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【物理素材】物之组成【廿五】  

2015-01-08 05:45:37|  分类: 物理教学素材 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【物理素材】物之组成【廿五】
中国古代对密度的认识及应用
陕西省宝鸡市陈仓区香泉初中 邢 星






一、对密度的认识

 

密度表示物质的一种特性,即体积相等的不同物质,其质量不相等。中国古代对此的认识,从古籍看,至少可追溯到春秋末到战国初(公元前400年前后)。

 

《孟子》中有:“金重于羽者,岂谓一钩金与一舆羽之谓哉?”意思是说,把金属看成比羽毛重,是取它们体积相同这一条件相比较,如果忽略了体积,把一小钩金属与一车羽毛相比较,就难说了。这就说明,在战国时期,我国先民就认识到,物质的质量与物质的种类及体积有关系,或者说已经认识到体积相同的不同物质的质量是不同的,说一种物质的质量比另一种物质的质量大或小,应以相同的体积为前提。

 

二、对密度的测量

 

中国古代对固体密度测量,最早记载为春秋末战国初(公元前400年前后)成书的《考工记》,其中有:“栗氏为量,改煎金锡则不耗,不耗然后权之,权之然后准之,准之然后量之。”意思是说栗氏制造量器时,要反复冶炼铜锡合金(青铜),直至合金精纯而不含杂质为止,然后称量出制造量具所需合金的重量,再用水测量所称合金的体积,看是否合乎制造量具的要求。这是目前为止,中国古代运用密度检测物质纯度的最早记载。这比著名的阿基米德测量王冠纯度的方法早了200多年。

 

中国民间常有“寸金”之说,比如“寸金难买寸光阴”,那么“寸金”到底是多少金呢?

《汉书?食货志》中有记载:“太公为周立九府圜法,黄金方寸,而重一斤……。”据《中国古今代黄金史稿》载:“据考证‘黄金方寸而重一斤’是指长、宽为一寸(周代一寸,合今2.31cm),厚为七厘(合今0.1617cm)的一块周代黄金版,它的质量为一斤(合今16.35g)。”,按这一考证计算,黄金密度ρ=18.96g/cm3(金纯度>95%)。若按一般算法,可知周1斤质量为今228.86g,则金的密度ρ=18.56g/cm3。按现在金的密度为19.3g/cm3,以此求方寸金的质量为234.88g,这与周代方寸金的质量仅差6g,说明中国古人用金的密度去规范质量标准是相当科学的。

 

成书于西晋时期的《孙子算经》,记载了一些物质的密度,如“每方寸物之重为:金一斤,银一十四两,玉一十二两,铜七两半,铅九两半,铁六两,石三两。”这可算作中国古代最早的“密度表”了。

 

三、用比重计测液体的密度

 

液体的密度与液体中溶质的浓度有关,中国古代有关液体密度的测定主要是对盐卤浓度的测定,这方面的最早文献是唐代段成式所著《西阳杂俎》(863年)中的记载:“石莲入水必沉,唯煎盐咸卤能浮之。”这里的“石莲”相当于现代的比重计。

 

北宋的赞宁在《物类?感志》中记载:“盐卤好煮,以石莲投之则浮。”几乎同时期的乐史在他的地理巨著《太平圜宇记》中记述了用十个莲子测试盐卤浓度的方法。11世纪的姚宽在《西溪从语》有更详细的记载:“予监台州(今浙江临海等县)杜渎盐场,日以莲子试卤择莲子重者用之。卤浮三莲、四莲味重,五莲尤重。莲子取其浮而直,若二莲直或一直一横,即味差薄。若卤更薄,则莲沉于底,而煎盐不成。闽中之法,以鸡子、桃仁试之,卤味重则正浮在上;咸淡相半,则二物俱沉。与此相类。”这种用莲子、鸡蛋、桃仁测定盐卤密度的方法,根据它们在液体中的沉浮情况,就能判断出溶液中盐卤的浓淡。元代陈椿的《熬波图咏》、明代陆容的《菽园杂记》和方以智的《物理小识》中都叙述了用这些方法测定盐卤浓度,并将莲子做成“莲子管”,根据管中莲子在液体中沉浮的多少即可把盐卤的浓淡定量地分成几个等分。

 

四、对水的密度变化的认识

 

由于热胀冷缩,质量一定的某种物质,其体积随温度而变化,则密度将随温度变化。对于水,由于它的反常膨胀,在温度为4oC度时密度最大。《后汉书?礼仪志》就有关于水的密度与温度、成分有关的记载。

 

中国古人善饮茶者,非常注重泡茶水的选择,民间有“蒙顶山上茶,扬子江心水”之说,也许是对饮茶用水的研究,催生了对水的密度的测量。

 

有关水密度的测定,中国最早在《后汉书?礼仪志》有记载:“冬至前后……,权水轻重,水一升冬重十三两……。”说明当时的古人已认识到水的密度与温度有关,冬至前后,我国北方气温一般在0℃上下这时水的密度较大。已知汉代1两合今13.92g,1升合今198.1mL,据此计算水的密度ρ=0.9134g/mL,这一结果虽然与现今结果(0℃时为0.99987g/mL)误差较大,但这是2000年前给出的定量结果,按当时的设备环境来说,水的密度取得这样的数据也是相当准确的。这也是世界上水密度的最早记载。宋程大昌(1123~1195)在《演繁露》中说:“世传水之好者,比他水升斗同而铢两多,……不独水有重轻,土亦然也。”这里的“水有轻重”就是指水的密度不同,认为水有轻重之分是正确的,但认为好水重却不一定正确。在今天看来,不同地域的水,其中所含物质成分、浓度不同,密度(轻重)当然就会不同,越是纯净的水,其中所含矿物质越少,其密度就越小。

 

清乾隆年间(1736~1795)有人曾对国内一些地区的“名泉”水的密度进行了测定。据《玉泉记》记载:“水味贵甘,水质贵轻,曾制银斗较量玉泉之水,每斗重一两,塞上伊逊相同。济南珍珠泉重二厘(意为比玉泉水重二厘),扬子(江)金山(水)重三厘,惠山、虎跑(水)重四厘,平山(水)重六厘,清凉、白沙、虎邱、碧云(水)各重一分……。”





测量质量最公平最精确的工具──天平
辽宁省北票市第四中学 郎庆川






天平是实验室中常用的仪器。是一种常见衡器,是衡量物体质量的仪器。它依据杠杆原理制成,在杠杆的两端各有一小盘,一端放砝码,另一端放要称的物体,杠杆中央装有指针,两端平衡时,两端的质量(重量)相等。这些道理对学过物理学的人来说已经是老生常谈了。现代的天平,越来越精密,越来越灵敏,种类也越来越多。我们都知道,有普通天平、分析天平,有常量分析天平、微量分析天平、半微量分析天平,等等。须知,天平不是一下子就发展成今天这个样子的,它还有一段发展史呢!

 

根据纸草书的记载,早在公元前1500多年,埃及人就已经使用天平了,还有人说,这个时间还要早,大约在公元前5000年以前。古埃及的天平虽然做的很粗糙,但是已经有了现代天平的轮廓,成为现代天平的雏形。

 

古代的一种衡器,产生较早,到春秋晚期,天平和砝码的制造技术已经相当精密。以竹片做横梁,丝线为提纽,两端各悬一铜盘。后因天平秤重物比较麻烦,改为“铨”,称量小物时才用天平。

 

天平的发明很早。在埃及尼罗河三角洲盛产一种水生植物,很像我国多水地区生长的芦苇,将其茎逐层剥离撕成薄片,可以写字,这种东西叫做纸草。许多欧洲国家的文字中的纸就是从纸草的拉丁文演变而来的。用纸草写成的书是纸草书,它成为古代埃及重要的历史文献。我们如今知道的古埃及的情况,特别是科学技术的历史发展情况,很多都是来源于纸草书上的记载。当然,纸草书上的文字不是现代文字,而是一种象形文字,经过很多专家的研究才读懂了那种文字。据纸草书的记载,早在公元前1500多年,埃及人就已经使用天平了,还有人说,这一时间还要早,大约在公元前5000年以前。古埃及的天平虽然做的很粗糙,但是已经有了现代天平的轮廓,成为现代天平的雏型。下图画的就是古代埃及人使用的天平。

 

【物理素材】物之组成(十三) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

从图可见,这种天平是用一根竖棍中间钻个孔,横穿一根棍儿,在棍的两端各用绳子挂上一个盘子。这种天平使用了很长时间,直到大约公元前500年,罗马的“杆称”才出现,杆称靠移动称砣的位置来保持与被称物品重量的平衡,实际上是将天平的一端(放砝码端)由固定式变成活动式,其好处是只要配上一个称砣就可以了,而天平的砝码要好几个。杆称也是用绳子吊一个盘子,再用绳子吊一个称砣,除一端可活动外,基本形式与天平相同。

 

人们在使用天平和杆称过程中,感到用绳子吊一个盘子是一件很麻烦的事,使用起来很不方便。于是,有人想去掉这讨厌的绳子,17世纪中叶,法国数学家洛贝尔巴尔发明了摆动托盘天平,托盘天平的发明被认为是对古老的吊式天平的重大改进,至今,托盘天平仍在被广泛使用。

 

应当指出,托盘天平的发明并没有使吊式天平退出历史舞台,相反,吊式天平不仅为人们继续使用,特别是科学家们仍继续使用着,而且在使用中不断改进,现代广泛应用的精密天平大都是吊式的,而托盘天平在日常生产和生活中用的较多,在科学实验中大多在精确性要求不太高的称量中使用。

 

天平有着悠久的发展史:在化学实验中较早使用天平的有英国化学家布莱克,他生活和工作于18世纪,那个时候,正是化学中不断发现气体、并开始建立理论的时期。布莱克在化学研究中非常重视实验,而且是第一个应用定量的方法研究气体的人,定量研究需要称量,而称量离不开天平。历史资料表明,布莱克确实使用了天平,他用过的天平至今仍保存在爱丁堡皇家博物馆中,下图即是布莱克用过的天平。

 

【物理素材】物之组成(十三) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

用绳子挂着称盘,横梁又挂在另一个称钩上。布莱克正是用这个天平进行化学实验研究,而且做出了发现的,这个天平的使用,不仅在化学实验中建立了定量方法,而且对天平的进一步发展、改良,也是重要的。

 

布莱克之后,英国化学家亨利·卡文迪许也进行过精密的定量实验,据说还曾设计制造过天平,由于卡文迪许本人的生平资料不详,很难确切知道他是何时和如何设计、制造天平的。后来,卡文迪许用过的天平曾在皇家科学院展览。这架天平放在柜内,天平的式样从外面看不太清楚,18世纪的法国,天平比较普及,有许多小店铺就出售天平。18世纪末英国也已经制造出了一种天平,横梁中央嵌上刀口。把它放在玛瑙盘中,大大提高了精密度和灵敏度。当时出现了一些天平设计家和制造家,不过,据说天平的价格比较贵,而且要先预定,天平虽不那么精密,但比较容易买到。

 

在英国,使用天平的不限于化学家和科学家,普通医药商店也常用天平,化学原子论的提出者道尔顿,在科学研究中经常使用天平,由于道尔顿在化学史上的重要地位和他在英国科学界的影响,使他成了著名人物,成了著名化学家,他使用过的天平据说也成了不凡之物,后来为英国曼彻斯特文学和哲学会所有,并为该会收藏。道尔顿曾经是这个学会的会员。

 

19世纪20年代,伦敦有一位仪器设计家叫罗宾逊,他开始设计和制造分析天平,不仅英国,就连美国在一个时期里都使用这种天平。罗宾逊用空心材料做横梁,把梁做成三角形,竖梁中部有指针。

 

有刻度横梁和游码的天平,大约也是在19世纪诞生的(前面介绍托盘你天平时,在图中横梁上标有刻度和游码),究竟谁是这种天平的发明人有不同说法,也存在争议。可是1851年在伦敦召开了一次国际博览会,英国和欧洲大陆国家的一些主要天平制造商都参加了,经博览会审查团审议,最后把最高奖奖给了奥耶领,以表彰他在有刻度横梁和滑动装置(即游码)天平的制造上所做的贡献,由此看来,奥耶领的发明权得到了国际上的确认。

 

在很长时期里,天平制造业中流行一种理论,认为天平的横梁越长天平越灵敏。但是有一个叫波尔·邦格的人却不受这种理论的限制,1866年,他设计、制造了一架短横梁分析天平。后来,在天平设计理论方面,他也有建树。

 

罗马时代晚期的专用钱币天平

 

天平的改进,除了横梁、接触点、游码、刻度等方面以外,还表现在其它方面,例如,19世纪前半期,已经出现了旋钮天平。旋钮天平有什么优点呢?原来,早期的天平,横梁架在竖直的柱上,用时和不用时都是一样的。后来分析天平出现了,分析天平的刀口用玛瑙制成,为了减少刀口的损伤,不用平天时,将天平横梁架在一个架子上,让刀口不再受力,用时再将刀口架在支撑碗上。这些都是通过旋纽装置控制的。现代分析天平都有旋纽装置。

 

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随着科学的发展、技术的进步,天平的设计和制造不断取得长足的进展。正是经过一代一代人的不懈努力,经过技术的积累和提高,才有了今天的各式各样的现代天平。如今,在化学实验室中,常用的天平有:托盘天平,正如前面讲过的,用于精确度要求不高或测定物料的大致质量,可称量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);电光天平,设有空气阻尼装置或电磁阻尼装置,使天平既具有高灵敏度又能迅速阻止横梁的摇动,电光天平从外观上看不见砝码,能看到放置要测物的称盘,砝码的加减用旋转刻度盘操作,称量的数值可通过投影刻度标尺直接读出。

 

最后介绍几种特殊的天平:

 

微分标牌天平

 

结构与普通标牌天平相似,不同的是:横梁指针下端装有微分刻度牌。立柱下端装有用以放大并在投影屏上显示微分读数值的电光系统。吊挂系统增加了套筒式空气阻尼器,称量时能使横梁迅速停止摆动,便于定点准确读数。在天平外框罩上装有凸轮杠杆式或其他形式的部分量程机械加码(一般为10~999mg)或全量程机械加码装置,以代替人工加码。微分标牌天平的最小分度值一般都在0.1mg以上,准确度也比普通标牌天平高。

 

架盘天平

 

一种双托盘天平。秤盘安放在横梁两边刀上方的盘架上,秤盘和托盘架重心高于横梁支点。砝码或被称物在处于秤盘前后位置时会引起秤盘盘架和横梁前后倾侧,在处于秤盘左右位置时会引起秤盘盘架的左右倾倒。为克服此缺点,架盘天平采取了加长中刀、边刀和加宽刀架的措施,并在结构设计上采用了罗伯威尔(Roberval)机构。

 

单盘不等臂机械天平

 

也是以杠杆平衡原理设计的。工作时,在加上被衡量物体后,减去悬挂系统上的砝码,使横梁始终保持全载平衡状态。所减砝码质量加上微分度牌读数值,就是被衡量物体的质量。

 

电子天平

 

它是传感技术、模拟电子技术、数字电子技术和微处理器技术发展的综合产物,具有自动校准、自动显示、去皮重、自动数据输出、自动故障寻迹、超载保护等多种功能。电子天平通常使用电磁力传感器(见称重传感器),组成一个闭环自动调节系统,准确度高,稳定性好。电子天平的工作原理如图 5所示。当秤盘上加上被称物时,传感器的位置检测器信号发生变化,并通过放大器反馈使传感器线圈中的电流增大,该电流在恒定磁场中产生一个反馈力与所加载荷相平衡;同时,该电流在测量电阻Rm上的电压值通过滤波器、模/数转换器送入微处理器,进行数据处理,最后由显示器自动显示出被称物质量数值。  












 

 

 

2010年6月22日 - 馨雅居温馨苑欢迎你

 

 

 


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