天平

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古代的一種衡器,產生較早,到春秋晚期,天平和砝碼的製造技術已經樣當精密。以竹片做橫樑,絲線為提紐,兩端葛懸一銅盤。後因天平秤重物比較麻煩,改為「」,稱量小物時才用天平。  

目錄

現代天平

天平用於稱量物體質量,狹義上也叫托盤天平

常用的精確度不高的天平,由托盤、指針、橫樑標尺、游碼、砝碼、平衡螺母、分度盤等組成。精確度一般為0.1或0.2克。

一種衡器。由支點(軸)在梁的中心支著天平梁而形成兩個臂,每個臂上掛著一個盤,其中一個盤裡放著已知重量的物體,另一個盤裡放待稱重的物體,固定在樑上的指針在不擺動且指向正中刻度時的偏轉就指示出待稱重物體的重量。  

使用注意事項

1.要放置在水平的地方.

2.使用前要使天平左右平衡(游碼必須歸「0」平衡螺母向相反方向調).

3.砝碼不能用手拿,要用鑷子夾取.千萬不能把砝碼弄濕、弄髒,游碼也要用鑷子撥動.

4.被測物體的質量不能超過稱量或低於感量.

5.潮濕的物體和化學藥品不能直接放在天平的盤中.

6.稱量時注意左物右碼

7.稱量後要把游碼歸零,砝碼用鑷子放回砝碼盒  

天平的分類

有狹義和廣義之分。狹義的天平專指雙盤等臂機械天平,是利用等臂槓桿平衡原理,將被測物與相應砝碼比較衡量,從而確定被測物質量的一種衡器。廣義的天平則包括雙盤等臂機械天平、單盤不等臂機械天平和電子天平3類。

雙盤等臂機械天平 一般按結構分為普通標牌天平、微分標牌天平和架盤天平3種。也可按用途分為檢定天平、分析天平精密天平和普通天平4種。

檢定天平是計量部門、商檢部門或其他有關部門或工廠專門用來檢查或校準砝碼的天平。

分析天平是用於化學分析和物質精確衡量的高準確度天平。在大多數情況下,這類天平的最小分度值都小於最大稱量的 10-5。分析天平可按衡量範圍和最小分度值分為常量天平(稱量和最小分度值分別為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)。

精密天平廣泛應用於各種物質的精密衡量,其最小分度值通常為最大稱量的10-5~10-4。

普通天平用作物質的一般衡量。最小分度值等於或大於最大稱量的10-4。  

天平的組成

天平組成示意圖

普通標牌天平 主要由立柱、橫樑、弔掛系統、底座和制動裝置組成。

立柱垂直固定在底座上,用以支撐橫樑。立柱下部裝有分度牌,頂部裝有托架,在天平不工作時支托橫樑。在橫樑中部裝有一把中刀。天平工作時,中刀擱置在與升降桿頂端連接的刀承上,作為支點。中刀兩邊裝有兩把邊刀,分別作為重點和力點,起承受和傳遞載荷的作用。中刀下橫樑底面裝有指針,指針上固定有可上下移動以調節橫樑重心位置的重心砣,它起調整天平靈敏度的作用。

橫樑頂部刻有分度標尺,標尺上有一移動游碼。橫樑兩端還裝有可調整天平空載平衡位置的平衡螺母。

弔掛系統包括小吊環,掛盤架和秤盤。掛盤架弔掛在小吊環吊鉤上,兩把邊刀分別通過小吊環承受秤盤砝碼和被稱物的重力。

底座裝有兩個調整天平水平的螺旋調整腳,底座上面還安置有水準器以顯示天平水平度。調整水平是為避免天平不水平而產生稱量誤差。

制動裝置主要由開關旋鈕、開關軸和偏心凸輪(或連桿)組成。轉動旋鈕使凸輪(或偏心連桿)偏轉一定角度,即可使立柱中的升降桿上下移動,通過中刀承將橫樑托起或落下,以開啟或關閉天平。  

幾種特殊的天平

微分標牌天平 結構與普通標牌天平相似,不同的是:①橫樑指針下端裝有微分刻度牌。②立柱下端裝有用以放大並在投影屏上顯示微分讀數值的電光系統。③弔掛系統增加了套筒式空氣阻尼器,稱量時能使橫樑迅速停止擺動,便於定點準確讀數。④在天平外框罩上裝有凸輪槓桿式或其他形式的部分量程機械加碼(一般為10~999mg)或全量程機械加碼裝置,以代替人工加碼。微分標牌天平的最小分度值一般都在0.1mg以上,準確度也比普通標牌天平高。

架盤天平 一種雙托盤天平。秤盤安放在橫樑兩邊刀上方的盤架上,秤盤和托盤架重心高於橫樑支點。砝碼或被稱物在處於秤盤前後位置時會引起秤盤盤架和橫樑前後傾側,在處於秤盤左右位置時會引起秤盤盤架的左右傾倒。為克服此缺點,架盤天平採取了加長中刀、邊刀和加寬刀架的措施,並在結構設計上採用了羅伯威爾(Roberval)機構。在羅伯威爾機構中,桿桿AB、A′B′與縱桿AA′、BB′、支柱EE′鉸鏈連接,組成兩個相等的平行四邊形AA′E′E和EE′B′B。當大小相等的力P、P′分別作用於左右橫臂上時,對支柱來說,即使作用的位置不對稱,也能水平地平衡。無論AB如何傾斜,AA′、BB′都與支柱EE′平行。從EE′的左側來看,當將與縱桿AA′的距離為d的力P作用於橫臂上時,就有一個與P大小相等、方向相同的力作用於A和A′點;同時,有一個值為P.d的轉矩作用於縱桿AA′,從而在A點將槓桿拉向左側,而在A′點將槓桿推向右側。但由於槓桿受到EE′點的限制,在A、A′上將分別產生大小相等、方向相反的反作用力 f、f′,從而形成一個與P.d相等的反向轉矩f.s(f′.s),結果P.d轉矩被f.s(f′.s)所平衡。最後,在A、A′上只有與P相等的力起作用,而與P在橫臂上的作用位置d無關。這種情況在EE′的右側也完全相同。

阻力天平 在樑上掛上專門的阻力盒,使天平的擺動能迅速停止.

單盤不等臂機械天平 也是以槓桿平衡原理設計的。工作時,在加上被衡量物體後,減去懸掛系統上的砝碼,使橫樑始終保持全載平衡狀態。所減砝碼質量加上微分度牌讀數值,就是被衡量物體的質量。

電光阻力天平 利用游標原理,能比較準確地讀出指針的位置

上皿天平 秤盤在上側,靈敏度較低.

電子天平 它是感測技術、模擬電子技術、數字電子技術和微處理器技術發展的綜合產物,具有自動校準、自動顯示、去皮重、自動數據輸出、自動故障尋跡、超載保護等多種功能。電子天平通常使用電磁力感測器(見稱重感測器),組成一個閉環自動調節系統,準確度高,穩定性好。電子天平的工作原理如圖 5所示。當秤盤上加上被稱物時,感測器的位置檢測器信號發生變化,並通過放大器反饋使感測器線圈中的電流增大,該電流在恆定磁場中產生一個反饋力與所載入荷相平衡;同時,該電流在測量電阻Rm上的電壓值通過濾波器、模/數轉換器送入微處理器,進行數據處理,最後由顯示器自動顯示出被稱物質量數值。  

天平的基本原理

天平是實驗室中常用的儀器。天平是一種衡器,是衡量物體質量的儀器。它依據槓桿原理製成,在槓桿的兩端各有一小盤,一端放砝碼,另一端放要稱的物體,槓桿中央裝有指針,兩端平衡時,兩端的質量(重量)相等。這些道理對學過物理學的人來說已經是老生常談了。現代的天平,越來越精密,越來越靈敏,種類也越來越多。我們都知道,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。須知,天平不是一下子就發展成今天這個樣子的,它還有一段發展史呢!

天平原理示意圖

天平的發明很早。在埃及尼羅河三角洲盛產一種水生植物,很像我國多水地區生長的蘆葦,將其莖逐層剝離撕成薄片,可以寫字,這種東西叫做紙草。許多歐洲國家的文字中的紙就是從紙草的拉丁文演變而來的。用紙草寫成的書是紙草書,它成為古代埃及重要的歷史文獻。我們現在所知道的古埃及的情況,特別是科學技術的歷史發展情況,很多都是來源於紙草書上的記載。當然,紙草書上的文字不是現代文字,而是一種象形文字,經過很多專家的研究才讀懂了那種文字。據紙草書的記載,早在公元前1500多年,埃及人就已經使用天平了,還有人說,埃及人使用天平的時間還要早,大約在公元前5000年以前。古埃及的天平雖然做的很粗糙,但是已經有了現代天平的輪廓,成為現代天平的雛型。下圖畫的就是古代埃及人使用的天平。

從圖可見,這種天平是用一根豎棍中間鑽個孔,橫穿一根棍兒,在棍的兩端各用繩子掛上一個盤子。這種天平使用了很長時間,直到大約公元前500年,羅馬的「桿稱」才出現,桿稱靠移動稱砣的位置來保持與被稱物品重量的平衡,實際上是將天平的一端(放砝碼端)由固定式變成活動式,其好處是只要配上一個稱砣就可以了,而天平的砝碼要好幾個。桿稱也是用繩子吊一個盤子,再用繩子吊一個稱砣,除一端可活動外,基本形式與天平相同。

人們在使用天平和桿稱過程中,感到用繩子吊一個盤子是一件很麻煩的事,使用起來很不方便。於是,有人想去掉這討厭的繩子,17世紀中葉,法國數學家洛貝爾巴爾發明了擺動托盤天平,托盤天平的發明被認為是對古老的吊式天平的重大改進,至今,托盤天平仍在被廣泛使用。下圖畫的是現在實驗室中常見的一種托盤天平,比17世紀的托盤天平有了很大改進。圖中1是天平橫樑,兩端各支撐一個稱盤2。這兩部分構成了托盤天平的骨架,體現了托盤天平的基本設計原理,見下面的示意圖:當橫樑1平衡時,力矩相等,F1L1=F2L2,F1=m1g, F2=m2g,L1=L2,∴m1gL1=m2gL2,m1=m2,這就是說,由已知砝碼的質量可知被稱量物的質量。下圖中3為指針,4是刻度盤,指針正對準刻度盤中心表示兩端達到平衡,5為游碼標尺,6是游碼,7是調零螺母。與天平配套的還有砝碼。

應當指出,托盤天平的發明並沒有使吊式天平退出歷史舞台,相反,吊式天平不僅為人們繼續使用,特別是科學家們仍繼續使用著,而且在使用中不斷改進,現代廣泛應用的精密天平大都是吊式的,而托盤天平在日常生產和生活中用的較多,在科學實驗中大多在精確性要求不太高的稱量中使用。  

天平的發展史

在化學實驗中較早使用天平的有英國化學家布萊克,他生活和工作於18世紀,那個時候,正是化學中不斷發現氣體、並開始建立理論的時期。布萊克在化學研究中非常重視實驗,而且是第一個應用定量的方法研究氣體的人。1755年,他寫了一篇論文,內容是對石灰石等鹼性物質的實驗研究。論文中提到,他發現將石灰石煅燒會產生氣體。於是,他在煅燒前稱量了石灰石的重量,煅燒後再次稱量重量,結果發現,石灰石經過煅燒重量減少了44%,他認為這個重量正是從中釋放出的氣體的重量。在此基礎上,他又進行了多方面的研究,比如,他將石灰石與酸作用,發現也有氣體產生,用石灰水吸收這種氣體,並進行了定量研究,他發現這種氣體的重量與煅燒石灰石產生的氣體的重量相等,由此他認識到,石灰石中固定著一種氣體,他稱之為「固定空氣」(即現在我們熟知的二氧化碳)。從布萊克的實驗研究中可以了解到,他進行了定量研究,定量研究需要稱量,而稱量離不開天平。歷史資料表明,布萊克確實使用了天平,他用過的天平至今仍保存在愛丁堡皇家博物館中,下圖即是布萊克用過的天平。

用繩子掛著稱盤,橫樑又掛在另一個稱鉤上。布萊克正是用這個天平進行化學實驗研究,而且做出了發現的,這個天平的使用,不僅在化學實驗中建立了定量方法,而且對天平的進一步發展、改良,也是重要的。

布萊克之後,英國化學家亨利.卡文迪許也進行過精密的定量實驗,據說還曾設計製造過天平,由於卡文迪許本人的生平資料不詳,現在很難確切知道他是何時和如何設計、製造天平的。後來,卡文迪許用過的天平曾在皇家科學院展覽。這架天平放在櫃內,天平的式樣從外面看不太清楚,見下圖:

獅子天平

我們知道,法國著名化學家拉瓦錫,是一位非常重視定量研究的人,他經常使用天平,而且注意稱量的精確性。正是在精確的定量研究中,拉瓦錫確定了氧氣的存在,並且建立了科學的氧化燃燒理論。應用定量方法研究化學變化,必須假定化學變化前後物質質量守恆,由此拉瓦錫確立了質量守恆定律。拉瓦錫的研究工作得到天平的幫助,可是拉瓦錫本人卻很少設計和製造儀器,也沒有設計和製造過天平,不過,18世紀的法國,天平比較普及,有許多小店鋪就出售天平,拉瓦錫可能得益於這種良好的條件。我們在下圖看到的是18世紀的法國天平的式樣,或許是當時天平中的一種式樣。

18世紀末英國也已經製造出了一種天平,橫樑中央嵌上一個鋼質的刀口。把它放在瑪瑙盤中,大大提高了精密度和靈敏度。當時出現了一些天平設計家和製造家,不過,據說天平的價格比較貴,而且要先預定,不像法國,天平雖不那麼精密,但比較容易買到。下圖展示的是一個費德勒的人為皇家學會製造的一架天平,曾在倫敦科學博物館展出。

在英國,使用天平的不限於化學家和科學家,普通醫藥商店也常用天平,化學原子論的提出者道爾頓,在科學研究中經常使用天平,由於道爾頓在化學史上的重要地位和他在英國科學界的影響,使他成了著名人物,成了著名化學家,他使用過的天平據說也成了不凡之物,後來為英國曼徹斯特文學和哲學會所有,並為該會收藏。道爾頓曾經是這個學會的會員。

19世紀20年代,倫敦有一位儀器設計家叫羅賓遜,他開始設計和製造分析天平,不僅英國,就連美國在一個時期里都使用這種天平。羅賓遜用空心材料做橫樑,把梁做成三角形,豎梁中部有指針。

有刻度橫樑和游碼的天平,大約也是在19世紀誕生的(前面介紹托盤天平時,在圖中橫樑上標有刻度和游碼),究竟誰是這種天平的發明人有不同說法,也存在爭議。可是1851年在倫敦召開了一次國際博覽會,英國和歐洲大陸國家的一些主要天平製造商都參加了,經博覽會審查團審議,最後把最高獎獎給了奧耶領,以表彰他在有刻度橫樑和滑動裝置(即游碼)天平的製造上所做的貢獻,由此看來,奧耶領的發明權得到了國際上的確認。

羅馬時代晚期的專用錢幣天平

在很長時期里,天平製造業中流行一種理論,認為天平的橫樑越長天平越靈敏。但是有一個叫波爾.邦格的人卻不受這種理論的限制,1866年,他設計、製造了一架短橫樑分析天平。後來,在平天設計理論方面,他也有建樹。下圖所示的就是1866年邦格製造的最早的一台短梁天平。

天平的改進,除了橫樑、接觸點、游碼、刻度等方面以外,還表現在其它方面,例如,19世紀前半期,已經出現了旋鈕天平。旋鈕天平有什麼優點呢?原來,早期的天平,橫樑架在豎直的柱上,用時和不用時都是一樣的。後來分析天平出現了,分析天平的刀口用瑪瑙製成,為了減少刀口的損傷,不用平天時,將天平橫樑架在一個架子上,讓刀口不再受力,用時再將刀口架在支撐碗上。這些都是通過旋紐裝置控制的。現代分析天平都有旋紐裝置。下圖是1833年製造的一台旋紐天平。

隨著科學的發展、技術的進步,天平的設計和製造不斷取得長足的進展。正是經過一代一代人的不懈努力,經過技術的積累和提高,才有了今天的各式各樣的現代天平。如今,在化學實驗室中,常用的天平有:托盤天平,正如前面講過的,用於精確度要求不高或測定物料的大致質量,可稱量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);電光天平,設有空氣阻尼裝置或電磁阻尼裝置,使天平既具有高靈敏度又能迅速阻止橫樑的搖動,電光天平從外觀上看不見砝碼,能看到放置要測物的稱盤,砝碼的加減用旋轉刻度盤操作,稱量的數值可通過投影刻度標尺直接讀出。  

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