Министерство образования Российской Федерации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экспериментальной и прикладной физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЕСЫ»

г. Белгород, 2003г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЕСЫ»

Цель работы: изучить аналитические весы и научиться пользоваться аналитическими

весами для определения массы небольших тел с высокой точностью.

Приборы и принадлежности: аналитические весы, набор гирь, взвешиваемое тело.

I. Устройство аналитических весов

Для определения массы небольших тел (с максимальной точностью 1 мг) служат аналитические весы (см. рис. 1).

Рис. 1.

Подвижное коромысло К опирается призмой О на агатовую подушку П. К концам коромысла на призмах М подвешены чашки весов Ч, на которые помещаются взвешиваемое тело и гири. Для предохранения ребер агатовых призм от преждевременного изнашивания весы снабжены арретиром – приспособлением, позволяющим коромысло и чаши поднять немного вверх и вывести ребра призм М из соприкосновения с соответствующими подушками. Для арретирования весов и освобождения призм от давления служит ручка А. К середине коромысла прикреплен длинный металлический указатель У. В верхней части он снабжен винтовой нарезкой, по которой перемещается груз Г. Перемещением груза Г можно изменить положение центра тяжести коромысла и тем самым изменить чувствительность весов. Нижний заостренный конец указателя У приходится против шкалы Ш, закрепленной на колонке весов Б. Гайки Н помогают совместить положение равновесия коромысла с нулевым делением шкалы. Для строго вертикальной установки весов служат винты В и отвес, прикрепленный к колонке весов Б.

Набор гирь, прилагаемый к весам, составлен из следующего порядка: 100г, 50г, 20г, 10г, 10г, 5г, 2г, 1г, 1г, 500мг, 200мг, 100мг, 50мг,20мг, 10мг, 10мг.

Пользоваться гирями меньше 10мг не рекомендуется, т.к. они неудобны в обращении. Вес таких легких гирь может заметно искажаться случайными загрязнениями и мелкими дефектами. Поэтому для взвешивания тел с точностью большей, чем 10мг можно пользоваться рейтером Р – проволочной петлей.

Рейтер можно перемещать вдоль коромысла с помощью специального стержня С. Стержень оканчивается крючком, который зацепляет ушко рейтера. Чем ближе к середине коромысла повешен рейтер, тем меньше поворачивающий момент он создает и, следовательно, меньшую нагрузку на чашке весов уравновешивает. Для определения нагрузки, создаваемой рейтером, служит шкала, нанесенная по верхнему краю коромысла. На шкале нанесено 10 крупных (оцифрованных) делений справа и слева от центра. Между оцифрованными имеется еще по 5 делений, цена каждого из которых 0,2мг. Рейтер, помещенный на 1-ое оцифрованное деление, создает нагрузку 1мг, помещенный на 2-ое деление – 2мг, и т.д.; помещенный на 12-ое мелкое деление, создает нагрузку 2,4мг.

II. Правила обращения с весами

Для того чтобы не испортить весы и получить более точные результаты взвешивания, необходимо соблюдать следующие правила:

1.Помещать взвешиваемое тело, а также гири на чашу весов или снимать их с чаши весов только при неподвешенном коромысле (арретированных весах).

2.Гири брать только пинцетом.

3.Взвешиваемое тело должно быть сухим и чистым.

4.Тело класть на левую чашу, а гири на правую.

5.Пока производиться уравновешивание тела гирями, нельзя полностью разарретировать коромысло. Полностью разарретировать коромысло можно только после того, как установлено примерное равновесие масс тела и гирь.

6.Останавливать чаши весов нужно очень осторожно, лучше всего листочком бумаги.

7.Снимать с арретира и арретировать весы очень осторожно и внимательно. При этом не допускать резких движений!!!

8.При наблюдении качания коромысла дверцы футляра весов должны быть закрытыми. Переднюю открывать только для того, чтобы подготовить весы к работе и положить взвешиваемое тело на чашу (поднимать переднюю дверцу только на 1/3 высоты во избежание порчи весов), боковую дверцу – для установки гирь при взвешивании.

9.Если при освобождении коромысла окажется, что амплитуда колебаний слишком мала (меньше 3-4 делений в ту и другую стороны от середины шкалы), приоткрыв немного дверцу, можно слегка махнуть перед чашкой весов рукой (или листом бумаги).

10. После окончания работы весы арретировать, снять нагрузки, закрыть дверцы.

III. Подготовка весов к работе

Для устранения вибраций весы должны быть установлены на массивную плиту. Подготовка весов к работе заключается в проверке и установлении:

а) вертикальности колонки;

б) равноплечности весов.

Вертикальность установки колонки весов Б проверяется по отвесу: острие отвеса должно находиться точно против острия, помещенного на платформе. Добиваться этого соответствующим вращением установочных винтов В.

Правое и левое плечи коромысла должны быть равны. О равноплечности можно судить по отклонению указателя У относительно «0» (нуля) шкалы. Для проверки положения указателя У нужно поднять рейтер Р, снять весы с арретира и наблюдать за отклонениями указателя от «0» вправо и влево. Условимся считать отклонение вправо от «0» со знаком «+», а влево от «0» - со знаком «—». Определим нулевое положение указателя:

, (1)

где а₁, а₃ – отклонения в одну сторону, а₂ – отклонение в другую сторону.

При равновесии плеч должно п₀ = 0. Если п₀ отличается от 0 более чем на 1 деление, то нужно уравновесить плечи коромысла перемещением грузов (гаек) Н, расположенных на концах коромысла. Гайки Н следует вращать очень осторожно на арретированных весах. После регулировки следует снова определить нулевое положение указателя.

IV. Определение характеристик аналитических весов

Весы характеризуются:

1. Допустимой предельной нагрузкой (она указана в паспорте к весам и на футляре весов).

2. Чувствительностью.

3. Ценой деления шкалы.

В данной работе необходимо определить чувствительность весов и цену деления шкалы.

Чувствительность весов α – это предел отношения приращения отклонения стрелки (указателя) от положения равновесия Δ х к приращению измеряемой величины Δ р:

. (2)

Принято считать, что это есть число делений, на которое отклоняется указатель от положения равновесия при нагрузке 1мг.

Цена деления γ – это количество мг, которое нужно положить на чашу весов, чтобы указатель отклонился на 1 деление шкалы:

. (3)

Таким образом, для определения чувствительности весов нужно определить положение указателя на шкале, соответствующее положению равновесия при отсутствии нагрузки (назовем это положение нулевой точкой ненагруженных весов п_{0 ср}) и положение указателя при нагрузке весов в 1мг (назовем его п_{1 ср}). Следовательно:

. (4)

Определение п_{0 ср} – нулевой точки ненагруженных весов производиться методом наблюдения качания указателя коромысла. На чашах весов при этом не должно быть гирь, рейтер должен быть поднят. Отклонения указателя а_i вправо от нуля «0» считать со знаком «+», влево от «0» – со знаком «—». Начальное отклонение а₀ не учитывается:

. (5)

Нулевая точка определяется по трем значениям:

.(6)

Определение п_1ср – нулевой точки весов с нагрузкой 1мг производиться таким же образом, как и нулевой точки ненагруженных весов – методом качания коромысла. Поскольку в наборе гирь нет гири в 1мг, то создать нагрузку в 1мг можно с помощью рейтера, поместив его на 1-ое деление коромысла. Определение п_{1 ср} производиться также как и п_{0 ср}, по формулам (5) и (6). Очевидно, что п_{1 ср} не совпадает с п_{0 ср}. По формулам (3) и (4) определяются α и γ с размерностью дел/мг и мг/дел соответственно.

V. Определение массы тела

При определении массы тела нужно сравнить нулевую точку ненагруженных весов п_0ср с нулевой точкой нагруженных весов п_2ср (весы нагружены взвешиваемым телом). При этом нужно учитывать, что положение нулевой точки ненагруженных весов п_0ср зависит от установки весов и может меняться в результате неосторожного обращения с весами – перестановки с места на место их, резкого снятия с арретира, неправильного расположения гирь и взвешиваемого тела и т.д. Поэтому, начиная и заканчивая выполнять работу, нужно всегда определять нулевую точку ненагруженных весов.

Определив п_0ср, считаем, что при данном положении указателя (стрелки) левая и правая чаши весов уравновешены.

Процесс определения массы заключается в подборе такой массы гирь, которая уравновешивает данное тело. О том, что тело уравновешено можно судить по совпадению нулевой точки п_0ср и нулевой точки п_2ср нагруженных весов. Нулевую точку нагруженных весов определяют аналогично п_0ср методом качания коромысла при нагруженных весах (формулы (5) и (6)). Для более быстрого подбора массы гирь, при которой указатель будет качаться около положения равновесия, можно пользоваться следующим способом: сначала надо взять массу гирь m₁ примерно равную массе взвешиваемого тела m, и даже несколько большую m (гири брать, начиная с больших десятков грамм и граммов), и осторожно снимать коромысло с арретира.

Если m₁ >m (т.е. указатель стрелки сильно отклоняется вправо), то арретировать коромысло и положить гири массой m₂. Снова проверить отклонение указателя. Если указатель снова отклоняется вправо, то взять опять массу гирь равную половине предыдущей: m₃ = m₂ / 2. Если теперь указатель отклоняется влево, то, следовательно, определена «вилка» для массы тела и, пользуясь мелкими гирями (дециграммовыми, сантиграммовыми), нужно добиваться свободных качаний указателя стрелки. Добившись свободных качаний стрелки нужно достичь совпадения нулевых точек нагруженных и ненагруженных весов. Если этого не удается сделать с помощью гирь, то нужно использовать рейтер, догружая весы миллиграммами и десятыми долями миллиграмма.

При совпадении п_0ср и п_2ср или отличии их не более чем на 2 деления, можно считать, что масса тела m=m₂+ m΄, где m₂ – масса гирь на чаше весов, а m ΄ – число миллиграммов, полученное за счет рейтера, помещенного на плече (правое или левое плечо коромысла).

Пример:

а) на чаше весов гири 23,710 г, а рейтер находиться на 3-ем оцифрованном и 2-ом мелком делении справа от нуля. Следовательно, m =(23,710+0,0034)г=23,7134г.

б) на чаше весов гири 23,720 г, а рейтер находиться на 7-ом оцифрованном и 1-ом мелком делении слева от нуля. Следовательно, m =(23,720–0,0072)г=23,7128г.

Если же п_2ср отличается от п_0ср более чем на 2 деления, то вводиться поправка:

. (7)

Или, учитывая цену деления γ (формулы (3) и (4)):

. (8)

Тогда масса тела определяется следующим образом:

, (9)

где δ – погрешность весов (для данных аналитических весов δ =0,001г).

Знак перед Δ m зависит от того, где находится нулевая точка нагруженных весов относительно нулевой точки ненагруженных весов: если п_2ср правее п_0ср, то знак «+»; если п_2ср левее п_0ср, то знак – «—».

После взвешивания вновь нужно определить нулевую точку ненагруженных весов п΄_0ср. Если она отличается от величины п_0ср, определенной вначале, то при вычислении пользуются средним арифметическим из п ΄_0ср и п_0ср.

Контрольные вопросы:

1.Для чего предназначены аналитические весы? Показать их основные части и объяснить назначение этих частей.

2.С какой точностью производится взвешивание на аналитических весах?

3.Сформулируйте правила точного взвешивания.

4.Что называется нулевой точкой весов?

5.Как определить чувствительность весов? От чего она зависит?

6.Что называется ценой деления шкалы? В каких единицах она измеряется?

7.В чем различие между весом и массой?

8.Изменился бы результат взвешивания, если бы одно и тоже тело взвесили на одних и тех же весах на полюсе и на экваторе?

9.Влияет ли наличие воздуха на результат взвешивания? Если влияет, то, необходимо ли это учитывать при имеющейся точности взвешивания?

10. Составить алгоритм выполнения данной работы.

Дата добавления: 2015-08-29