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Sandbox Physics

M021 · IN02 · 精密称量

精密天平与空气浮力

同一个物体,换了空气密度,读数为什么会变? 空气会同时托住样品和砝码。两者密度不同,排开的空气也不同,质量示值就会改变;知道各自密度后,可以用浮力修正恢复质量。

移动称盘悬点,标定零点和灵敏度,比较直接称量与替代称量。保存探测信号,再修正空气浮力。原有力矩工作台仍可使用。

交互模型精密天平与空气浮力
质量示值99.8950 g99.8950\,\mathrm{g}
浮力修正后质量100.0000 g100.0000\,\mathrm{g}
空气浮力修正105 mg105\,\mathrm{mg}
所存探测信号−15.4 div-15.4\,\mathrm{div}

探测器留下的读数

横轴:观测时刻。纵轴:所存探测信号;每个点是一次采样。

时刻左侧载荷原始信号右侧配重
标定、模型与来源

Fg−Fb=mg(1−ρaρ)F_g-F_b=mg\left(1-\frac{\rho_a}{\rho}\right)

空气向上托住物体,托力等于它排开空气的重量。样品和砝码排开的空气可以不同。

mx=mind1−ρa/ρr1−ρa/ρxm_x=m_{\rm ind}\frac{1-\rho_a/\rho_r}{1-\rho_a/\rho_x}

质量示值以当前空气中的真实质量砝码作比较。修正时,样品密度、砝码密度与空气密度都须已知。

  • 力臂从支点量到悬点。梁转角为正时左盘下降。指针恢复刚度直接设定;平衡角越过允许范围时,梁停在限位。
  • 电磁补偿图用固定力常数线圈替代右侧砝码。理想伺服让梁保持水平,用所测电流确定平衡力矩。
  • 同盘替代会消去固定配重与两臂不等的影响。两次样品读数夹住一次标准读数,平均后可消去这一段线性漂移。
  • 标定保存空盘与十克标准的两次读数。重复性噪声按固定种子在给定上界内取样;零点和灵敏度标定理想化为短时测量。

NIST SOP 2 (2019), equations 3 and 5, section 5.1 · METTLER TOLEDO, External Influences (2001), pp. 1–2

物理教程

空气改变了称盘接到的力

背景一百克样品比同质量钢砝码占的体积大。空气托着两者,但托住样品的力更大。

为什么值得理解浮力的一点差别,就能改变精密称量的末尾数字。天平两臂不等长,还会带来另一份误差。

先抓重点

核心问题
同一个物体,换了空气密度,读数为什么会变?
一句话直觉
天平比较向下压称盘的力;样品与砝码排开的空气不同,就要修正浮力。

核心数学模型

空气托走了一部分重量

F=mg(1−ρa/ρ)F=mg(1-\rho_a/\rho)

质量用千克、密度用千克每立方米、力用牛顿。空气的托力等于物体排开空气的重量。

从比较示值恢复质量

mx=mind1−ρa/ρr1−ρa/ρxm_x=m_{\rm ind}\frac{1-\rho_a/\rho_r}{1-\rho_a/\rho_x}

示值用当前空气中的真实质量标准作比较。修正需要知道样品和砝码各自的密度。

前后两次样品夹住一次标准

Δs=sA,0+sA,102−sB,5\Delta s=\frac{s_{A,0}+s_{A,10}}{2}-s_{B,5}

三次采样等间隔,两次样品读数的平均可消去线性零漂。用所存标定的灵敏度,把信号差换成质量差。

常见难点

质量与示值

容易误解空气密度变了,样品的质量也变了。

正确理解改变的是样品排开空气的重量。称盘接到的向下力变了,示值随之改变。

力从哪里传到梁上

容易误解物体在自由悬挂的称盘里滑动,也会改变它对梁的力臂。

正确理解称盘通过悬点向梁传力。本实验移动的是悬点,所以力臂确实改变。

动手实验

  1. 01

    先比较密度

    比较“空气托起样品”和“密度相同”。

    你会看到: 样品与标准密度相同时,浮力修正为零。
  2. 02

    换一种称法

    比较“力臂不等”和“同盘替代”,分别保存称量。

    你会看到: 两臂虽然不等,同盘替代仍会消去固定配重的影响。
  3. 03

    留住一份测量

    保存称量,再移动样品悬点,然后选回旧称量。

    你会看到: 当前装置的预览变了,原来存下的探测读数与标定仍保持不变。
  4. 04

    用线圈代替砝码

    选择“用电流平衡”。

    你会看到: 理想反馈让梁保持水平,测到的线圈电流给出平衡所需的力。

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  1. 文章空气也会托住天平上的物体
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