解讀物理天平使用中的幾個(gè)要點(diǎn)

張廣平

（隴東學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽745000）

在物理實(shí)驗(yàn)中物理天平的重要性是不言而喻的.使用中，操作者了解天平的安裝、調(diào)整、衡量和記錄幾個(gè)方面的要點(diǎn)，能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性并延長天平的使用壽命.

1 安 裝

物理天平的正確安裝是確保正常測量的前提，也是天平使用中的一個(gè)要點(diǎn).在天平安裝中，具體要注意以下幾個(gè)要點(diǎn).

1）按號(hào)安裝.天平在出廠時(shí)經(jīng)過檢驗(yàn)是合格的，每個(gè)天平的橫梁、吊耳、盤梁、秤盤都有左右編號(hào)，一般是左1右2.安裝時(shí)編號(hào)1應(yīng)在左邊，編號(hào)2應(yīng)在右邊.否則，將導(dǎo)致天平出現(xiàn)調(diào)不平的現(xiàn)象.

2）橫梁安裝.橫梁安裝將有刻度線的一側(cè)面向操作者，即橫梁編號(hào)1在操作者左邊，使操作者方便讀取游標(biāo)數(shù)值和橫梁調(diào)平.

3）吊耳安裝.天平使用中，有時(shí)操作者將吊耳掛錯(cuò)位置.如吊耳掛在支點(diǎn)刀的內(nèi)側(cè)、外側(cè)或內(nèi)外側(cè)，破壞天平的等臂性，導(dǎo)致天平調(diào)不平.

4）游碼錯(cuò)位.天平游碼的使用是不可缺少的.天平安裝時(shí)如果操作者不慎，沒有把游碼放置零刻度線上，將導(dǎo)致游碼讀數(shù)出錯(cuò).也會(huì)導(dǎo)致天平調(diào)不平.

5）調(diào)換零件.幾臺(tái)天平使用時(shí)，操作者調(diào)換不同天平的掛件（如吊耳、盤梁或秤盤）后，也會(huì)出現(xiàn)天平調(diào)不平.廠家為防這種現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)天平、盤梁或秤盤進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào).

2 調(diào) 整

物理天平除安裝外，調(diào)整也很關(guān)鍵.安裝好的天平調(diào)整達(dá)標(biāo)才能使用.天平底板不水平時(shí)，支點(diǎn)刀呈傾斜，致使支點(diǎn)刀在擺動(dòng)中兩側(cè)摩擦力不同，天平會(huì)出現(xiàn)向一側(cè)“溜”的現(xiàn)象［1］，調(diào)整中具體要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

圖1 水準(zhǔn)泡特殊位置

1）底板調(diào)整.天平在底板上裝有水準(zhǔn)器，調(diào)整低板上的水平螺絲，使水準(zhǔn)器的水準(zhǔn)泡處在參考圓內(nèi)即可.底板在調(diào)整時(shí)，水準(zhǔn)泡始終在高處，根據(jù)水準(zhǔn)泡的位置，選擇要調(diào)節(jié)的水平螺絲.如圖1所示，水準(zhǔn)泡在水準(zhǔn)器中心與左（右）水平螺絲連線的內(nèi)側(cè)1（2）和外側(cè)3（4），這時(shí)要調(diào)節(jié)左（右）水平螺絲；水準(zhǔn)泡在2個(gè)水平螺絲和水準(zhǔn)器中心所形成的角平分線內(nèi)側(cè)5和外側(cè)6，這時(shí)要同時(shí)同向調(diào)節(jié)2個(gè)水平螺絲.要注意一種“假象”：當(dāng)?shù)装鍍A斜比較明顯時(shí)，即使水平螺絲旋轉(zhuǎn)方向正確，水準(zhǔn)泡也會(huì)不動(dòng).操作者誤以為水平螺絲旋轉(zhuǎn)方向錯(cuò)誤，并且發(fā)現(xiàn)水平螺絲順時(shí)針和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)水準(zhǔn)泡都不動(dòng)，認(rèn)為水準(zhǔn)器壞了.其實(shí)，水準(zhǔn)泡在底板接近水平時(shí)才很“敏感”.一般用于4～6級(jí)天平的水準(zhǔn)器靈敏度為12′，用于7～10級(jí)天平的水準(zhǔn)器靈敏度為16′［2］.因此，水平螺絲調(diào)整方向正確水準(zhǔn)泡初開時(shí)也不一定“敏感”.注意到這一點(diǎn)才能很快調(diào)平底板，并要判斷清楚水平螺絲怎樣旋轉(zhuǎn)，底板是升高還是降低.另外，在底板調(diào)整中，會(huì)出現(xiàn)水準(zhǔn)泡沿參考圓外側(cè)“轉(zhuǎn)圈”的情況，這時(shí)在水準(zhǔn)泡特殊位置1～6時(shí)再判斷該怎樣調(diào)節(jié)較好.

2）橫梁調(diào)整.在天平橫梁調(diào)整時(shí)，首先要確保左右掛件位置正確，吊耳懸掛在支點(diǎn)刀上，橫梁方位正確，游碼位置準(zhǔn)確.其次再調(diào)整橫梁上的2個(gè)調(diào)節(jié)螺母位置使橫梁平衡.一般天平正確安裝都可以調(diào)整橫梁使其平衡.如遇到天平安裝正確而調(diào)不平橫梁可以采取配重調(diào)平的辦法來調(diào)整［3］.

3）支架調(diào)整.天平橫梁中間有1個(gè)支點(diǎn)刀在刀承上支起橫梁，橫梁在擺動(dòng)中會(huì)磨損支點(diǎn)刀造成天平靈敏度下降.設(shè)計(jì)中考慮到了這一點(diǎn)，用支架來保護(hù)中間支點(diǎn)刀，支架上的支點(diǎn)高低可通過本身的螺絲來調(diào)整，使天平關(guān)閉時(shí)橫梁剛好落在2個(gè)支點(diǎn)位置上，限制橫梁的擺動(dòng)而起到保護(hù)支點(diǎn)刀的作用.

4）感量砣調(diào)整.感量砣在天平橫梁的指針上，當(dāng)感量砣位置改變時(shí)，天平的感量也會(huì)改變.靈敏度指的是天平對(duì)負(fù)載變化反應(yīng)的靈敏程度，用指針的角位移或其尖端的線位移與負(fù)載變化之比表示.靈敏度除了與天平本身的一些因素有關(guān)外，還與負(fù)載的質(zhì)量及感量砣的位置有關(guān).靈敏度與感量成倒數(shù)關(guān)系，感量又決定了游標(biāo)刻度的最小分度.測量中，可以通過改變感量砣的位置調(diào)靈敏度，原則是指針偏離中間刻度線1格所示質(zhì)量數(shù)與天平分度值及橫梁刻線的分度值代表的質(zhì)量數(shù)一致.如感量是100mg的物理天平，在右盤中加上100mg的微小砝碼，則指針應(yīng)偏離讀數(shù)標(biāo)牌中間線1格.當(dāng)天平加一定質(zhì)量的砝碼時(shí)，指針的偏角是一定的，這個(gè)偏角與感量砣的位置有關(guān).一般感量砣位置在距它的上止點(diǎn)2～8cm處可滿足靈敏度要求［4］.

3 衡 量

物理天平通過正確安裝與調(diào)整才能進(jìn)行衡量.衡量中為防超量程和為快速衡量，使用前除需要了解天平銘牌中的量程和感量外.還需要注意以下幾個(gè)具體的要點(diǎn).

1）開關(guān)旋鈕.天平立柱下端有1個(gè)開關(guān)旋鈕，用于開啟和關(guān)閉天平.操作者應(yīng)左手不離開關(guān)旋鈕，便于快速進(jìn)行衡量.衡量時(shí)不必將開關(guān)旋鈕旋到底，旋轉(zhuǎn)約30°即可，不要讓天平橫梁多次擺動(dòng)，眼睛不要一直盯著橫梁上的刻度尺，而要看指針下端的讀數(shù)標(biāo)牌，根據(jù)指針偏的方向判斷怎樣加減砝碼.

2）鑷子拿法.在使用天平時(shí)，需用右手拿鑷子夾砝碼.有些操作者感到鑷子夾在砝碼“頸”處很難夾穩(wěn)，一夾砝碼就向鑷子開口端滑脫了，這得從鑷子對(duì)砝碼的作用力說起.如圖2所示，鑷子是1個(gè)“劈”，當(dāng)鑷子的兩壁對(duì)砝碼的作用力為F1和F2，合力為F，如果合力F大于鑷子壁與砝碼之間的靜摩擦力時(shí)，砝碼會(huì)滑脫，只有當(dāng)夾砝碼的作用力比較小時(shí)才不至于讓砝碼滑脫.可見，越想把砝碼夾緊，砝碼“飛”得越遠(yuǎn).想要控制好砝碼一方面夾砝碼的作用力要小，另一方面鑷子開口端要稍高于鑷子閉合端.

圖2 鑷子對(duì)砝碼作用力示意圖

3）加減砝碼.天平衡量質(zhì)量時(shí)需多次加減砝碼，加減砝碼次數(shù)越少，衡量速度越快.只有按“由大到小，確定范圍”的原則，才能避免亂加砝碼.衡量中發(fā)現(xiàn)有操作者先把小砝碼用光又替換為等量大砝碼.現(xiàn)行砝碼組合為“5，2，2，1”形式的倍率.如果衡量估計(jì)質(zhì)量在100～50g之間的物體質(zhì)量，先加100g，偏重后退100g再加50g，發(fā)現(xiàn)偏輕后說明質(zhì)量范圍在100～50g之間；再在50g的基礎(chǔ)上加20g，偏輕說明質(zhì)量范圍在100～70g之間，偏重說明質(zhì)量范圍在70～50g之間.如果在70～50g之間顯示偏重（有50g和20g），只能退20g加10g再判斷輕重.如此類推，加減砝碼是由100g，50g，20g，10g，…這樣由大到小，并且每步知道待測物質(zhì)量范圍.

對(duì)1g以下可借助于游碼進(jìn)行衡量，對(duì)游碼按“中值法”原則.即添加砝碼的質(zhì)量在0～1g之間時(shí)取中值500mg，偏重說明添加砝碼的質(zhì)量在0～500mg之間，再取中值250mg，偏輕說明添加砝碼的質(zhì)量在250～500mg之間，再取中值375mg，如此類推，將添加砝碼的范圍由500mg，250mg，125mg依次減小.125mg以后可用讀數(shù)標(biāo)牌中指計(jì)偏轉(zhuǎn)的格數(shù)讀取數(shù)值，天平最后的讀數(shù)是砝碼讀數(shù)加游碼讀數(shù)再加標(biāo)牌讀數(shù)之和.

4）取放物品.天平衡量物體質(zhì)量時(shí)，都要從左秤盤取放待測物，從右秤盤取放砝碼.在取放物品時(shí)，需要注意左右秤盤放的待測物和砝碼應(yīng)在秤盤中間，以減少測量誤差.另外，在右秤盤加減砝碼時(shí)應(yīng)在天平關(guān)閉的狀態(tài)下操作，這樣有利于保護(hù)天平.

4 記 錄

物理天平衡量出待測物體質(zhì)量，需正確記錄待測物的質(zhì)量數(shù)據(jù).采用物理天平重復(fù)測量讀數(shù)值往往相同，一般進(jìn)行單次測量即可.單次測量的讀數(shù)即為近似真實(shí)值.記錄時(shí)“示值誤差”取感量的一半，作為儀器誤差來處理.如感量為0.1g的物理天平，儀器誤差可取0.05g，測量結(jié)果中有效數(shù)字應(yīng)保留到g的百分位即可［5］.

5 結(jié)束語

通過解讀物理天平在使用中的幾個(gè)要點(diǎn)，引起操作者重視在裝、調(diào)、量和記中的細(xì)節(jié)問題，有意加強(qiáng)訓(xùn)練，才能快速操作天平，正確衡量質(zhì)量，規(guī)范記錄數(shù)據(jù)，對(duì)快速熟練撐握天平使用技巧具有普遍適用性.

［1］湖南省計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)管理局《天平與砝碼》編寫組.天平與砝碼［M］.北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1979：232.

［2］機(jī)械工業(yè)部儀器儀表工業(yè)局.天平與砝碼裝校工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：47.

［3］李德地.關(guān)于天平配重調(diào)平的相關(guān)問題［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010（10）：166.

［4］劉愛國.物理天平的靈敏度與感量砣［J］.物理教師，1995（3）：27-28.

［5］李高清，張廣平，李本印.物理實(shí)驗(yàn)［M］.蘭州：甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，2003：14.