二、用天平称质量

天平的基本知识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、材料等众多科学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。1、天平的分类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。在这里我们介绍两种分类方法，其他分类方法参阅计量手册和有关书籍。（1）按天平结构分类（2）按量程范围及等级精度分类2、天平的结构图1为物理天平的结构图无论是那种天平，天平的结构大致可分为以下几部分：（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。材料一般采用铝或钢合金，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。)~,()~,()~(之间量程在称为高精度天平光电式分析天平摆动式分析天平空气阻尼分析天平分析天平之间称程范围一般在一般精度天平物理天平之间围在低精度天平一般称程范托盘天平量程分类gmgkggkgg电阻应变式电磁感应式电容式电感式电子式机械加码及阻尼装置具有光学读数部分或全微分标牌天平无阻尼器扭幅天平有阻尼器阻尼天平普通标牌天平等臂双盘天平机械加码装置等臂天平具有光学读数杠杆式结构分类)()()(图2为阻尼式分析天平结构图图1物理天平A—横梁；2~0B—刀口；C—立柱；D—刀承；2~1E—吊耳；2~1F—秤盘；G—止动旋钮；H—止动架I—铅锤；2~1J—底脚螺丝；2~1K—调平螺丝；L—指针；M—标尺；N—游码图2阻尼分析天平K—调平螺丝；N—游码；P—调灵敏度螺丝；2~1Q—阻尼盒；R—游码移动杆；其它与物理天平相同图3为光电分析天平结构图（3）制动系统是控制天平工作和制动横梁及悬挂系统摆动的装置，包括升降杆（立柱内）、盘托等部件。启动旋扭时，与旋扭相连接的开关轴使升降杆上升，带动梁托架和盘托同时运动，此时中刀落在立柱的刀承上，左右耳背落在两只边刀上，称盘可自由摆动，使天平进入工作状态。反之，关闭旋扭时，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）读数系统一般包括两部分，一部分是砝码，另一部分是游码。图3TG-328B型半自动光电天平1—横梁；2—平衡螺丝；3—吊耳；4—指针；5—支点；6—框罩；7—圈码；8指数盘；9—支柱；10—梁托架；11—阻尼筒；12—投影屏；13—秤盘；14—盘托；15—螺旋脚；16—脚垫；17—开关旋钮；18—零点微调杆；19—变压器；20—电源插头（6）天平的防护部件，除起到保护天平，还可防止外界气流、热辐射、湿度和灰尘等对称量的影响。3、天平的主要技术指标（1）天平的载量：是指天平所能承受的最大称程范围。（2）天平的灵敏度：是指天平两侧负载相差一个单位质量时，天平指针偏转的分格数。天平的敏度高，说明天平的性能好。当天平一则增加一小质量m时，指针向另一则偏转n个格（div），则天平的灵敏度等于单位质量divmns（1）（3）天平的感量：是指天平指针偏转一个分格时所加载的砝码数。数值小，说明天平的性能好，即仪器的分辨率高。天平的灵敏度与感量之间的关系互为倒数，则有divsR质量单位1（2）（4）天平几个点的概念：天平的停点是指天平指针摆动时最后所停在的位置；天平的零点是指天平空载时的停点；天平的平衡点是指天平调节平衡后空载时天平指针的停点；当天平调节为可测量状态时，天平的零点和天平的平衡点应该是同一个点。4、天平的测量误差在用天平称质量时，其测量误差主要来源于以下几个方面：（1）天平的示值误差：这部分误差主要属于系统误差（如天平的不等臂）和随机误差（如每一次读数的不同）。（2）分度值误差：这部分误差主要属于系统误差。（3）砝码误差：这部分误差也属于系统误差。5、天平的称量方法——天平的精密称衡（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，称出质量左m，然后将被测物体放在右盘，砝码放在左盘，称出质量右m，观察左m和右m的差异值m，以此判断不等臂误差的情况。若m较小，在天平和砝码的允差范围内，重复多次测量，可以近似用（3）公式求出待测物体的质量m，消除天平的不等臂误差。)(21右左mmm（3）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，而把与待测物质量相同（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BL（或记下此时称量值）。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，记下新的平衡位置AL（或记下此时的称量值），待测物体的质量由（4）式给出bBABAmSLLmm)(（4）S为最小分度值，bm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。[例]有一待测物A约为100g，试用替换法测定其质量，标准砝码gmB)007.0007.100(解：测量数据如表1所示表1替换法测定质量序号左盘右盘读数平衡位置添加小砝码1l2l3l4l左盘右盘1TB-0.1-0.1+0.1-0.11.0BL2TA+6.6+6.7+6.8+6.87.6AL由式（4）可求出待测物A的质量为：)(00768.10000001.0)]1.0(7.6[007.100gmA替换法操作简便，用单臂称量，能消除不等臂性误差。6、天平使用注意事项（1）天平调节和使用规则的注意事项Ⅰ水平调节：检查水平仪的水平泡是否居中，若有偏离则表明天平不水平，应调节天平底座的螺旋脚，使水泡居中。Ⅱ零点调节（天平平衡点的调节）：当天平空载且指针有偏移时，则调节横梁上的平衡螺丝（调平砝码），进行水平调节。Ⅲ加减砝码时，动作必须轻缓，否则会使刀刃急触而损坏，造成计量误差。Ⅳ一般在用高精度分析天平称量时，应先用物理天平粗测一下样品的质量，再用高精度分析天平精密测量。Ⅴ在操作过程中，尽量不要开启天平的前门，取放物体可通过左侧门，取放砝码可通过右侧门，且开关门时要轻缓。Ⅵ每次称量时，严禁在天平的工作状态下增减砝码，样品或砝码尽可能地放在称盘中央，以免称盘晃动磨损刀刃和影响迅速读数。（2）天平砝码使用注意事项砝码是称量的基准，必须保持其质量的准确性，使用时应注意以下几点Ⅰ取用砝码时要用镊子，绝对禁止直接用手拿砝码，镊子不用时应随时放在砝码盒内。Ⅱ因为砝码和天平是配套检定的，即每架天平都有它配套的砝码，因此在同一实验中不要随意更换天平或砝码。同时，同一盒砝码中各个砝码的质量彼此都保持一定的比例关系，因而不要将砝码盒内的砝码相互调换。Ⅲ大砝码置于称盘中央，小砝码置于大砝码周围。可减缓天平启动后秤盘的摆动，不要将砝码侧放或相互堆叠在一起。Ⅳ使用机械加码装置时，不要将加码指数盘上的箭头对着两个读数之间，指数盘可顺时针或逆时针转动，但必须轻轻地逐档地旋转，决不可用力快速转动，否则，极易造成圈码变形、脱钩、互相套叠，甚至吊耳移位等。