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天平的基本原理
閱讀：4686 發(fā)布時(shí)間：2011-7-12
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(guò)物理學(xué)的人來(lái)說(shuō)已經(jīng)是老生常談了。現(xiàn)代的天平，越來(lái)越精密，越來(lái)越靈敏，種類也越來(lái)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！ 天平原理示意圖
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(guó)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(guó)家的文字中的紙就是從紙草的拉丁文演變而來(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)，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(lái)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(guò)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(lái)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(guó)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)，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(shuō)，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)中大多在性要求不太高的稱量中使用。