方面的研究,比如,他将石灰石与酸作用,发现也有气体产生,用石灰水吸收这种气体,并进行了定量研究,他发现这种气体的重量与煅烧石灰石产生的气体的重量相等,由此他认识到,石灰石中固定着一种气体,他称之为“固定空气”(即现在我们熟知的二氧化碳)。从布莱克的实验研究中可以了解到,他进行了定量研究,定量研究需要称量,而称量离不开天平。历史资料表明,布莱克确实使用了天平,他用过的天平至今仍保存在爱丁堡皇家博物馆中,下图即是布莱克用过的天平。

用绳子挂着称盘,横梁又挂在另一个称钩上。布莱克正是用这个天平进行化学实验研究,而且做出了发现的,这个天平的使用,不仅在化学实验中建立了定量方法,而且对天平的进一步发展、改良,也是重要的。

布莱克之后,英国化学家亨利.卡文迪许也进行过精密的定量实验,据说还曾设计制造过天平,由于卡文迪许本人的生平资料不详,现在很难确切知道他是何时和如何设计、制造天平的。后来,卡文迪许用过的天平曾在皇家科学院展览。这架天平放在柜内,天平的式样从外面看不太清楚,见下图:

狮子天平

我们知道,法国著名化学家拉瓦锡,是一位非常重视定量研究的人,他经常使用天平,而且注意称量的精确性。正是在精确的定量研究中,拉瓦锡确定了氧气的存在,并且建立了科学的氧化燃烧理论。应用定量方法研究化学变化,必须假定化学变化前后物质质量守恒,由此拉瓦锡确立了质量守恒定律。拉瓦锡的研究工作得到天平的帮助,可是拉瓦锡本人却很少设计和制造仪器,也没有设计和制造过天平,不过,18世纪的法国,天平比较普及,有许多小店铺就出售天平,拉瓦锡可能得益于这种良好的条件。我们在下图看到的是18世纪的法国天平的式样,或许是当时天平中的一种式样。

18世纪末英国也已经制造出了一种天平,横梁中央嵌上一个钢质的刀口。把它放在玛瑙盘中,大大提高了精密度和灵敏度。当时出现了一些天平设计家和制造家,不过,据说天平的价格比较贵,而且要先预定,不像法国,天平虽不那么精密,但比较容易买到。下图展示的是一个费德勒的人为皇家学会制造的一架天平,曾在伦敦科学博物馆展出。

在英国,使用天平的不限于化学家和科学家,普通医药商店也常用天平,化学原子论的提出者道尔顿,在科学研究中经常使用天平,由于道尔顿在化学史上的重要地位和他在英国科学界的影响,使他成了著名人物,成了著名化学家,他使用过的天平据说也成了不凡之物,后来为英国曼彻斯特文学和哲学会所有,并为该会收藏。道尔顿曾经是这个学会的会员。

19世纪20年代,伦敦有一位仪器设计家叫罗宾逊,他开始设计和制造分析天平,不仅英国,就连美国在一个时期里都使用这种天平。罗宾逊用空心材料做横梁,把梁做成三角形,竖梁中部有指针。

有刻度横梁和游码的天平,大约也是在19世纪诞生的(前面介绍托盘天平时,在图中横梁上标有刻度和游码),究竟谁是这种天平的发明人有不同说法,也存在争议。可是1851年在伦敦召开了一次国际博览会,英国和欧洲大陆国家的一些主要天平制造商都参加了,经博览会审查团审议,最后把最高奖奖给了奥耶领,以表彰他在有刻度横梁和滑动装置(即游码)天平的制造上所做的贡献,由此看来,奥耶领的发明权得到了国际上的确认。

罗马时代晚期的专用钱币天平

在很长时期里,天平制造业中流行一种理论,认为天平的横梁越长天平越灵敏。但是有一个叫波尔.邦格的人却不受这种理论的限制,1866年,他设计、制造了一架短横梁分析天平。后来,在平天设计理论方面,他也有建树。下图所示的就是1866年邦格制造的最早的一台短梁天平。

天平的改进,除了横梁、接触点、游码、刻度等方面以外,还表现在其它方面,例如,19世纪前半期,已经出现了旋钮天平。旋钮天平有什么优点呢?原来,早期的天平,横梁架在竖直的柱上,用时和不用时都是一样的。后来分析天平出现了,分析天平的刀口用玛瑙制成,为了减少刀口的损伤,不用平天时,将天平横梁架在一个架子上,让刀口不再受力,用时再将刀口架在支撑碗上。这些都是通过旋纽装置控制的。现代分析天平都有旋纽装置。下图是1833年制造的一台旋纽天平。

随着科学的发展、技术的进步,天平的设计和制造不断取得长足的进展。正是经过一代一代人的不懈努力,经过技术的积累和提高,才有了今天的各式各样的现代天平。如今,在化学实验室中,常用的天平有:托盘天平,正如前面讲过的,用于精确度要求不高或测定物料的大致质量,可称量100克、200克、500克乃至1000克;分析天平(常量分析天平、微量分析天平和半微量分析天平);电光天平,设有空气阻尼装置或电磁阻尼装置,使天平既具有高灵敏度又能迅速阻止横梁的摇动,电光天平从外观上看不见砝码,能看到放置要测物的称盘,砝码的加减用旋转刻度盘操作,称量的数值可通过投影刻度标尺直接读出。  

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