用天平测量质量.docx
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用天平测量质量
3.3.1用天平测量质量
(本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》)
天平是一种测量物体引力质量的仪器,其种类繁多,应用广泛,不仅在物理、化学、生物、材料等众多学科的实验中发挥重要的作用,而且作为计量工具,在工农业生产、市场经济和技术部门也发挥了巨大的作用。
天平的分类有各种方法,如按天平结构分类,按天平精度分类,按用途或称量范围分类等。
这里仅介绍按天平结构分类的方法,见图3.3.1-1,其他分类方法参阅计量手册和有关书籍。
除常规天平外,通过对天平附加某些特殊装置或对天平结构进行改造,可使之成为专用天平。
例如真空天平、温差天平、测量物质的磁天平、测气压的压力天平,测气体密度的气体密度天平等,了解和熟习各种天平的结构和特点,有利于开阔眼界,激发思维,为今后选用和设计仪器打下基础。
本实验要求学生了解天平的类型及结构特征,掌握用天平精确称量物体质量的基本方法,学会测定物质密度的基本方法,学会消除天平不等臂误差的方法和间接测量的数据处理方法。
实验原理
1.天平的结构和测量原理
现以我国目前广泛使用的TG-328B型光电天平为例,其结构如图3.3.1-2所示。
它由横梁、立柱、制动系统、悬挂系统、框罩、读数系统等构成。
(1)横梁是“天平的心脏”,天平通过它的杠杆作用实现称量,因此横梁的设计、用料、加工都直接影响它的精度和计量性能。
材料一般采用铝或铜合金,高精度天平则采用非磁性的不锈钢或膨胀系数很小的钛合金。
(2)立柱是“天平的脊梁”,作为支撑横梁的骨架。
它是一空心金属柱,垂直地固定在底板上,柱内有制动器升降杆,可带动梁托架和托盘翼板上下运动。
(3)制动系统是控制天平工作和制止横梁及悬挂系统摆动的装置,包括开关旋钮(17)、开关轴(底板下)、升降杆(立柱内)、盘托翼(底板下)等部件。
旋转开关时,与旋钮相连的开关轴使升降杆上升,带动梁托架和盘托同时下降,此时中刀落在立柱的刀承上,左右耳背落在两只边刀上,秤盘可自由摆动,使天平进入工作状态。
反之,关闭旋钮时,天平处于休止状态。
(4)悬挂系统包括秤盘、吊耳和内阻尼筒等部件。
(5)框罩的作用除了保护天平外,还可防止外界气流、热辐射、湿度和灰尘等对称量的影响。
(6)读数系统见图3.3.1-3。
天平的读数方法:
质量=右砝码读数+圈码指示盘读数+投影屏上的读数,例如天平达到平衡位置时,右盘砝码为20g,圈码和投影屏显示如图3.3.1-4所示。
右盘砝码读数:
20g;圈码指示盘读数:
0.230g;投影屏幕上的读数:
0.0016g。
此时,物质的质量是:
20g+0.230g+0.0016g=20.2316g。
2.天平的精密称衡方法
(1)交换称衡法(亦称复称法)
为了观察和消除可能存在的天平不等臂误差(指这种不等臂误差很小时,否则就要作结构调整了),常用的方法就是交换称衡法,即先将被测物体放在左盘,砝码放在右盘,称出质量m左,然后将被测物体放在右盘,砝码放在左盘,称出质量m右,观察m左和m右的差异值Δm,以此判断不等臂误差的情况。
若Δm较小,在天平和砝码的允许误差范围内,重复多次测量,可以近似用公式
(1)求出待测物体的质量
,消除天平的不等臂误差
(1)
交换称衡法适用于各种等臂天平,是物体质量精密测量和砝码检验的基本方法之一,并可对横梁不等臂性误差进行计算和修正。
(2)替换法
直接替换法适用于等臂和不等臂天平,将标准砝码B置于右盘上,而把与待测务质量相同(同名义质量)的平衡重物T放在左盘,使天平达到平衡,重复数次,记下平衡点位置LB(或记下此时的称量值)。
取出标准砝码(或取出同样质量的平衡重物),换上待测物体A,若天平的平衡状态被破坏,则在比较盘中添加或减少标准小砝码b,使天平重新达到平衡,重复数次,记下新的平衡点位置LA(或记下此时的称量值),待测物体的质量由式
(2)给出
(2)
S为最小分度值,mb为添加或减少的标准小砝码,第二项由替换前后指针偏转方向所定,第三项与在比较盘中是添加还是减少标准小砝码有关。
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