天平
| A+醫(yī)學(xué)百科 >> 天平 |
古代的一種衡器，產(chǎn)生較早，到春秋晚期，天平和砝碼的制造技術(shù)已經(jīng)樣當(dāng)精密。以竹片做橫梁，絲線為提紐，兩端葛懸一銅盤。后因天平秤重物比較麻煩，改為“銓”，稱量小物時(shí)才用天平?！ ?/p>
目錄 |
現(xiàn)代天平
天平用于稱量物體質(zhì)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、橫梁標(biāo)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(diǎn)(軸)在梁的中心支著天平梁而形成兩個(gè)臂,每個(gè)臂上掛著一個(gè)盤,其中一個(gè)盤里放著已知重量的物體,另一個(gè)盤里放待稱重的物體,固定在梁上的指針在不擺動(dòng)且指向正中刻度時(shí)的偏轉(zhuǎn)就指示出待稱重物體的重量?！ ?/p>
使用注意事項(xiàng)
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(diào)）.
3.砝碼不能用手拿,要用鑷子夾取.千萬不能把砝碼弄濕、弄臟，游碼也要用鑷子撥動(dòng).
4.被測(cè)物體的質(zhì)量不能超過稱量或低于感量.
5.潮濕的物體和化學(xué)藥品不能直接放在天平的盤中.
6.稱量時(shí)注意左物右碼
7.稱量后要把游碼歸零,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(jī)械天平，是利用等臂杠桿平衡原理，將被測(cè)物與相應(yīng)砝碼比較衡量，從而確定被測(cè)物質(zhì)量的一種衡器。廣義的天平則包括雙盤等臂機(jī)械天平、單盤不等臂機(jī)械天平和電子天平3類。
雙盤等臂機(jī)械天平 一般按結(jié)構(gòu)分為普通標(biāo)牌天平、微分標(biāo)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(jì)量部門、商檢部門或其他有關(guān)部門或工廠專門用來檢查或校準(zhǔn)砝碼的天平。
分析天平是用于化學(xué)分析和物質(zhì)精確衡量的高準(zhǔn)確度天平。在大多數(shù)情況下，這類天平的最小分度值都小于最大稱量的 10-5。分析天平可按衡量范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(yīng)用于各種物質(zhì)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(zhì)的一般衡量。最小分度值等于或大于最大稱量的10-4?！ ?/p>
天平的組成
普通標(biāo)牌天平 主要由立柱、橫梁、吊掛系統(tǒng)、底座和制動(dòng)裝置組成。
立柱垂直固定在底座上，用以支撐橫梁。立柱下部裝有分度牌，頂部裝有托架，在天平不工作時(shí)支托橫梁。在橫梁中部裝有一把中刀。天平工作時(shí)，中刀擱置在與升降桿頂端連接的刀承上，作為支點(diǎn)。中刀兩邊裝有兩把邊刀，分別作為重點(diǎn)和力點(diǎn)，起承受和傳遞載荷的作用。中刀下橫梁底面裝有指針，指針上固定有可上下移動(dòng)以調(diào)節(jié)橫梁重心位置的重心砣，它起調(diào)整天平靈敏度的作用。
橫梁頂部刻有分度標(biāo)尺，標(biāo)尺上有一移動(dòng)游碼。橫梁兩端還裝有可調(diào)整天平空載平衡位置的平衡螺母。
吊掛系統(tǒng)包括小吊環(huán)，掛盤架和秤盤。掛盤架吊掛在小吊環(huán)吊鉤上，兩把邊刀分別通過小吊環(huán)承受秤盤砝碼和被稱物的重力。
底座裝有兩個(gè)調(diào)整天平水平的螺旋調(diào)整腳，底座上面還安置有水準(zhǔn)器以顯示天平水平度。調(diào)整水平是為避免天平不水平而產(chǎn)生稱量誤差。
制動(dòng)裝置主要由開關(guān)旋鈕、開關(guān)軸和偏心凸輪（或連桿）組成。轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕使凸輪（或偏心連桿）偏轉(zhuǎn)一定角度，即可使立柱中的升降桿上下移動(dòng)，通過中刀承將橫梁托起或落下，以開啟或關(guān)閉天平?！ ?/p>
幾種特殊的天平
微分標(biāo)牌天平 結(jié)構(gòu)與普通標(biāo)牌天平相似，不同的是：①橫梁指針下端裝有微分刻度牌。②立柱下端裝有用以放大并在投影屏上顯示微分讀數(shù)值的電光系統(tǒng)。③吊掛系統(tǒng)增加了套筒式空氣阻尼器，稱量時(shí)能使橫梁迅速停止擺動(dòng)，便于定點(diǎn)準(zhǔn)確讀數(shù)。④在天平外框罩上裝有凸輪杠桿式或其他形式的部分量程機(jī)械加碼（一般為10～999mg）或全量程機(jī)械加碼裝置，以代替人工加碼。微分標(biāo)牌天平的最小分度值一般都在0.1mg以上，準(zhǔn)確度也比普通標(biāo)牌天平高。
架盤天平 一種雙托盤天平。秤盤安放在橫梁兩邊刀上方的盤架上，秤盤和托盤架重心高于橫梁支點(diǎn)。砝碼或被稱物在處于秤盤前后位置時(shí)會(huì)引起秤盤盤架和橫梁前后傾側(cè)，在處于秤盤左右位置時(shí)會(huì)引起秤盤盤架的左右傾倒。為克服此缺點(diǎn)，架盤天平采取了加長(zhǎng)中刀、邊刀和加寬刀架的措施，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了羅伯威爾（Roberval）機(jī)構(gòu)。在羅伯威爾機(jī)構(gòu)中，桿桿AB、A′B′與縱桿AA′、BB′、支柱EE′鉸鏈連接，組成兩個(gè)相等的平行四邊形AA′E′E和EE′B′B。當(dāng)大小相等的力P、P′分別作用于左右橫臂上時(shí)，對(duì)支柱來說，即使作用的位置不對(duì)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(cè)來看，當(dāng)將與縱桿AA′的距離為d的力P作用于橫臂上時(shí)，就有一個(gè)與P大小相等、方向相同的力作用于A和A′點(diǎn);同時(shí)，有一個(gè)值為P.d的轉(zhuǎn)矩作用于縱桿AA′，從而在A點(diǎn)將杠桿拉向左側(cè)，而在A′點(diǎn)將杠桿推向右側(cè)。但由于杠桿受到EE′點(diǎn)的限制，在A、A′上將分別產(chǎn)生大小相等、方向相反的反作用力 f、f′，從而形成一個(gè)與P.d相等的反向轉(zhuǎn)矩f.s(f′.s)，結(jié)果P.d轉(zhuǎn)矩被f.s(f′.s)所平衡。最后，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(guān)。這種情況在EE′的右側(cè)也完全相同。
阻力天平 在梁上掛上專門的阻力盒,使天平的擺動(dòng)能迅速停止.
單盤不等臂機(jī)械天平 也是以杠桿平衡原理設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，在加上被衡量物體后，減去懸掛系統(tǒng)上的砝碼，使橫梁始終保持全載平衡狀態(tài)。所減砝碼質(zhì)量加上微分度牌讀數(shù)值，就是被衡量物體的質(zhì)量。
電光阻力天平 利用游標(biāo)原理,能比較準(zhǔn)確地讀出指針的位置
上皿天平 秤盤在上側(cè),靈敏度較低.
電子天平 它是傳感技術(shù)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和微處理器技術(shù)發(fā)展的綜合產(chǎn)物，具有自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)顯示、去皮重、自動(dòng)數(shù)據(jù)輸出、自動(dòng)故障尋跡、超載保護(hù)等多種功能。電子天平通常使用電磁力傳感器(見稱重傳感器)，組成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好。電子天平的工作原理如圖 5所示。當(dāng)秤盤上加上被稱物時(shí)，傳感器的位置檢測(cè)器信號(hào)發(fā)生變化，并通過放大器反饋使傳感器線圈中的電流增大，該電流在恒定磁場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)反饋力與所加載荷相平衡；同時(shí)，該電流在測(cè)量電阻Rm上的電壓值通過濾波器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器送入微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由顯示器自動(dòng)顯示出被稱物質(zhì)量數(shù)值。
天平的基本原理
天平是實(shí)驗(yàn)室中常用的儀器。天平是一種衡器，是衡量物體質(zhì)量的儀器。它依據(jù)杠桿原理制成，在杠桿的兩端各有一小盤，一端放砝碼，另一端放要稱的物體，杠桿中央裝有指針，兩端平衡時(shí)，兩端的質(zhì)量（重量）相等。這些道理對(duì)學(xué)過物理學(xué)的人來說已經(jīng)是老生常談了?，F(xiàn)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(fā)展成今天這個(gè)樣子的，它還有一段發(fā)展史呢！
天平的發(fā)明很早。在埃及尼羅河三角洲盛產(chǎn)一種水生植物，很像我國多水地區(qū)生長(zhǎng)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(xiàn)。我們現(xiàn)在所知道的古埃及的情況，特別是科學(xué)技術(shù)的歷史發(fā)展情況，很多都是來源于紙草書上的記載。當(dāng)然，紙草書上的文字不是現(xiàn)代文字，而是一種象形文字，經(jīng)過很多專家的研究才讀懂了那種文字。據(jù)紙草書的記載，早在公元前1500多年，埃及人就已經(jīng)使用天平了，還有人說，埃及人使用天平的時(shí)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(jīng)有了現(xiàn)代天平的輪廓，成為現(xiàn)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鉆個(gè)孔，橫穿一根棍兒，在棍的兩端各用繩子掛上一個(gè)盤子。這種天平使用了很長(zhǎng)時(shí)間，直到大約公元前500年，羅馬的“桿稱”才出現(xiàn)，桿稱靠移動(dòng)稱砣的位置來保持與被稱物品重量的平衡，實(shí)際上是將天平的一端（放砝碼端）由固定式變成活動(dòng)式，其好處是只要配上一個(gè)稱砣就可以了，而天平的砝碼要好幾個(gè)。桿稱也是用繩子吊一個(gè)盤子，再用繩子吊一個(gè)稱砣，除一端可活動(dòng)外，基本形式與天平相同。
人們?cè)谑褂锰炱胶蜅U稱過程中，感到用繩子吊一個(gè)盤子是一件很麻煩的事，使用起來很不方便。于是，有人想去掉這討厭的繩子，17世紀(jì)中葉，法國數(shù)學(xué)家洛貝爾巴爾發(fā)明了擺動(dòng)托盤天平，托盤天平的發(fā)明被認(rèn)為是對(duì)古老的吊式天平的重大改進(jìn)，至今，托盤天平仍在被廣泛使用。下圖畫的是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中常見的一種托盤天平，比17世紀(jì)的托盤天平有了很大改進(jìn)。圖中1是天平橫梁，兩端各支撐一個(gè)稱盤2。這兩部分構(gòu)成了托盤天平的骨架，體現(xiàn)了托盤天平的基本設(shè)計(jì)原理，見下面的示意圖：當(dāng)橫梁1平衡時(shí)，力矩相等，F(xiàn)1L1=F2L2，F(xiàn)1＝m1g， F2=m2g，L1=L2，∴m1gL1＝m2gL2，m1=m2，這就是說，由已知砝碼的質(zhì)量可知被稱量物的質(zhì)量。下圖中3為指針，4是刻度盤，指針正對(duì)準(zhǔn)刻度盤中心表示兩端達(dá)到平衡，5為游碼標(biāo)尺，6是游碼，7是調(diào)零螺母。與天平配套的還有砝碼。
應(yīng)當(dāng)指出，托盤天平的發(fā)明并沒有使吊式天平退出歷史舞臺(tái)，相反，吊式天平不僅為人們繼續(xù)使用，特別是科學(xué)家們?nèi)岳^續(xù)使用著，而且在使用中不斷改進(jìn)，現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的精密天平大都是吊式的，而托盤天平在日常生產(chǎn)和生活中用的較多，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中大多在精確性要求不太高的稱量中使用。
天平的發(fā)展史
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中較早使用天平的有英國化學(xué)家布萊克，他生活和工作于18世紀(jì)，那個(gè)時(shí)候，正是化學(xué)中不斷發(fā)現(xiàn)氣體、并開始建立理論的時(shí)期。布萊克在化學(xué)研究中非常重視實(shí)驗(yàn)，而且是第一個(gè)應(yīng)用定量的方法研究氣體的人。1755年，他寫了一篇論文，內(nèi)容是對(duì)石灰石等堿性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究。論文中提到，他發(fā)現(xiàn)將石灰石煅燒會(huì)產(chǎn)生氣體。于是，他在煅燒前稱量了石灰石的重量，煅燒后再次稱量重量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石灰石經(jīng)過煅燒重量減少了44％，他認(rèn)為這個(gè)重量正是從中釋放出的氣體的重量。在此基礎(chǔ)上，他又進(jìn)行了多方面的研究，比如，他將石灰石與酸作用，發(fā)現(xiàn)也有氣體產(chǎn)生，用石灰水吸收這種氣體，并進(jìn)行了定量研究，他發(fā)現(xiàn)這種氣體的重量與煅燒石灰石產(chǎn)生的氣體的重量相等，由此他認(rèn)識(shí)到，石灰石中固定著一種氣體，他稱之為“固定空氣”（即現(xiàn)在我們熟知的二氧化碳）。從布萊克的實(shí)驗(yàn)研究中可以了解到，他進(jìn)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(shí)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，橫梁又掛在另一個(gè)稱鉤上。布萊克正是用這個(gè)天平進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，而且做出了發(fā)現(xiàn)的，這個(gè)天平的使用，不僅在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中建立了定量方法，而且對(duì)天平的進(jìn)一步發(fā)展、改良，也是重要的。
布萊克之后，英國化學(xué)家亨利.卡文迪許也進(jìn)行過精密的定量實(shí)驗(yàn)，據(jù)說還曾設(shè)計(jì)制造過天平，由于卡文迪許本人的生平資料不詳，現(xiàn)在很難確切知道他是何時(shí)和如何設(shè)計(jì)、制造天平的。后來，卡文迪許用過的天平曾在皇家科學(xué)院展覽。這架天平放在柜內(nèi)，天平的式樣從外面看不太清楚，見下圖：
我們知道，法國著名化學(xué)家拉瓦錫，是一位非常重視定量研究的人，他經(jīng)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，并且建立了科學(xué)的氧化燃燒理論。應(yīng)用定量方法研究化學(xué)變化，必須假定化學(xué)變化前后物質(zhì)質(zhì)量守恒，由此拉瓦錫確立了質(zhì)量守恒定律。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(shè)計(jì)和制造儀器，也沒有設(shè)計(jì)和制造過天平，不過，18世紀(jì)的法國，天平比較普及，有許多小店鋪就出售天平，拉瓦錫可能得益于這種良好的條件。我們?cè)谙聢D看到的是18世紀(jì)的法國天平的式樣，或許是當(dāng)時(shí)天平中的一種式樣。
18世紀(jì)末英國也已經(jīng)制造出了一種天平，橫梁中央嵌上一個(gè)鋼質(zhì)的刀口。把它放在瑪瑙盤中，大大提高了精密度和靈敏度。當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了一些天平設(shè)計(jì)家和制造家，不過，據(jù)說天平的價(jià)格比較貴，而且要先預(yù)定，不像法國，天平雖不那么精密，但比較容易買到。下圖展示的是一個(gè)費(fèi)德勒的人為皇家學(xué)會(huì)制造的一架天平，曾在倫敦科學(xué)博物館展出。
在英國，使用天平的不限于化學(xué)家和科學(xué)家，普通醫(yī)藥商店也常用天平，化學(xué)原子論的提出者道爾頓，在科學(xué)研究中經(jīng)常使用天平，由于道爾頓在化學(xué)史上的重要地位和他在英國科學(xué)界的影響，使他成了著名人物，成了著名化學(xué)家，他使用過的天平據(jù)說也成了不凡之物，后來為英國曼徹斯特文學(xué)和哲學(xué)會(huì)所有，并為該會(huì)收藏。道爾頓曾經(jīng)是這個(gè)學(xué)會(huì)的會(huì)員。
19世紀(jì)20年代，倫敦有一位儀器設(shè)計(jì)家叫羅賓遜，他開始設(shè)計(jì)和制造分析天平，不僅英國，就連美國在一個(gè)時(shí)期里都使用這種天平。羅賓遜用空心材料做橫梁，把梁做成三角形，豎梁中部有指針。
有刻度橫梁和游碼的天平，大約也是在19世紀(jì)誕生的（前面介紹托盤天平時(shí)，在圖中橫梁上標(biāo)有刻度和游碼），究竟誰是這種天平的發(fā)明人有不同說法，也存在爭(zhēng)議?？墒?851年在倫敦召開了一次國際博覽會(huì)，英國和歐洲大陸國家的一些主要天平制造商都參加了，經(jīng)博覽會(huì)審查團(tuán)審議，最后把最高獎(jiǎng)獎(jiǎng)給了奧耶領(lǐng)，以表彰他在有刻度橫梁和滑動(dòng)裝置（即游碼）天平的制造上所做的貢獻(xiàn)，由此看來，奧耶領(lǐng)的發(fā)明權(quán)得到了國際上的確認(rèn)。
在很長(zhǎng)時(shí)期里，天平制造業(yè)中流行一種理論，認(rèn)為天平的橫梁越長(zhǎng)天平越靈敏。但是有一個(gè)叫波爾.邦格的人卻不受這種理論的限制，1866年，他設(shè)計(jì)、制造了一架短橫梁分析天平。后來，在平天設(shè)計(jì)理論方面，他也有建樹。下圖所示的就是1866年邦格制造的最早的一臺(tái)短梁天平。
天平的改進(jìn)，除了橫梁、接觸點(diǎn)、游碼、刻度等方面以外，還表現(xiàn)在其它方面，例如，19世紀(jì)前半期，已經(jīng)出現(xiàn)了旋鈕天平。旋鈕天平有什么優(yōu)點(diǎn)呢？原來，早期的天平，橫梁架在豎直的柱上，用時(shí)和不用時(shí)都是一樣的。后來分析天平出現(xiàn)了，分析天平的刀口用瑪瑙制成，為了減少刀口的損傷，不用平天時(shí)，將天平橫梁架在一個(gè)架子上，讓刀口不再受力，用時(shí)再將刀口架在支撐碗上。這些都是通過旋紐裝置控制的?，F(xiàn)代分析天平都有旋紐裝置。下圖是1833年制造的一臺(tái)旋紐天平。
隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，天平的設(shè)計(jì)和制造不斷取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。正是經(jīng)過一代一代人的不懈努力，經(jīng)過技術(shù)的積累和提高，才有了今天的各式各樣的現(xiàn)代天平。如今，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，常用的天平有：托盤天平，正如前面講過的，用于精確度要求不高或測(cè)定物料的大致質(zhì)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(shè)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梁的搖動(dòng)，電光天平從外觀上看不見砝碼，能看到放置要測(cè)物的稱盤，砝碼的加減用旋轉(zhuǎn)刻度盤操作，稱量的數(shù)值可通過投影刻度標(biāo)尺直接讀出?！ ?/p>
| 關(guān)于“天平”的留言： |  訂閱討論RSS
|
|
目前暫無留言 | |
| 添加留言 | |