天平
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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”，稱量小物時才用天平。
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(軸)在梁的中心支著天平梁而形成兩個臂,每個臂上掛著一個盤,其中一個盤里放著已知重量的物體,另一個盤里放待稱重的物體,固定在梁上的指針在不擺動且指向正中刻度時的偏轉(zhuǎn)就指示出待稱重物體的重量。
使用注意事項
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.
4.被測物體的質(zhì)量不能超過稱量或低于感量.
5.潮濕的物體和化學藥品不能直接放在天平的盤中.
6.稱量時注意左物右碼
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械天平，是利用等臂杠桿平衡原理，將被測物與相應砝碼比較衡量，從而確定被測物質(zhì)量的一種衡器。廣義的天平則包括雙盤等臂機械天平、單盤不等臂機械天平和電子天平3類。
雙盤等臂機械天平 一般按結(jié)構(gòu)分為普通標牌天平、微分標牌天平和架盤天平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砝碼的天平。
分析天平是用于化學分析和物質(zhì)精確衡量的高準確度天平。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。
天平的組成
普通標牌天平 主要由立柱、橫梁、吊掛系統(tǒng)、底座和制動裝置組成。
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，在天平不工作時支托橫梁。在橫梁中部裝有一把中刀。天平工作時，中刀擱置在與升降桿頂端連接的刀承上，作為支點。中刀兩邊裝有兩把邊刀，分別作為重點和力點，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尺，標尺上有一移動游碼。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。
底座裝有兩個調(diào)整天平水平的螺旋調(diào)整腳，底座上面還安置有水準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，通過中刀承將橫梁托起或落下，以開啟或關(guān)閉天平。
幾種特殊的天平
微分標牌天平 結(jié)構(gòu)與普通標牌天平相似，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，稱量時能使橫梁迅速停止擺動，便于定點準確讀數(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械加碼（一般為10～999mg）或全量程機械加碼裝置，以代替人工加碼。微分標牌天平的最小分度值一般都在0.1mg以上，準確度也比普通標牌天平高。
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。砝碼或被稱物在處于秤盤前后位置時會引起秤盤盤架和橫梁前后傾側(cè)，在處于秤盤左右位置時會引起秤盤盤架的左右傾倒。為克服此缺點，架盤天平采取了加長中刀、邊刀和加寬刀架的措施，并在結(jié)構(gòu)設計上采用了羅伯威爾（Roberval）機構(gòu)。在羅伯威爾機構(gòu)中，桿桿AB、A′B′與縱桿AA′、BB′、支柱EE′鉸鏈連接，組成兩個相等的平行四邊形AA′E′E和EE′B′B。當大小相等的力P、P′分別作用于左右橫臂上時，對支柱來說，即使作用的位置不對稱，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，當將與縱桿AA′的距離為d的力P作用于橫臂上時，就有一個與P大小相等、方向相同的力作用于A和A′點;同時，有一個值為P.d的轉(zhuǎn)矩作用于縱桿AA′，從而在A點將杠桿拉向左側(cè)，而在A′點將杠桿推向右側(cè)。但由于杠桿受到EE′點的限制，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,使天平的擺動能迅速停止.
單盤不等臂機械天平 也是以杠桿平衡原理設計的。工作時，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 利用游標原理,能比較準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，具有自動校準、自動顯示、去皮重、自動數(shù)據(jù)輸出、自動故障尋跡、超載保護等多種功能。電子天平通常使用電磁力傳感器(見稱重傳感器)，組成一個閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，準確度高，穩(wěn)定性好。電子天平的工作原理如圖 5所示。當秤盤上加上被稱物時，傳感器的位置檢測器信號發(fā)生變化，并通過放大器反饋使傳感器線圈中的電流增大，該電流在恒定磁場中產(chǎn)生一個反饋力與所加載荷相平衡；同時，該電流在測量電阻Rm上的電壓值通過濾波器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器送入微處理器，進行數(shù)據(jù)處理，最后由顯示器自動顯示出被稱物質(zhì)量數(shù)值。
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，杠桿中央裝有指針，兩端平衡時，兩端的質(zhì)量（重量）相等。這些道理對學過物理學的人來說已經(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。我們現(xiàn)在所知道的古埃及的情況，特別是科學技術(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世紀中葉，法國數(shù)學家洛貝爾巴爾發(fā)明了擺動托盤天平，托盤天平的發(fā)明被認為是對古老的吊式天平的重大改進，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世紀的托盤天平有了很大改進。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計原理，見下面的示意圖：當橫梁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，指針正對準刻度盤中心表示兩端達到平衡，5為游碼標尺，6是游碼，7是調(diào)零螺母。與天平配套的還有砝碼。
應當指出，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，特別是科學家們?nèi)岳^續(xù)使用著，而且在使用中不斷改進，現(xiàn)代廣泛應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，在科學實驗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
在化學實驗中較早使用天平的有英國化學家布萊克，他生活和工作于18世紀，那個時候，正是化學中不斷發(fā)現(xiàn)氣體、并開始建立理論的時期。布萊克在化學研究中非常重視實驗，而且是第一個應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％，他認為這個重量正是從中釋放出的氣體的重量。在此基礎上，他又進行了多方面的研究，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，橫梁又掛在另一個稱鉤上。布萊克正是用這個天平進行化學實驗研究，而且做出了發(fā)現(xiàn)的，這個天平的使用，不僅在化學實驗中建立了定量方法，而且對天平的進一步發(fā)展、改良，也是重要的。
布萊克之后，英國化學家亨利.卡文迪許也進行過精密的定量實驗，據(jù)說還曾設計制造過天平，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計、制造天平的。后來，卡文迪許用過的天平曾在皇家科學院展覽。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，并且建立了科學的氧化燃燒理論。應用定量方法研究化學變化，必須假定化學變化前后物質(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計和制造儀器，也沒有設計和制造過天平，不過，18世紀的法國，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世紀的法國天平的式樣，或許是當時天平中的一種式樣。
18世紀末英國也已經(jīng)制造出了一種天平，橫梁中央嵌上一個鋼質(zhì)的刀口。把它放在瑪瑙盤中，大大提高了精密度和靈敏度。當時出現(xiàn)了一些天平設計家和制造家，不過，據(jù)說天平的價格比較貴，而且要先預定，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德勒的人為皇家學會制造的一架天平，曾在倫敦科學博物館展出。
在英國，使用天平的不限于化學家和科學家，普通醫(yī)藥商店也常用天平，化學原子論的提出者道爾頓，在科學研究中經(jīng)常使用天平，由于道爾頓在化學史上的重要地位和他在英國科學界的影響，使他成了著名人物，成了著名化學家，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和哲學會所有，并為該會收藏。道爾頓曾經(jīng)是這個學會的會員。
19世紀20年代，倫敦有一位儀器設計家叫羅賓遜，他開始設計和制造分析天平，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世紀誕生的（前面介紹托盤天平時，在圖中橫梁上標有刻度和游碼），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國際博覽會，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)博覽會審查團審議，最后把最高獎獎給了奧耶領(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，由此看來，奧耶領(lǐng)的發(fā)明權(quán)得到了國際上的確認。
在很長時期里，天平制造業(yè)中流行一種理論，認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，他設計、制造了一架短橫梁分析天平。后來，在平天設計理論方面，他也有建樹。下圖所示的就是1866年邦格制造的最早的一臺短梁天平。
天平的改進，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。現(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。
隨著科學的發(fā)展、技術(shù)的進步，天平的設計和制造不斷取得長足的進展。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尺直接讀出。
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