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天平的基本原理“天平的使用方法”天平專賣
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(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*裝有指針，兩端平衡時，兩端的質(zhì)量（重量）相等。這些道理對學(xué)過物理學(xué)的人來說已經(jīng)是老生常談了。現(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，很像我國多水地區(qū)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(xiàn)，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。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)明了擺動托盤天平，托盤天平的發(fā)明被認(rèn)為是對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)在實驗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)計原理，見下面的示意圖：當(dāng)橫梁1平衡時，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，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)實驗中大多在精確性要求不太高的稱量中使用。
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天平的發(fā)展史：
在化學(xué)實驗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)，那個時候，正是化學(xué)中不斷發(fā)現(xiàn)氣體、并開始建立理論的時期。布萊克在化學(xué)研究中非常重視實驗，而且是*個應(yīng)用定量的方法研究氣體的人。1755年，他寫了一篇論文，內(nèi)容是對石灰石等堿性物質(zhì)的實驗研究。論文中提到，他發(fā)現(xiàn)將石灰石煅燒會產(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）。從布萊克的實驗研究中可以了解到，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，布萊克確實使用了天平，他用過的天平至今仍保存在愛丁堡*博物館中，下圖即是布萊克用過的天平。 用繩子掛著稱盤，橫梁又掛在另一個稱鉤上。布萊克正是用這個天平進(jìn)行化學(xué)實驗研究，而且做出了發(fā)現(xiàn)的，這個天平的使用，不僅在化學(xué)實驗中建立了定量方法，而且對天平的進(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)行過精密的定量實驗，據(jù)說還曾設(shè)計制造過天平，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和如何設(shè)計、制造天平的。后來，卡文迪許用過的天平曾在**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： 獅子天平
我們知道，法國*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)計和制造儀器，也沒有設(shè)計和制造過天平，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。我們在下圖看到的是18世紀(jì)的法國天平的式樣，或許是當(dāng)時天平中的一種式樣。 18世紀(jì)末英國也已經(jīng)制造出了一種天平，橫梁*嵌上一個鋼質(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)時出現(xiàn)了一些天平設(shè)計家和制造家，不過，據(jù)說天平的價格比較貴，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。下圖展示的是一個費(fèi)德勒的人為*學(xué)會制造的一架天平，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)*的重要地位和他在英國科學(xué)界的影響，使他成了*人物，成了*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)會所有，并為該會收藏。道爾頓曾經(jīng)是這個學(xué)會的會員。 19世紀(jì)20年代，倫敦有一位儀器設(shè)計家叫羅賓遜，他開始設(shè)計和制造分析天平，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，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，也存在爭議。可是1851年在倫敦召開了一次博覽會，英國和歐洲大陸的一些主要天平制造商都參加了，經(jīng)博覽會審查團(tuán)審議，zui后把zui高獎獎給了奧耶領(lǐng)，以表彰他在有刻度橫梁和滑動裝置（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)得到了上的確認(rèn)。 在很長時期里，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(shè)計、制造了一架短橫梁分析天平。后來，在平天設(shè)計理論方面，他也有建樹。下圖所示的就是1866年邦格制造的zui早的一臺短梁天平。 羅馬時代晚期的錢幣天平
天平的改進(jìn)，除了橫梁、接觸點、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)點呢？原來，早期的天平，橫梁架在豎直的柱上，用時和不用時都是一樣的。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，將天平橫梁架在一個架子上，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?，F(xiàn)代分析天平都有旋紐裝置。下圖是1833年制造的一臺旋紐天平。 隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，天平的設(shè)計和制造不斷取得長足的進(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)實驗室中，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，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(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。
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天平的使用方法：
1.要放置在水平的地方。游碼要歸零。 2.調(diào)節(jié)平衡螺母（天平兩端的螺母）調(diào)節(jié)零點直至指針對準(zhǔn)*刻度線。 3.左托盤放稱量物，右托盤放砝碼（左物右碼）。根據(jù)稱量物的性狀應(yīng)放在玻璃器皿或潔凈的紙上，事先應(yīng)在同一天平上稱得玻璃器皿或紙片的質(zhì)量，然后稱量待稱物質(zhì)。 4.添加砝碼從估計稱量物的zui大值加起，逐步減小。托盤天平只能稱準(zhǔn)到0.1克。加減砝碼并移動標(biāo)尺上的游碼，直至指針再次對準(zhǔn)*刻度線。 5.過冷過熱的物體不可放在天平上稱量。應(yīng)先在干燥器內(nèi)放置至室溫后再稱。 6.物體的質(zhì)量 =砝碼+游碼 7.取用砝碼必須用鑷子，取下的砝碼應(yīng)放在砝碼盒中，稱量完畢，應(yīng)把游碼移回零點。 8.稱量干燥的固體藥品時，應(yīng)在兩個托盤上各放一張相同質(zhì)量的紙，然后把藥品放在紙上稱量。 9.易潮解的藥品，必須放在玻璃器皿上（如：小燒杯、表面皿）里稱量。 10.砝碼若生銹，測量結(jié)果偏?。豁来a若磨損，測量結(jié)果偏大。使用注意： 1.事先把游碼移至0刻度線,并調(diào)節(jié)平衡螺母，使天平左右平衡。 2.右放砝碼，左放物體。 3.砝碼不能用手拿，要用鑷子夾取。在使用天平時游碼也不能用手移動。 4.過冷過熱的物體不可放在天平上稱量。應(yīng)先在干燥器內(nèi)放置至室溫后再稱。 5.加砝碼應(yīng)該從大到小，可以節(jié)省時間。 6.在稱量過程中，不可再碰平衡螺母。
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