Весы (прибор). Средства измерения массы Каким прибором измеряется масса тела в физике
Для правильного ответа на вопрос, поставленный в задании, необходимо отличать их друг от друга.
Масса тела - это физическая характеристика, не зависящая от каких-либо факторов. Она остается постоянной в любом месте Вселенной. Единицей ее измерения является килограмм. Физическая сущность на понятийном уровне заключается в способности тела быстро менять свою скорость, например, тормозить до полной остановки.
Вес тела характеризует силу, с которой оно давит на поверхность. При этом, как любая сила, он зависит от ускорения, которое придается телу. На нашей планете на все тела действует одинаковое ускорение (ускорение свободного падения; 9,8 м/с 2). Соответственно на другой планете вес тела изменится.
Сила тяжести - сила, с которой планета притягивает тело, численно она равна весу тела.
Приборы для измерения веса и массы тела
Прибором для измерения массы являются всем известные весы. Первым типом весов были механические, которые до сих пор имеют широкое применение. Позже к ним присоединились электронные весы, имеющие очень высокую точность измерения.
Для того, чтобы измерить вес тела, необходимо воспользоваться прибором под названием динамометр. Его название переводится как измеритель силы, что соответствует определенному в предыдущем разделе значению термина вес тела. Также как весы, они бывают механического типа (рычажные, пружинные) и электронные. Вес измеряется в Ньютонах.
«Электрические приборы» - Патроны для ламп и т.Д. Миксер. Тепловые. Электротехника. Цели и задачи. Предохранители. Бытовые электроприборы. Учебная тема: Бытовые электротехнические приборы. Переменного тока. Постоянного тока. Электроустановочные устройства. Электропроводка. Виды электропроводки. Бытовые приборы. Перечень электроприборов очень велик.
«Вес и масса» - Ход эксперимента. ВЕС и НЕВЕСОМОСТЬ. Научные данные и наблюдения. Обзор проекта. К невесомости можно приблизиться, если двигаться со определённой скоростью по выпуклой траектории. Кто и когда впервые стал изучать падение тел в воздухе? Книга «Неразгаданные тайны человечества» издательства Ридерз Дайджест.
«Вес ранца» - Рекомендации ученикам: Взвесить ранцы без школьных принадлежностей у учеников нашего класса. Выполнять упражнения по укреплению мышц туловища. Предмет исследования: осанка школьника. Проект - исследование. Я здоровье сохраню, сам себе я помогу. Наши рюкзаки. Результаты исследования: «Что в наших рюкзаках?».
«Увеличительные приборы» - Объективы. Ручная лупа дает увеличение от 2 до 20 раз. Произведение будет указывать увеличение, которое в данный момент дает микроскоп. Штатив. Историческая справка. Биология- наука о жизни, живых организмах, обитающих на земле. Тубус. Биология –наука о жизни. Лабораторная работа №1. 4. Положите на предметный столик напротив отверстия в нем готовый препарат.
«Вес и давление воздуха» - Что такое атмосфера? Как можно взвесить газ? Вследствие чего создается атмосферное давление? Имеет ли атмосфера вес? Измерение атмосферного давления. Ответим на вопросы: Может ли атмосфера «давить»? Чем обусловлено давление газов? Почему вода поднимается вслед за поршнем? Как называется прибор для измерения атмосферного давления?
«Измерительные приборы» - Термометр представляет собой стеклянную трубку, запаянную с двух сторон. Манометр. Динамометр. Медицинский динамометр. Мерить – значит сравнивать одну величину с другой. У каждого прибора есть шкала (деление). Барометр анероид. Барометр. Термометр. Приборы очень облегчают жизнь человека. Силомер. Виды динамометров.
Общие сведения
Современные весы представляют собой сложный механизм, который, кроме взвешивания, может обеспечить регистрацию результатов взвешивания, сигнализацию в случае отклонения массы от заданных технологических норм и другие операции.
1.1. Лабораторные равноплечие весы (рис. 4.1) состоят из коромысла 1, установленного с помощью опорной призмы 2 на попушке 3 основания весов. Коромысло имеет две грузоприемные призмы 5, 11 через которые с помощью подушек 4 и 12 подвески 6 и 10 соединяются с коромыслом 1. К коромыслу жестко крепится шкала 8 оптического отсчетного устройства. При измерении массы на одну чашку весов устанавливается взвешиваемый груз 9 массой m, а на вторую - уравновешивающие гири 7 массой m г. Если m > m г, то коромысло весов отклоняется на угол φ, (рис. 4.2).
Весы ВЛР-20 (рис. 4.3) имеют наибольший предел взвешивания 20 г, цену деления делительного устройства 0,005 мг.
На основании 6 весов установлена полая стойка 9; в верхней части стойки крепится кронштейн с рычагами изолира 11 и опорная подушка 15. На основании 6 установлены осветитель 5, конденсор 4 и объектив 3 оптического отсчетного устройства. На равноплечем коромысле 16 закреплена опорная призма 17, седла с грузоприемными призмами 13 и стрелка 1 с микрошкалой 2.
Регулирование положения равновесия подвижной системы на коромысле осуществляется тарировочными гайками 19 на концах коромысла. Регулируя положение центра тяжести коромысла путем вертикального перемещения регулировочных гаек 18, расположенных в середине коромысла, можно установить заданную цену деления весов. На грузоприемные призмы 13 опираются подушки 14 серег 12, на которых подвешены подвески с грузоприемными чашками 7.
Весы имеют два воздушных успокоителя 10. Верхняя часть успокоителя подвешивается на серьге, а нижняя крепится на плате 8 в верхней части весов.
Механизм гиреналожения 20, расположенный на плате 8, позволяет навешивать на правую подвеску гири массой 10; 20; 30 и 30 мг, обеспечивая уравновешивание встроенными гирями в диапазоне от 10 до 90 мг. Массу наложенных гирь отсчитывают на оцифрованном лимбе, связанном с механизмом гиреналожения.
Оптическое отсчетное устройство служит для проецирования изображения шкалы на экран с помощью осветителя, конденсора, объектива и системы зеркал и позволяет измерять изменение массы в диапазоне от 0 до 10 мг. Шкала имеет 100 отсчетных делений с ценой деления 0,1 мг. Делительный механизм оптического отсчетного устройства позволяет разделить одно деление шкалы на 20 частей и, увеличивая разрешающую способность отсчета, обеспечивает получение результата измерения с дискретностью 0,005 мг.
1.2. Лабораторные двухпризменные весы (рис. 4.5) состоят из несимметричного коромысла 1, установленного с помощью опорной призмы 2 на подушке 5 основания весов. С одним плечом коромысла через грузоприемную призму 6 и подушку 11 соединена подвеска 9 с грузоприемнои чашкой. На этой же подвеске закреплена рейка 10, на которой навешены встроенные гири 7, общей массой т 0 . На другом плече коромысла закреплен противовес 4, уравновешивающий коромысло. К коромыслу 1 жестко крепится микрошкала 3 оптического отсчетного устройства. При измерении массы на чашку весов устанавливается взвешиваемый груз 8 массой т 1 , а с рейки с помощью гиревого механизма снимается часть гирь 7 массой т т.
Если т 1 > т г, то коромысло весов, отклоняется на угол φ (рис. 4.6). При этом гравитационный момент устойчивости составит
где т п, т пр, т к - масса подвески, противовеса, коромысла; т о и т 1 - масса всех встроенных гирь и груза; т г - масса снятых гирь; а 1 - расстояние от оси вращения коромысла до точек контакта грузоприемной призмы с подушкой подвески; а 2 - расстояние от оси вращения коромысла до центра тяжести противовеса; а к - расстояние от оси вращения коромысла до его центра тяжести, α 1 , α 2 - углы, зависящие от установки линий призм коромысла; g = 9,81 м/с 2 .
Компенсирующий момент
Погрешность δ у , зависящая от гравитационного момента устойчивости и угла отклонения φ, определяется по формуле:
(4.3)
Погрешность δ к , зависящая от компенсирующего момента, составит
(4.4)
Весы ВЛДП-100 (рис. 4.4) с наибольшим пределом взвешивания 100 г, с именованной шкалой и встроенными гирями на полную нагрузку. В весах имеется устройство предварительного взвешивания, позволяющее повысить скорость измерения массы и упростить операции взвешивания, связанные с подбором гирь, уравновешивающих подвижную систему весов.
На коротком плече коромысла 1 закреплено седло с грузоприемной призмой 9, а на длинном - противовес, диск воздушного успокоителя и микрошкала 4 оптического устройства. Во время взвешивания на грузоприемную призму 9 коромысла подушкой 10 опирается серьга 11, к которой присоединена подвеска 7 с грузоприемной чашкой 6.
В весах имеется механизм гиреналожения 8, служащий для снятия с подвески и наложения на нее трех декад встроенных гирь массой 0,1-0,9; 1-9 и 10-90 г.
Механизм предварительного взвешивания имеет горизонтальный рычаг 3, который свободным концом упирается в коромысло. Второй конец рычага жестко крепится к торсионной пружине, ось вращения которой параллельна оси вращения коромысла.
 
Рис. 4.1. Равноплечие весы
| 
Рис. 4.2. Схема действия сил в равноплечих весах
|
|
Рис. 4.3. Лабораторные равноплечие весы ВЛР-20
|  
Рис. 4.4. Лабораторные весы ВЛДП-100
|
|
Рис. 4.5. Двухпризменные весы
| 
Рис. 4.6. Схема действия сил в двухпризменных весах
|
|
Изолирующий механизм 5 имеет три фиксированных положения: ИП - исходное положение, ПВ - предварительное взвешивание, ТВ - точное взвешивание.
В исходном положении коромысло 1 и подвеска 7 находятся на упорах изолирующего механизма 5. Рычаг механизма предварительного взвешивания находится в нижнем положении, встроенные гири навешены на подвеску.
При взвешивании груза, помещенного на чашку, изолирующий механизм ставят сначала в положение ПВ. При этом рычаг 3 упирается в коромысло, с подвески снимаются встроенные гири, подвеска опускается на грузоприемную призму коромысла. После этого коромысло опорной призмой 2 опускается на подушку, отклоняется на некоторый угол, при котором противодействующий момент, создаваемый торсионной пружиной механизма предварительного взвешивания, уравновешивает момент, пропорциональный разности т к = т 0 - т 1 , где т 0 - масса встроенных гирь; т 1 - масса взвешиваемого тела.
По шкале оптического отсчетного устройства и лимбу делительного устройства отсчитывают предварительное значение измеряемой массы, которое устанавливают на счетчиках механизма гиреналожения.
При переводе изолирующего механизма в положение ТВ сначала изолируют коромысло и подвеску, после чего на подвеску навешивают гири массой т г. Рычаг 3 отводят вниз до упора, освобождая коромысло, подвеску соединяют с коромыслом через грузоприемную призму и подушку, а коромысло опорной призмой садится на подушку и производят точное взвешивание.
Значение измеряемой массы отсчитывают по счетчику механизма гиреналожения, шкале и лимбу делительного устройства.
1.3. Квадрантные весы просты, надежны в эксплуатации, имеют высокую точность. В отличие от других лабораторных весов грузоприемная чашка у квадрантных весов расположена в верхней части, что создает значительные удобства в эксплуатации. Квадрантные весы применяют в технологических линиях, в системах централизованного контроля, в управляющих системах, связанных с измерением массы.
Квадрантные весы (рис. 4.7) состоят из несимметричного коромысла 1 (квадранта), установленного с помощью опорной призмы 2 на угловой подушке 3, закрепленной на основании весов. Подвеску 6 с помощью угловых подушек 8 устанавливают на грузоприемную призму 7, закрепленную на коромысле 1. Грузоприемную чашку 9 в квадрантных весах крепят к верхней части подвески 6. Чтобы исключить возможность опрокидывания подвески при наложении на чашку 9 груза, нижнюю часть подвески крепят к основанию весов через шарнирные соединения с помощью рычага 5, называемого стрункой. К квадранту жестко крепится микрошкала 4 оптического отсчетного устройства. На подвеске закреплена рейка, на которой расположены встроенные гири.
Использование в квадрантных весах угловых подушек и шарнирных соединений в нижней части подвески позволило в несколько раз увеличить рабочий угол отклонения φ квадранта по сравнению с углом отклонения в равноплечих или двухпризменных весах. Например, в квадрантных весах при воздействии на подвеску максимальной нагрузки угол отклонения равен 12°, а в равноплечих и двухпризменных весах он менее 3°. При большом угле отклонения естественно диапазон измерения массы по шкале также будет больше, что позволяет уменьшить количество встроенных гирь, используемых в весах. Однако шарниры со стрункой являются источником дополнительных погрешностей, снижающим точность взвешивания. Поэтому выпускаемые квадрантные весы имеют в основном класс точности 4.
Лабораторные квадрантные весы модели ВЛКТ-5 (рис. 4.8), относятся к классу точности 4 и предназначены для измерений массы до 5 кг. В измерительную систему весов входят коромысло 3, подвеска 2 с грузоприемной чашкой 1 и „струнка" б. Призменная „струнка" является одной из сторон шарнирного параллелограмма. „Струнка" и стальные призмы коромысла опираются на угловые самоустанавливающиеся подушки. Для успокоения колебаний подвижной системы весы имеют магнитный успокоитель 5. В весах также имеется механизм компенсации колебаний уровня рабочего места, устройство компенсации массы тары и механизм гиреналожения. При взвешивании специальные захваты с приводом от рукоятки механизма гиреналожения снимают с грузоприемной подвески или накладывают на нее встроенные гири 7 массой 1; 1 и 2 кг. Значения массы снятых гирь отсчитывают с оцифрованного барабана, связанного с механизмом гиреналожения. В состав оптического отсчетного устройства входят лампа подсветки, конденсор, объектив и микрошкала 4, укрепленная на коромысле. Изображение микрошкалы, увеличенное с помощью оптической системы, передается на матовое стекло экрана 8, где указьшается значение массы, определяемой при отклонении коромысла от его начального положения.
Цилиндрическая спиральная пружина 9, прикрепленная один концом к подвеске, является измерительным элементом делительного механизма. Второй конец этой пружины, связанный приводом с оцифрованным барабаном механического счетчика, может перемещаться вертикально при вращении рукоятки счетчика делительного механизма. При вращении барабана механического счетчика на полную емкость, равную 100 делениям, пружина растягивается, передавая коромыслу усилие, эквивалентное усилию, создаваемому изменением массы груза на 10 г, а результат измерения, производимого с помощью делительного механизма, отсчитывают на оцифрованном барабане механического счетчика с дискретностью 0,1 г. Микрошкала, закрепленная на коромысле, имеет 100 делений с ценой деления 10 г. Поэтому диапазон измерения оптического отсчетного устройства и делительного механизма с дискретностью 0,1 г составляет 1000 г.
Аналогично устроены квадрантные весы модели ВЛКТ-500 (рис. 4.9), предназначенные для измерений массы до 500 г (погрешность измерения ±0,02 г).
Перед измерением массы тела по уровню 1 производят установку весов в горизонтальное положение с помощью регулируемых опор 4. Для ввода весов в действие необходимо шнур питания 5 подсоединить в электросеть и включить выключатель 2. Рукояткой 7 цифровой барабан механического счетчика устанавливают в положение «00»и маховичками 3 («грубо») и 6 («тонко») устройства компенсации массы тары доводят нулевое деление шкалы в симметричную позицию. При этом рукоятка 9 механизма гиреналожения находится в положении для измерения в диапазоне 1-100 г. Исследуемое тело устанавливают на грузоприемную чашку 10 и рукояткой 7 совмещают деление шкалы с отсчётными рисками на экране 8.
Торсионные весы WT-250 (рис. 4.10) предназначены для взвешивания тел массой до 250 г и имеют погрешность измерения ±0,005 г. Корпус весов опирается на три опоры, две из которых 1 регулируемые и предназначены для установки весов в горизонтальное положение по уровню 2.
Кожух весов имеет стеклянный экран 4, сквозь который виден лимб измерительного механизма. Перед взвешиванием поворачивают фиксатор 9 для разблокирования подвески и с помощью маховика 10 устройства компенсации массы тары устанавливают указатель 5 в нулевое положение. Измеряемое тело 7 помещают на подвеску 6 и закрывают предохранительную крышку 8. Вращая маховик 3 подвижного лимба добиваются возврата указателя 5 в нулевое положение. При этом по стрелке на лимбе измерительного механизма определяют величину массы тела.
1.4. Электронные цифровые весы. Существенное преимущество весов состоит в том, что при операциях не требуются встроенные или накладные гири. Поэтому при серийном выпуске весов и при их эксплуатации существенно экономится металл, сокращается количество гирь, подлежащих государственной поверке.
Электронные цифровые весы 4-го класса точности модели ВБЭ-1 кг (рис. 4.11, а), основанные на рассмотренном выше принципе действия. Эти весы имеют весовое устройство I, укреплен-ное на основании 2, и электрическую часть, состоящую из пяти печатных плат 3, 13,14 с разъемами и установочными кронштейнами, трансформатор 15, датчик 4, преобразующий линейные перемещения в электрический сигнал.
Весовое устройство имеет стойку, на которой крепится кронштейн 12 и магнитная система 16 с рабочей катушкой 5. Подвижная система весов состоит из двух рамок 6, кронштейна 7 и шести пружин 8, две из которых являются промежуточными звеньями упруго-гибкой связи между рамками и кронштейном. Рабочая катушка крепится к вкладышу 9, который жестко связан с крон-штейном 7. Подвижная система весов крепится через пружины 8 так, что катушка в рабочем зазоре магнитной системы может перемещаться только в вертикальном направлении. В верхней части кронштейна 7 размещается подставка 10, на которой устанавливается грузоприемная чашка 11.
Электрическая часть весов выполнена на печатных платах, расположенных в корпусе весов. Электрические элементы, выделяющие тепло, размещены в задней части весов и отделены от весового устройства тепловым экраном.
В весах имеется электронное устройство, компенсирующее силовое воздействие, создаваемое тарой. При наложении на грузоприемную чашку тары значение ее массы появляется на цифровом отсчетном устройстве, а после нажатия кнопки „Тара” это значение передается на запоминающее устройство, а на цифровом отсчетном устройстве устанавливаются нули и весы готовы к измерению массы груза. Устройство компенсации тары, входящее в весы, компенсирует нагрузку массой до 1000 г.
Электронные цифровые весы 4-го класса ВЛЭ-1 кг с улучшенными техническими характеристиками (рис. 4.11, б). Эти весы могут быть широко использованы в замкнутых технологических процессах агропромышленных комплексов. В них имеется выход для подключения цифропечатающих устройств и ЭВМ, полуавтоматическая калибровка и компенсация массы тары по всему диапазону взвешивания. Терминал обеспечивает автоматическую разбраковку предметов по массе и подсчет количества предметов по заданному значению массы одного предмета.
3. Порядок выполнения работы: ознакомиться с п. 1; используя формулы (4.1)-(4.4) по начальным условиям (табл. 4.1) для двухпризменных весов определить: момент устойчивости М у, компенсирующий момент М к, а также погрешности δ у и δ к, составить отчёт.
 
Рис. 4.7. Лабораторные квадрантные весы
| 
Рис. 4.8. Схема квадрантных весов ВЛКТ-5
|
 
Рис. 4.9. Общий вид весов ВЛКТ-500
|
|
а 
б
Таблица 4.1. Исходные данные для выполнения работы
| № варианта | т п , г | т пр , г | т к , г | т о , г | а к, м | а 1 , м | а 2 , м | α 1 = α 2 ,º | φ,º |
| 0,15 | 0,08 | 0,16 | 1,0 | ||||||
| 0,26 | 0,11 | 0,22 | 0,9 | 2,9 | |||||
| 0,32 | 0,17 | 0,32 | 0,8 | 2,8 | |||||
| 0,18 | 0,15 | 0,30 | 0,7 | 2,7 | |||||
| 0,20 | 0,12 | 0,22 | 0,6 | 2,6 | |||||
| 0,16 | 0,09 | 0,17 | 0,5 | 2,5 | |||||
| 0,27 | 0,12 | 0,24 | 1,5 | 2,9 | |||||
| 0,33 | 0,18 | 0,34 | 1,4 | 2,8 | |||||
| 0,19 | 0,16 | 0,31 | 1,3 | 2,7 | |||||
| 0,23 | 0,14 | 0,24 | 1,2 | 2,6 | |||||
| 0,17 | 0,07 | 0,15 | 1,1 | 2,5 | |||||
| 0,28 | 0,13 | 0,27 | 1,0 | 2,4 | |||||
| 0,34 | 0,19 | 0,36 | 2,0 | 3,2 | |||||
| 0,20 | 0,17 | 0,34 | 1,8 | 3,1 | |||||
| 0,21 | 0,15 | 0,25 | 1,7 | 3,0 | |||||
| 0,29 | 0,14 | 0,28 | 1,6 | 2,9 | |||||
| 0,35 | 0,20 | 0,37 | 1,5 | 2,8 | |||||
| 0,21 | 0,18 | 0,36 | 1,4 | 2,7 | |||||
| 0,24 | 0,13 | 0,26 | 1,3 | 2,6 | |||||
| 0,19 | 0,07 | 0,16 | 1,2 | 2,5 | |||||
| 0,30 | 0,15 | 0,29 | 1,1 | 2,4 | |||||
| 0,36 | 0,21 | 0,39 | 1,0 | 2,3 | |||||
| 0,22 | 0,19 | 0,38 | 0,9 | 2,2 | |||||
| 0,21 | 0,11 | 0,23 | 0,8 | 2,1 | |||||
| 0,14 | 0,09 | 0,18 | 0,7 | 2,0 | |||||
| 0,31 | 0,16 | 0,30 | 0,6 | 3,0 | |||||
| 0,37 | 0,22 | 0,41 | 0,5 | 2,9 | |||||
| 0,23 | 0,20 | 0,43 | 1,5 | 2,8 | |||||
| 0,25 | 0,10 | 0,20 | 1,4 | 2,7 | |||||
| 0,18 | 0,06 | 0,14 | 1,3 | 2,6 |
- описать назначение, конструкцию приборов и нарисовать их схемы (рис. 4.1
Выполнить расчёты по определению М у, М к, δ у и δ к;
Дать ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1. Как регулируется положение равновесия подвижной системы на коромысле в весах ВЛР-20?
2. На каком плече коромысла закреплено седло с грузоприемной призмой в весах ВЛДП-100?
3. В чём конструктивное отличие квадрантных весов от двухпризменных?
4. Как устроены квадрантные весы модели ВЛКТ-5?
5. Как производится взвешивание на весах ВЛКТ-500?
6. Как устроены электронные весы модели ВБЭ-1?
Лабораторно-практическая работа №5
Весы (прибор)
Весы,
прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести. В. иногда называют также приборы для измерений др. физических величин, преобразуемых с этой целью в силу или в момент силы. К таким приборам относятся, например, токовые весы
и Кулона весы
.
Последовательность действий при определении массы тел на В. рассмотрена в ст. Взвешивание
.
В. ‒ один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие В. в виде равно-плечного коромысла с подвешенными чашками (рис. 1
) широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне (2,5 тыс. лет до н. э.) и Египте (2 тыс. лет до н. э.). Несколько позднее появились неравно-плечные В. с передвижной гирей (см. Безмен
).
Уже в 4 в. до н. э. Аристотель
дал теорию таких В. (правило моментов сил
).
В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны В. с чашками, погрешность которых не превышала 0,1%. Они применялись для определения плотности различных веществ, что позволяло распознавать сплавы, выявлять фальшивые монеты, отличать драгоценные камни от поддельных и т.д. В 1586 Г. Галилей
для определения плотности тел сконструировал специальные гидростатические В.
Общая теория В. была развита Л. Эйлером
(1747).
Развитие промышленности и транспорта привело к созданию В., рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные В. (рис. 2
) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 ‒ Квинтенц, 1818) и сотенные В. (В. Фербенкс, 1831). В конце 19 ‒ начале 20 вв. с развитием поточного производства появились В. для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять В. самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте ‒ автомобилей, ж.-д. вагонов, самолётов; в промышленности ‒ от мельчайших деталей и узлов в точном приборостроении до многотонных слитков в металлургии). Для научных исследований были разработаны конструкции точных В. ‒ аналитических, микроаналитических, пробирных и др.
В зависимости от назначения В. делятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные (в том числе аналитические) и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства.
По принципу действия В. подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.
Наиболее распространены рычажные В., их действие основано на законе равновесия рычага
.
Точка опоры рычага («коромысла» В.) может находиться посередине (равноплечные В.) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные В.). Многие рычажные В. (например, торговые, автомобильные, порционные и др.) представляют собой комбинацию рычагов 1-го и 2-го родов. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из специальных сталей или твёрдого камня (агат, корунд). На равноплечных рычажных В. взвешиваемое тело уравновешивается гирями, а некоторое превышение (обычно на 0,05‒0,1%) массы гирь над массой тела (или наоборот) компенсируется моментом, создаваемым коромыслом (со стрелкой) из-за смещения его центра тяжести относительно первоначального положения (рис. 3
). Нагрузка, компенсируемая смещением центра тяжести коромысла, измеряется с помощью отсчётной шкалы. Цена деления s
шкалы рычажных В. определяется формулой
s = k
(Po
c / lg
),
где P0
‒ вес коромысла со стрелкой, с
‒ расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения, l ‒
длина плеча коромысла, g ‒
ускорение
свободного падения, k ‒
коэффициент, зависящий только от разрешающей способности отсчётного устройства. Цену деления, а, следовательно, и чувствительность В., можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с
).
В ряде рычажных лабораторных В. часть измеряемой нагрузки компенсируется силой электромагнитного взаимодействия ‒ втягиванием железного сердечника, соединённого с плечом коромысла, в неподвижный соленоид. Сила тока в соленоиде регулируется электронным устройством, приводящим В. к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку В. Подобного типа В. приводятся к положению равновесия автоматически, поэтому их применяют обычно для измерений изменяющихся масс (например, при исследованиях процессов окисления, конденсации и др.), когда неудобно или невозможно пользоваться обычными В. Центр тяжести коромысла совмещен в этих В. с осью вращения.
В лабораторной практике всё шире применяются В. (в особенности аналитические) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 4
). Принцип действия таких В. был предложен Д. И. Менделеевым
.
Гири специальной формы подвешиваются к плечу, на котором находится чашка для нагрузки (одноплечные В.), или (реже) на противоположное плечо. В одноплечных В. (рис. 5
) полностью исключается погрешность из-за неравноплечности коромысла.
Современные лабораторные В. (аналитические и др.) снабжаются рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (воздушными или магнитными), дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха, тепловыми экранами, механизмами наложения и снятия встроенных гирь, автоматически действующими механизмами для подбора встроенных гирь при уравновешивании В. Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие В.
В быстродействующих технических квадрантных В. (рис. 6
) предел измерений по шкале отклонения коромысла составляет 50‒100% от предельной нагрузки В., обычно лежащей в пределах 20 г
‒ 10 кг
. Это достигается особой конструкцией тяжёлого коромысла (квадранта), центр тяжести которого расположен значительно ниже оси вращения.
По принципу рычажных В. устроено большинство типов метрологических, образцовых, аналитических, технических, торговых (рис. 7
), медицинских, вагонных, автомобильных В., а также В. автоматических и порционных.
В основу действия пружинных и электротензометрических В. положен закон Гука (см. Гука закон
).
Чувствительным элементом в пружинных В. является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания В. отсчитывают по шкале, вдоль которой перемещается соединённый с пружиной указатель. Принимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, то есть в пружине под действием нагрузки не возникает остаточных деформаций.
При помощи пружинных В. измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных В. градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных В. зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных В.
В крутильных (торзионных) В., чувствительным элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 8
). Нагрузка определяется по углу закручивания нити пружины, который пропорционален создаваемому нагрузкой крутильному моменту.
Действие электротензометрических В. основано на преобразовании деформации упругих элементов (столбиков, пластин, колец), воспринимающих силовое воздействие нагрузки, в изменение электрического сопротивления. Преобразователями служат высокочувствительные проволочные тензометры
,
приклеенные к упругим элементам. Как правило, электротензометрические В. (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.
Гидростатические В. применяют, главным образом, для определения плотности твёрдых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда (см. Гидростатическое взвешивание
).
Гидравлические В. по устройству аналогичны гидравлическому прессу
.
Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.
Все типы В. характеризуются: 1) предельной нагрузкой ‒ наибольшей статической нагрузкой, которую могут выдерживать В. без нарушения их метрологических характеристик; 2) ценой деления ‒ массой, соответствующей изменению показания на одно деление шкалы; 3) пределом допускаемой погрешности взвешивания ‒ наибольшей допускаемой разностью между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;
4) допускаемой вариацией показаний ‒ наибольшей допускаемой разностью показаний В. при неоднократном взвешивании одного и того же тела.
Погрешности взвешивания на В. некоторых типов при предельной нагрузке.
Погрешность взвешивания при предельной нагрузке
Метрологические...........
Образцовые 1-го и 2-го разрядов
Образцовые 3-го разряда и
технические 1-го класса............
Аналитические, полумикроаналитические, микроаналитические, пробирные
Медицинские..............
Бытовые.................
Автомобильные.............
Вагонные................
Крутильные..............
1 кг
20 кг ‒
1 кг
200 г
‒ 2 г
20 кг
‒ 1 кг
200 г
‒2 г
200 г
100 г
20 г
2 г
1 г
150 кг
20 кг
30 кг ‒
2 кг
50 т ‒
10 т
150 т ‒
50 т
1000 мг ‒
20 мг
5 мг ‒
0,5 мг
0,005 мг*
20 мг ‒
0,5 мг*
1,0 мг ‒
0,01 мг*
100 мг ‒
20 мг
10 мг ‒ 0,
4 мг
1,0 мг ‒
0,1 мг*
1,0 мг ‒
0,1 мг*
0,1 мг ‒
0,01 мг*
0,02 мг ‒
0.004 мг*
0,01 мг ‒
0,004 мг*
50 г
10 г
60 г
‒5 г
50 кг ‒
10 кг
150 кг
‒ 50 кг
1,0 мг ‒
0, 05 мг
0,01 мг‒
0,001 мг
* С применением методов точного взвешивания.
Лит.:
Рудо Н. М., Весы. Теория , устройство, регулировка и поверка, М. ‒ Л., 1957; Маликов Л. М., Смирнова Н. А., Аналитические электрические весы, в кн.: Энциклопедия измерений контроля и автоматизации, в. 1, М. ‒ Л., 1962: Орлов С. П., Авдеев Б. А., Весовое оборудование предприятий, М., 1962; Карпин Е. Б., Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов, М., 1963; Гаузнер С. И., Михайловский С. С., Орлов В. В., Регистрирующие устройства в автоматических процессах взвешивания, М., 1966.
ТЕМА : ВЕС ТЕЛА. ЕДИНИЦЫ СИЛЫ. ДИНАМОМЕТР.
Цель урока : дать понятие вес тела, установить отличия веса тела от силы тяжести; ввести единицу силы; узнать каким прибором измеряют вес тела.
Оборудование: компьютер, экран, проектор, весы напольные, динамометр, измерительные цилиндры, грузы.
План урока:
Организационный момент (1мин)
Проверка домашнего задания (7 мин)
Изучение нового материала (18 мин)
а) Вес тела. Единицы силы.
б) Динамометры. Виды динамометров.
в) Вес тела и его вычисление.
4. Физкультминутка (задачка Г.Остера)
5. Решение задачи. Закрепление пройденного материала (10 мин)
6. Итоги урока. Домашнее задание (1 мин)
Ход урока.
1. Организационный момент.
2. Актуализация знаний.
Начнём урок с того, что вспомнили с вами некоторые физические величины и термины, с которыми познакомились ранее.
Физический диктант:
Какой величиной обозначается сила тяжести? В чем измеряется?
Как направлена сила тяжести?
Какой величиной обозначается сила упругости? В чем измеряется?
Как направлена сила упругости?
Записать формулу закона Гука?
1) Разделить данные физические величины на векторные и скалярные: масса, сила тяжести, скорость, время, длина, инерция и сила упругости.
(скалярные: масса, время, длина; векторные: сила тяжести, скорость, сила упругости. Инерция – это не физическая величина, это явление).
Дополнительный вопрос: дайте определение, Что называется массой тела. (это физическая величина, которая является мерой инертности тела ).
Дополнительный вопрос: Что такое деформация? (деформация – это изменение формы или размера тела )
2) Изобразите графически силу тяжести, действующую на кирпич, лежащий на поверхности Земли.
Дополнительный вопрос: почему капли дождя падают на землю, а не летят обратно к облакам? (на капли дождя действует сила тяжести)
Итак, мы вспомнили с вами некоторые физические величины и термины, с которыми познакомились ранее, давайте двигаться дальше.
3. Изучение нового материала.
Какой вес мальчика,?
Правильно ли мы скажем, что вес мальчика - __ кг?
Проведём голосование. Поднимите руки, кто считает, что так говорить правильно. А теперь те, кто считает, что говорим неправильно. Мнения разделились. Не будем спорить, кто прав, а кто нет. Разобраться в этом вам поможет новая тема «Вес тела ». Запишем ее в тетрадь.
- Вес тела – это физическая величина. Мы с вами уже выработали план по изучению физических величин. Вспомнив его, скажите, что мы сегодня должны узнать про вес тела?
1. Определение.
2. Вектор или скаляр.
3. Обозначение.
4. Формула.
5. Единица измерения.
6. Прибор для измерения.
Эти пункты плана и будут целью нашего урока, а кроме этого, мы ответим на поставленный вопрос.
- (Слайд4) Тигренок лежит на доске(опоре). Когда тело ставили на опору, сжималось не только опора, но и тело притягиваемое Землей. Деформированное, сжатое тело давит на опору с силой, которую называют весом тела.
Если тело подвешено на нити (подвесе), то растянута не только нить, но и само тело.
- Записываем: Вес тела - это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес .
А как вы думаете, вес это векторная или скалярная величина? (раз это сила, то векторная величина)
Вес тела – это векторная физическая величина
А каково направление веса тела? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним направление силы тяжести. Правильно, сила тяжести всегда направлена вертикально вниз, значит и вес тела тоже, так как эта сила возникает вследствие притяжения к Земле.
Буквенное обозначение: Р
Формула. Р = F тяж (тело и опора или подвес неподвижны или движутся равномерно и прямолинейно)
Довольно часто вес тела равен действующей на него силе тяжести.
F тяж приложена к телу
Р вес приложен к опоре(подвесу)
В каких единицах измеряется сила?
В честь английского физика И. Ньютона эта единица названа ньютоном - 1Н
1кН=1000Н; 1Н= 0,001кН
F тяж = m ∙ g – формула силы тяжести
Р = F тяж = m ∙ g m = Р/ g ; g = Р/ m
F тяж – сила тяжести [Н]
m - масса [кг]
g – ускорение свободного падения [Н/кг]
g = 9,8 [Н/кг]; g = 10 [Н/кг];
(Слайд5) на практике измеряют силу, с которой одно тело действует на другое.
Для измерения силы – используют ДИНАМОМЕТР
Используется : для закручивания гаек - есть такой динамометрический ключ, чтобы и гайку не свернуть, и затянуть надежно; измеряют кистевой мышечный тонус для общей работоспособности и силы человека,
Опыт Возьмем динамометр и подвесим к нему гирьку массой 102 г. В состоянии покоя ее вес равен 1 Н. И действительно, если гирька будет неподвижно висеть на крючке динамометра, то он покажет именно 1 Н. Но если же динамометр качать вверх - вниз или влево - вправо, то он покажет, что вес гири стал другим. На рисунке, например, он равен 4 Н. Масса тел и сила тяжести при этом не менялись.
Итак, многочисленные опыты показывают, что вес тела равен действующей на него силе тяжести, когда тело и его опора (подвес) покоятся или движутся вместе равномерно и прямолинейно.
Р = F тяж .
Заметим также, что числовые значения веса и силы тяжести могут быть равны, однако точки их приложения всегда различны. Сила тяжести всегда приложена к самому телу, а его вес – к подвесу или опоре .
[ P ] = [ 1 Ньютон ] = [ 1 H ]
Упр.9 (2,3)(решаем)
Подведение итогов:
как называется прибор для измерения силы?
Динамометр – это прибор …. (для измерения веса тела)
Какой вес Миши,? Правильно ли мы скажем, что вес Миши - __ кг?
(нет потому, что вес тела измеряют динамометром) и измеряется в Н, масса тела измеряется прибором весами --- кг) (Слайд7)
Формула силы тяжести какая?
Что на уроке у вас не вызвало затруднением?
Что оказалось для вас сложным?
