我們在中學物理里學過,秤的本質是測量力的,稱量一個物體,其實是在測量這個物體所受的重力。
秤的原理都是用一個已知的力來測量未知的力。例如傳統的測量工具天平,就是用已知重量的砝碼(已知砝碼的重力),去測量未知重量的物體。我國民間使用的桿秤,則在天平的基礎上加上了杠桿原理。家用的彈簧秤、測量體重的磅秤,都是利用彈簧彈性形變時產生的力。
明白了秤的原理,我們發現其實可以利用很多不同形式的力來制作一臺秤,例如下面這個科技小制作,就是利用了磁鐵同性相斥的排斥力。
下面是這臺磁力秤:
這是外國朋友的作品,他利用了一種組合玩具來做秤的骨架。我沒發現國內有類似的玩具,所以呢,我們要仿制的話,恐怕需要一定的木工工作了。
原理很簡單啦,其實就是一個不等臂的天平,左臂向上傾斜,右臂水平,二者中間有轉軸。在傾斜臂的一側,安裝有一塊磁鐵,這塊磁鐵與固定在秤底座支架上的另一塊磁鐵極性相同,因此受到磁場的排斥力。
向秤盤里添加重物,杠桿就會向左側傾斜,左臂上的磁鐵向右下移動,兩塊磁鐵之間的距離變小,排斥力增加,當磁場的排斥力與重物的重力相抵消之后,達到平衡狀態,杠桿停在一個角度不動了。觀察右側水平杠桿向上(也就是逆時針)轉動的角度,對照刻度盤,就能夠讀出重物的重量,從而達到測量的目的。
這是轉軸部分:
這是磁鐵部分:
這是右側杠桿臂與刻度盤部分。
下面講一下秤的標定。在使用工廠生產出來的秤的時候,我們通過刻度盤的讀數來讀取被測量物體的重量。但是因為這臺秤是我們自己制造的,因此需要我們自己去確定刻度,也就是標定一臺新秤,否則它是無法使用的。
要標定一臺秤,就需要利用已知重量的砝碼,這位外國朋友利用了這種圖釘做砝碼,他通過測量得知,這種圖釘恰好是0.25克1個。
先在刻度盤上與右臂上緣平齊畫一條線,因為這時左側秤盤里沒有任何重物,因此我們把這條線標定為0克。然后往秤盤里加一個圖釘,那么秤的右臂會向上(逆時針)旋轉一定角度,在刻度盤上再沿著右臂上緣畫一條線,因為1個圖釘重0.25克,因此這條線就標定為0.25克。
依次增加砝碼也就是圖釘的數量,依次在刻度盤上增加標定數值,最終得到如下的刻度盤:
可以看出,這臺秤的最大測量范圍是10克,最小刻度是0.25克(因為標定的砝碼最小是0.25克)。
通過刻度盤還可以看出,這臺秤的度數不是線性的。什么叫線性?仔細觀察普通的磅秤、桿秤、彈簧秤的刻度盤,你會發現刻度值是均勻的,也就是1公斤到2公斤兩個刻度之間的長度,與2公斤到3公斤之間的長度是相等的。但是這臺秤的刻度表不是這樣的,0克到1克與1克到2克之間杠桿轉過的角度是不一樣的,這就叫做非線性。這是由磁場排斥力的特點決定的,就像彈簧秤是由彈簧拉力的特性決定的一樣(彈簧拉力符合胡克定律,中學物理里有講到)。
因為刻度盤不是線性的,會造成度數困難,因此作者試圖對這臺磁力秤加以改進。他設計了下面的結構,試圖得到線性的刻度。
但是請注意,上面這個圖有原理性的錯誤。他用弧形螺線管來代替固定的永久磁鐵,因為螺線管內部中心位置的磁場是近似均勻的,且中心弧線上任意兩點的磁場強度是近似相等的,因此,移動磁鐵受到的力是不變的,而我們希望這個力是線性變化的!所以,按照上面那個設計圖,不可能造出一臺與上面那臺磁力秤類似的,通過杠桿偏轉讀數的秤來。但是可以造出一臺電子秤來,至于為什么,我就不詳細分析了,因為太多的理論分析,會把大家搞糊涂的。大家如果要模仿的話,就照那臺成功的實物來模仿吧,雖然刻度盤不是線性的,但至少能夠使用!
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磁鐵
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