分析天平是化学学科的重要工具, 尤其对于分析化学来说是重要、常用的衡量仪器。化学工作者都必须熟悉如何正确使用天平, 所以在化学实验教学中天平的使用是非常重要的教学环节。以定量分析实验为例, 常量分析的允许测定误差常常不超过测量结果的千分之几, 根据这一要求, 北京大学化学基础实验教学中心定量分析实验室配备了一系列的分析天平, 即天平感量在0.1mg的天平, 不但包括技术先进、操作简单的电子天平 , 还有便于操作训练、原理理解的机械天平。
1 机械天平与电子天平的特点
近年来, 虽然随着技术水平的提高和设备的更新, 许多基层化验室、学校、科研院所已经广泛使用了电子天平, 但由于我国技术与经济现状, 仍有不少工厂、企业、基层化验室还在使用部分机械加砝码天平和单盘天平, 两者共存的情况也给我们实验教学提出了相应的教学要求。机械天平和电子天平孰优孰劣只有根据不同的场合和需求进行选择。
1.1 机械天平的特点
近代机械天平可以追述到18世纪, 天平开始采用刀子支承, 大大提高了精度。到19世纪下半叶,天平的精度基本上达到了今天所具有的精度水平。19世纪下半叶到20世纪初, 天平在结构上又得到了许多重大改进。1945年瑞士研制成功台实用的单盘天平。它比起传统的双盘天平具有更多的优越性, 如消除不等臂误差和灵敏度不随载荷的变化而变化等。1960年美国国家标准局发表了一篇报告, 列举了单盘天平11大优点, 新型的单盘天平就逐渐取代了传统的双盘天平。以下就以北京光学仪器厂DT-100A型单盘天平为例, 介绍机械分析天平的特点:此天平为不等臂横梁、光学投影显示、机械式单盘天平, 它具有感量恒定、无不等臂性误差、全机械减码操作简单、称量较迅速、维护保养方便等优点。
(1)感量恒定:杠杆式等臂天平的感量, 空载时和重载时往往不完全一样, 即随着横梁负载的改变而略有变化;而单盘天平在使用过程中, 被称物与天平内挂砝码处于同一悬挂系统中, 被称物的质量等于从悬挂系统中减去的砝码的质量, 悬挂系统的总质量不随被称物质量的不同而改变, 其横梁的负载是不变的, 因此, 感量也是不变的。
(2)没有不等臂性误差:双盘天平的两臂长度不一定完全相等, 因此, 往往存在一定的不等臂性误差, 而单盘天平的砝码和被称物同在一个悬挂系统中, 承重刀与支点刀之间的距离是一定的, 所以不存在不等臂性误差;由于采用“替代称量法”, 其称量误差主要来源于内含砝码, 而这种天平的棒状砝码(属于机械挂码)的度很高, 优于2等砝码。
(3)称量速度较快:天平设有半开机构, 可以在半开状态下调整砝码;横梁在半开时可轻微摆动, 使光屏上的标尺投影能显示约15个分度, 足以判断调整砝码的方向, 明显缩短了调整砝码的时间;又由于阻尼器(活塞式结构)效果好, 使标尺平衡速度快,所以称量速度明显快于双盘天平。当今科学技术发展日新月异, 科学实验仪器技术的发展速度之快, 让人目不暇接。但是实验教学的原则要牢牢树立:既要便于实验过程的观察和原理的理解, 方便学生动手, 又要手段先进, 过程、快捷, 利于学生手脑并用能力的提高。这两方面的要求本身就是一个矛盾体, 如何解决这一矛盾, 就要把握好“度”, 把握好“方式”。
综上所述, 我们根据化学实验教学的要求, 一种类型的分析天平不能满足要求, 那就两种共存, 做到有效的功能互补作用。既要保证分析天平称量达到必要的相对准确度, 操作方便快捷, 又要满足学生对实验仪器工作过程原理的理解和提高学生自身实验素养的要求。
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