為什麼天平砝碼放置的位置對測量結果沒有影響?

時間 2021-05-12 20:16:10

1樓:

這是乙個好問題,我之前也有這個疑問。

要解答此問題,便需從普通托盤天平(圖1)的結構構造說起。

圖1 托盤天平

一般人都知道天平的結構就是乙個等臂槓桿,如圖2。但對於這種結構,只有當物體和砝碼都放在天平盤的中心位置時 ,天平才是乙個等臂槓桿,否則便左右力臂不等,砝碼質量也就不等於待測物的質量。而在實際的使用過程中,我們卻發現,物品和砝碼放置的位置幾乎不會影響平衡。

圖2 等臂槓桿

有些人可能也觀察到,在天平不平衡或左右搖擺過程中,托盤及下部的連桿卻都一直能保持豎直,這避免了物品或砝碼的不穩定。

事實上,以上兩種功能的實現,都離不開天平的精巧結構,如圖3。

圖3 托盤天平結構

從圖中我們可以發現,天平的結構並不是乙個簡單的等臂槓桿,而是一種矩形結構(實質上不平衡時為平行四邊形結構),其結構簡圖如圖4所示。等臂槓桿AA′為橫樑,其支點為O;BC和B'C'均為豎直槓桿,支點分別為A、A';O′B'和O'B均為可繞固定點O'轉動的連桿,這一部分在天平底座內部,其中B和B'也是可以轉動的。

圖4 天平結構簡圖

下面就來解釋為何砝碼位置對測量結果沒有影響。

圖5 砝碼位置偏離時受力簡圖

如圖5所示,用托盤天平測量物體的質量,當砝碼(重為G)偏左時,對於槓桿B′C',其支點為A',有F1*L1=F2*L2,其中F1=G,杆O'B'對槓桿B'C'施加向左的拉力F2。

反之,砝碼偏右時,杆O'B'對槓桿B'C'施加向右的推力。這樣,附加的力矩 F2*L2就把因砝碼位置偏離托盤中心而產生的力矩F1*L1平衡掉了,這就保證了測量結果不受託盤中砝碼位置的影響。

而連桿O′B'和O'B上的力則都通過鉸O'傳遞到底座上,最終由底座與桌面的摩擦所承受。

同樣,對於待測物偏離托盤中心的情況也是如此。也正由於物體和砝碼在天平托盤中的位置不影響天平的平衡 ,所以我們說天平相當於乙個等臂槓桿。

以上功能的實現都得益於底座內部的連桿,所以下次使用托盤天平時,你可以注意一下。

2樓:37度

宿舍停電了,冒著手機沒電的風險決定答一下這個問題。

我們請出靈魂畫手37度。

紫色表示砝碼。

橙色是天平。

雖然我沒怎麼用過這種托盤天平,但是我猜測,天平托盤下邊是類似乙個棍插在乙個洞裡的樣子。也就是說只能上下活動。

這個藍色向下箭頭表示砝碼的重力,即對托盤的作用。

如圖。可以在托盤下方的棍上同時加乙個向上和向下互相抵消的力(倆藍色箭頭),相當於啥也沒變。中間畫一條無意義的藍線。

然而我把部分箭頭換種顏色。綠色

你會發現,原來的淺藍色重力,被一組綠色和深藍色替代了。

這就是以後大學物理可能學到的力(藍色)和力偶(綠色)。

力偶只有讓物體旋轉的作用。不會使物體平移。

然而下部是固定在洞裡的,不能旋轉,其實是結構提供了反向的力偶(黃色箭頭),這個力偶是可以在剛體(不能形變的物體)上隨便移動位置的。你知道這倆力偶抵消了就行。就好比你推乙個旗桿,推不動。

我黃色箭頭也就是瞎畫的。

綜上,力在哪都一樣。

手機還有3%的電了。。。

另外,願題主上大學時候不要選物理專業。否則這個托盤可能會變形。

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