自制精密测微天平

郝文翰　清华附中

指导老师：孟卫东　清华附中

１．研究动机

　　天平是学生在学习力学知识时必须的研究器材、而有时我们需要利用天平对一些物体的质量进行精密测量。有时也要测量一些质量极小的物体。然而由于器材的限制，有时我们无法完成任务。为了更好地进行物理实验内容的学习，我便自行设计了一台测微天平。

２．研究设备、工具与器材

    研究所使用的工具：游标卡尺，测角仪，刀具
　　研究所使用的器材：木块若干、玻璃片、刀片、钢针、砝码、齿轮、滑轮、细线、小烧杯、机油、重锤、粘接剂。

３．研究过程与方法

　　对于一个测微天平来说，最大的问题在于如何将极小的带测量放大致可读取的数值。这需要一种对很小的变化也有极敏锐反应的测量器材。为达到这一目的，我选择了一个对倾斜角有极好反应的水平摆倾斜仪。如图（1）。这个仪器能观测百分之一秒的倾斜角度。

附：水平摆倾斜仪原理：

　　A杆的一端附有重锤M。这个摆在旋转轴00’的周围内摆动。旋转轴与垂直线成的倾斜角i。如i很小,M大致在水平面运动。且i越小,M摆的震动周期越大。
   当底盘倾斜时。M的静止位置就会移动。其移动量和盘的倾角成正比。和摆周期的平方成正比。

    配合测微仪的工作原理，天平应对重物的质量有成比例的倾角变化。由此，我想到将天平的中心下降到转轴下方。使其在倾斜时产生一个力矩与天平一端微小量所产生的力矩平衡。从而测定其大小。上述想法我通过在天平的正下方安置一个可上下调节的小重锤来完成。通过重锤的上下调节，即改变了量又改变了其敏感度，至于微量量程以外的质量可通过游码来调节平衡。考虑到测微天平不易平动操作。所以建议采用齿轮与滑轮组来远程操作，避开工作区。建立标尺以进行粗调。在中心处插一根钢针并将其浸入机油，增加天平的摆动阻尼。

　　天平的结构框架确定后，就是繁杂的砝与倾斜仪的制定工作了。

４．研究结果

　　标定工作基本顺利，除了游码的调节略嫌粗糙外，基本已投入使用。

５．讨论

　　1）实验中使用刀片与玻璃片作为支架以减小摩擦。
　　2）为节省空间，将调节重锤与阻尼片合并。
　　3）调节游码时要单方向调节，消除齿轮的空程。
　　4）将水平摆的位移值转化为质量，直接读数。
　　5）避免空气影响，需要玻璃防风罩。

６．结论

   通过实验设计，用理论与实际相结合的方法，制成了一个简便的侧微仪，结构简单，手动性很强，已投入使用，效果很好。