講述天平與砝碼的起源 天平的發(fā)明很早。在埃及尼羅河三角洲盛產(chǎn)種水生植物，很像我多水地區(qū)生長(zhǎng)的蘆葦，將其莖逐層剝離撕成薄片，可以寫字，這種東西叫做紙草。許多歐洲家的文字中的紙就是從紙草的拉丁文演變而來(lái)的。用紙草寫成的書是紙草書，它成為古代埃及重要的歷史文獻(xiàn)。我們現(xiàn)在所知道的古埃及的情況，特別是科學(xué)技術(shù)的歷史發(fā)展情況，很多都是來(lái)源于紙草書上的記載。當(dāng)然，紙草書上的文字不是現(xiàn)代文字，而是種象形文字，經(jīng)過(guò)很多專家的研究才讀懂了那種文字。據(jù)紙草書的記載，早在公元前1500多年，埃及人就已經(jīng)使用天平了，還有人說(shuō)，埃及人使用天平的時(shí)間還要早，約在公元前5000年以前。古埃及的天平雖然做的很粗糙，但是已經(jīng)有了現(xiàn)代天平的輪廓，成為現(xiàn)代天平的雛型。下圖畫的就是古代埃及人使用的天平。 天平與砝碼從圖可見(jiàn)，這種天平是用根豎棍中間鉆個(gè)孔，橫穿根棍兒，在棍的兩端各用繩子掛上個(gè)盤子。這種天平使用了很長(zhǎng)時(shí)間，直到約公元前500年，羅馬的“桿稱”才出現(xiàn)，桿稱靠移動(dòng)稱砣的位置來(lái)保持與被稱物品重量的平衡，實(shí)際上是將天平的端（放砝碼端）由固定式變成活動(dòng)式，其好處是只要配上個(gè)稱砣就可以了，而天平的砝碼要好幾個(gè)。桿稱也是用繩子吊個(gè)盤子，再用繩子吊個(gè)稱砣，除端可活動(dòng)外，基本形式與天平相同。
人們?cè)谑褂锰炱胶蜅U稱過(guò)程中，感到用繩子吊個(gè)盤子是件很麻煩的事，使用起來(lái)很不方便。于是，有人想去掉這討厭的繩子，17世紀(jì)中葉，法數(shù)學(xué)家洛貝爾巴爾發(fā)明了擺動(dòng)托盤天平，托盤天平的發(fā)明被認(rèn)為是對(duì)古老的吊式天平的重改，至今，托盤天平仍在被廣泛使用。下圖畫的是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的種托盤天平，比17世紀(jì)的托盤天平有了很改。圖中1是天平橫梁，兩端各支撐個(gè)稱盤2。這兩部分構(gòu)成了托盤天平的骨架，體現(xiàn)了托盤天平的基本設(shè)計(jì)原理，見(jiàn)下面的示意圖：當(dāng)橫梁1平衡時(shí)，力矩相等，F1L1=F2L2，F1＝m1g， F2=m2g，L1=L2，∴m1gL1＝m2gL2，m1=m2，這就是說(shuō)，由已知砝碼的質(zhì)量可知被稱量物的質(zhì)量。下圖中3為指針，4是刻度盤，指針正對(duì)準(zhǔn)刻度盤中心表示兩端達(dá)到平衡，5為游碼標(biāo)尺，6是游碼，7是調(diào)螺母。與天平配套的還有砝碼。 應(yīng)當(dāng)指出，托盤天平的發(fā)明并沒(méi)有使吊式天平退出歷史舞臺(tái)，相反，吊式天平不僅為人們繼續(xù)使用，特別是科學(xué)家們?nèi)岳^續(xù)使用著，而且在使用中不斷改，現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的精密天平都是吊式的，而托盤天平在日常生產(chǎn)和生活中用的較多，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中多在性要求不太高的稱量中使用。 天平與砝碼在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中較早使用天平的有英化學(xué)家布萊克，他生活和工作于18世紀(jì)，那個(gè)時(shí)候，正是化學(xué)中不斷發(fā)現(xiàn)氣體、并開(kāi)始建立理論的時(shí)期。布萊克在化學(xué)研究中非常重視實(shí)驗(yàn)，而且是*個(gè)應(yīng)用定量的方法研究氣體的人。1755年，他寫了篇論文，內(nèi)容是對(duì)石灰石等堿性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究。論文中提到，他發(fā)現(xiàn)將石灰石煅燒會(huì)產(chǎn)生氣體。于是，他在煅燒前稱量了石灰石的重量，煅燒后再次稱量重量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石灰石經(jīng)過(guò)煅燒重量減少了44％，他認(rèn)為這個(gè)重量正是從中釋放出的氣體的重量。在此基礎(chǔ)上，他又行了多方面的研究，比如，他將石灰石與酸作用，發(fā)現(xiàn)也有氣體產(chǎn)生，用石灰水吸收這種氣體，并行了定量研究，他發(fā)現(xiàn)這種氣體的重量與煅燒石灰石產(chǎn)生的氣體的重量相等，由此他認(rèn)識(shí)到，石灰石中固定著種氣體，他稱之為“固定空氣”（即現(xiàn)在我們熟知的二氧化碳）。從布萊克的實(shí)驗(yàn)研究中可以了解到，他行了定量研究，定量研究需要稱量，而稱量離不開(kāi)天平。歷史資料表明，布萊克確實(shí)使用了天平，他用過(guò)的天平至今仍保存在愛(ài)丁堡*博物館中，下圖即是布萊克用過(guò)的天平。 用繩子掛著稱盤，橫梁又掛在另個(gè)稱鉤上。布萊克正是用這個(gè)天平行化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，而且做出了發(fā)現(xiàn)的，這個(gè)天平的使用，不僅在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中建立了定量方法，而且對(duì)天平的步發(fā)展、改良，也是重要的。 布萊克之后，英化學(xué)家亨利·卡文迪許也行過(guò)精密的定量實(shí)驗(yàn)，據(jù)說(shuō)還曾設(shè)計(jì)制造過(guò)天平，由于卡文迪許本人的生平資料不詳，現(xiàn)在很難確切知道他是何時(shí)和如何設(shè)計(jì)、制造天平的。后來(lái)，卡文迪許用過(guò)的天平曾在*科學(xué)院展覽。這架天平放在柜內(nèi)，天平的式樣從外面看不太清楚，見(jiàn)下圖：
我們知道，法化學(xué)家拉瓦錫，是位非常重視定量研究的人，他經(jīng)常使用天平，而且注意稱量的性。正是在的定量研究中，拉瓦錫確定了氧氣的存在，并且建立了科學(xué)的氧化燃燒理論。應(yīng)用定量方法研究化學(xué)變化，必須假定化學(xué)變化前后物質(zhì)質(zhì)量守恒，由此拉瓦錫確立了質(zhì)量守恒定律。拉瓦錫的研究工作得到天平的幫助，可是拉瓦錫本人卻很少設(shè)計(jì)和制造儀器，也沒(méi)有設(shè)計(jì)和制造過(guò)天平，不過(guò)，18世紀(jì)的法，天平比較普及，有許多小店鋪就出售天平，拉瓦錫可能得益于這種良好的條件。我們?cè)谙聢D看到的是18世紀(jì)的法天平的式樣，或許是當(dāng)時(shí)天平中的種式樣。
18世紀(jì)末英也已經(jīng)制造出了種天平，橫梁中央嵌上個(gè)鋼質(zhì)的刀口。把它放在瑪瑙盤中，提高了精密度和靈敏度。當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了些天平設(shè)計(jì)家和制造家，不過(guò)，據(jù)說(shuō)天平的格比較貴，而且要先預(yù)定，不像法，天平雖不那么精密，但比較容易買到。下圖展示的是個(gè)費(fèi)德勒的人為*學(xué)會(huì)制造的架天平，曾在倫敦科學(xué)博物館展出。 在英，使用天平的不限于化學(xué)家和科學(xué)家，普通醫(yī)藥商店也常用天平，化學(xué)原子論的提出者道爾頓，在科學(xué)研究中經(jīng)常使用天平，由于道爾頓在化學(xué)*的重要地位和他在英科學(xué)界的影響，使他成了人物，成了化學(xué)家，他使用過(guò)的天平據(jù)說(shuō)也成了不凡之物，后來(lái)為英曼徹斯特文學(xué)和哲學(xué)有，并為該會(huì)收藏。道爾頓曾經(jīng)是這個(gè)學(xué)會(huì)的會(huì)員。 19世紀(jì)20年代，倫敦有位儀器設(shè)計(jì)家叫羅賓遜，他開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造分析天平，不僅英，就連美在個(gè)時(shí)期里都使用這種天平。羅賓遜用空心材料做橫梁，把梁做成三角形，豎梁中部有指針。
有刻度橫梁和游碼的天平，約也是在19世紀(jì)誕生的（前面介紹托盤天平時(shí)，在圖中橫梁上標(biāo)有刻度和游碼），究竟誰(shuí)是這種天平的發(fā)明人有不同說(shuō)法，也存在爭(zhēng)議?？墒?span style="font-family:arial,sans-serif">1851年在倫敦召開(kāi)了次博覽會(huì)，英和歐洲陸家的些主要天平制造商都參加了，經(jīng)博覽會(huì)審查團(tuán)審議，zui后把zui高獎(jiǎng)獎(jiǎng)給了奧耶領(lǐng)，以表彰他在有刻度橫梁和滑動(dòng)裝置（即游碼）天平的制造上所做的貢獻(xiàn)，由此看來(lái)，奧耶領(lǐng)的發(fā)明權(quán)得到了上的確認(rèn)。 在很長(zhǎng)時(shí)期里，天平制造業(yè)中流行種理論，認(rèn)為天平的橫梁越長(zhǎng)天平越靈敏。但是有個(gè)叫波爾·邦格的人卻不受這種理論的限制，1866年，他設(shè)計(jì)、制造了架短橫梁分析天平。后來(lái)，在平天設(shè)計(jì)理論方面，他也有建樹(shù)。下圖所示的就是1866年邦格制造的zui早的臺(tái)短梁天平。 天平的改，除了橫梁、接觸點(diǎn)、游碼、刻度等方面以外，還表現(xiàn)在其它方面，例如，19世紀(jì)前半期，已經(jīng)出現(xiàn)了旋鈕天平。旋鈕天平有什么優(yōu)點(diǎn)呢？原來(lái)，早期的天平，橫梁架在豎直的柱上，用時(shí)和不用時(shí)都是樣的。后來(lái)分析天平出現(xiàn)了，分析天平的刀口用瑪瑙制成，為了減少刀口的損傷，不用平天時(shí)，將天平橫梁架在個(gè)架子上，讓刀口不再受力，用時(shí)再將刀口架在支撐碗上。這些都是通過(guò)旋紐裝置控制的?，F(xiàn)代分析天平都有旋紐裝置。下圖是1833年制造的臺(tái)旋紐天平。 隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的步，天平的設(shè)計(jì)和制造不斷取得長(zhǎng)足的展。正是經(jīng)過(guò)代代人的不懈努力，經(jīng)過(guò)技術(shù)的積累和提高，才有了今天的各式各樣的現(xiàn)代天平。如今，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，常用的天平有：托盤天平，正如前面講過(guò)的，用于度要求不高或測(cè)定物料的致質(zhì)量，可稱量100克、200克、500克乃至1000克；分析天平（常量分析天平、微量分析天平和半微量分析天平）；電光天平，設(shè)有空氣阻尼裝置或電磁阻尼裝置，使天平既具有高靈敏度又能迅速阻止橫梁的搖動(dòng)，電光天平從外觀上看不見(jiàn)砝碼，能看到放置要測(cè)物的稱盤，砝碼的加減用旋轉(zhuǎn)刻度盤操作，稱量的數(shù)值可通過(guò)投影刻度標(biāo)尺直接讀出。 砝碼 http://www.pfdjb.cn/ |
