Некоторые измерительные инструменты

Измерительная линейка

- Линейку прикладывают к измеряемому предмету так, чтобы ее «0» совпадал с началом измеряемой длины. Если концы линейки испорчены, то начало предмета прикладывают к любой отметке шкалы, затем от нее ведут отсчет.

- Линейку нужно прикладывать ровно, а не наискось, во избежание неправильного измерения.

- При наблюдении глаз должен быть расположен против наблюдаемой отметки.

Штангенциркуль

Один из штангенциркулей, используемых в учебных лабораториях, представлен на рис.1. Он состоит из основной линейки (1) со шкалой, имеющей миллиметровые деления и нониуса (2) – дополнительной линейки с ценой деления 0,1мм, способной перемещаться вдоль основной шкалы. Зажимной винт (4) позволяет закреплять подвижную часть штангенциркуля для удобства проведения отсчета. С помощью штангенциркуля измеряют внешние и внутренние размеры тел (3) и глубину отверстий.

Нониус имеет 10 делений, которые равны 9 делениям шкалы, поэтому каждое деление нониуса короче деления шкалы на 0,1 и равно 0,9 мм.

При сдвинутых щеках нулевая отметка нониуса совпадает с нулевой отметкой линейки, а десятая отметка – с 9-ой отметкой линейки. При этом 1-е деление нониуса не доходит до 1-го деления линейки на 0,1 мм, а 2-е деление нониуса до 2-го деления линейки на 0,2 мм и т.д.

Если первая отметка нониуса совпадает с 1-ой отметкой линейки, то между ними образуется просвет 0,1 мм. Если совпадают вторые отметки, то просвет 0,2 мм и т.д. Следовательно, отметка нониуса, совпадающая с отметкой линейки, указывает расстояние между щеками в десятых долях миллиметра.

При измерении размера тела его зажимают между щеками штангенциркуля. Отсчет целых делений (мм) проводят по шкале основной линейки до нуля нониуса, затем отсчитывают по нониусу десятые доли миллиметра, число которых равно номеру штриха на нониусе, совпадающему со штрихом основной шкалы. Если ни одно из делений нониуса не совпадает точно с каким-либо штрихом основной линейки, то берут деление, которое ближе всего к делению линейки. Пример измерения линейного размера  () показан на рис.2

Микрометр

Микрометр используется для измерения небольших внешних линейных размеров с более высокой точностью, чем позволяет штангенциркуль. Применяемые в учебных лабораториях микрометры (рис.3) имеют точность 0,01мм. Измерительным элементом микрометра является винтовая пара, которая преобразует небольшие линейные перемещения микрометрического винта в значительные угловые перемещения барабана. Основные части микрометра – стальная скоба (1) и микрометрический винт (2). Продольное перемещение винта осуществляется барабаном (3). Для проведения точных измерений необходимо, чтобы на измеряемое тело при каждом измерении действовала со стороны винта постоянная сила. Для этого служит специальное устройство, размещенное внутри барабана. При измерениях барабан вращается с помощью трещотки (4), которая при достижении установленного усилия микрометрического винта на измеряемую деталь проворачивается относительно барабана, предохраняя тем самым нарезку микрометрического винта от повреждений.

На стержень (5) нанесен продольный штрих (6), снизу от него – миллиметровая шкала, а сверху – штрихи, делящие каждый миллиметр пополам. На барабан нанесена круговая шкала из 50 делений. Один полный оборот барабана соответствует продольному перемещению микрометрического винта на 0,5мм, а поворот барабана на одно деление – перемещению на 0,01мм. Указателями при измерениях служат: для барабана – продольный штрих (6) на стержне, а для продольной шкалы – торец барабана.

Не следует пользоваться микрометром с застопоренным фиксатором.

Для проведения измерений необходимо поместить измеряемую деталь между микрометрическим винтом (2) и упором (7), неподвижно закрепленным в стальной скобе (1). Вращать трещотку до тех пор, пока микрометр не зажмет измеряемую деталь, и трещотка не начнет проворачиваться относительно барабана (при вращении трещотки барабан не вращается). Для проведения отсчета по шкале на стержне (5) определяется целое или полуцелое число миллиметров, а затем нужно добавить к нему число сотых долей миллиметра, отсчитанное по шкале барабана. Пример положения шкал при измеряемой длине 5,62мм показан на рис.4.

Лабораторные весы

Лабораторные весы служат для определения массы тел и применяются в учебных и научно-исследовательских лабораториях. Основным элементом весов (рис.5) является равноплечий рычаг (1), называемый коромыслом. В средней части коромысла имеется стальная призма (2), которая опирается своим ребром на стальную пластину, расположенную в верхнем конце вертикальной стойки арретирного устройства (3). Чашки весов с помощью подвесок (4) закрепляются на призмах (5), установленных на концах рычага. Стрелка (6) указывает отклонение рычага относительно положения равновесия. В нерабочем состоянии коромысло весов лежит на двух опорах (7), при этом центральная призма не касается стальной пластины. С помощью специального устройства, называемого арретиром, весы вводятся в рабочее состояние. Конструкция арретира у разных весов различна, но для любых весов, поворачивая ручку арретира по часовой стрелке, приводится в действие кривошипный механизм, который поднимает вертикальную стойку вместе со стальной пластиной. Пластина, приходя в соприкосновение с центральной призмой, поднимает коромысло вместе с чашками. Вращение ручки против часовой стрелки приводит к опусканию стойки и переводит весы в нерабочее состояние. На концах рычага помещены два подвижных перегрузка в виде маленьких цилиндров (8) для установки конца стрелки ненагруженных весов на середину шкалы.

Для рассмотрения принципа действия весов (рис.6) обозначим через   массу тела, помещенного на левую чашку весов, а через  – массу гирь правой чашки, которые уравновешивают тело. Из уравнения моментов для рычага  при условии равенства плеч  следует вывод о равенстве весов тела  и гирь , т.е. . Поэтому операция, выполняемая с помощью рычажных весов, называется взвешиванием. Полученное равенство  не позволяет определить вес тела, поскольку вес гирь неизвестен. В состоянии покоя вес тела равен силе тяжести и связан с массой соотношением . Ускорение свободного падения зависит от географической широты места и высоты относительно уровня моря, поэтому и вес тела, и вес гирь являются непостоянными величинами. Для любого места, где производится взвешивание, ускорение  является постоянной величиной, следовательно, из равенства весов вытекает равенство масс тела и гирь:

и

В отличие от веса масса гирь не зависит от выше указанных факторов и является при взвешивании величиной постоянной, гири – это эталоны масс. Таким образом, взвешивание тел с помощью рычажных весов позволяет определить их массу.

Правила взвешивания:

1. Нагружать весы следует только в нерабочем состоянии, для этого взвешиваемое тело помещается на левую чашу, а гири – на правую. Гири и мелкие разновески нужно захватывать только специальным пинцетом (не руками).

2. Не следует полностью освобождать коромысло, пока весы мало уравновешены. Освобождают его лишь настолько, чтобы можно было определить перевешиваемую чашку.

3. Подбор разновесков следует начинать с больших грузов, переходя к грузам меньшей массы. После взвешивания весы нужно перевести в нерабочее состояние, а грузы снять с чашек.

4. Процесс взвешивания состоит из ряда операций:

- определение нулевой точки;

- уравновешивание весов;

- определение чувствительности и цены деления шкалы;

- проверка равенства плеч коромысла.

Перед началом взвешивания необходимо определить положение равновесия ненагруженных весов, т.е. деление  шкалы, где останавливается стрелка после прекращения колебаний подвесной системы. Это деление называется нулевой точкой или нулем весов. В результате трения между опорой и призмой существует так называемая «зона застоя», где может остановиться стрелка весов. Многократно выводя и вводя весы в рабочее состояние, можно определить и размеры «зоны застоя», и нуль весов. Нуль весов обычно определяется методом качаний. Для этого, аккуратно освободив коромысло и пропустив несколько колебаний, замечают положение стрелки на шкале в моменты наибольших отклонений. Нулевая точка весов обычно определяется из пяти колебаний. Например, замечают три отсчета стрелки слева и два – справа относительно положения равновесия (рис.7). Определив среднее арифметическое из отсчетов в каждую сторону, получают значение нулевой точки:

Определение нулевой точки следует произвести несколько раз и найти среднее значение .       

Согласно указанным правилам произвести уравновешивание весов. При этом не всегда удается имеющимися в разновесе гирями установить стрелку весов на нулевое деление , это значит, что взвешивание может быть произведено или с недогрузкой, или с перегрузкой. Обозначим через  нуль нагруженных весов. Для нахождения массы тела нужно определить цену деления шкалы. На одну из чашек весов следует положить гирьку в 10 или 20мг, и определить нуль весов с перегрузком– . Тогда цена деления:

 

где  – масса добавочного перегрузка. Масса взвешиваемого тела определяется по формуле:                 

 

где  – масса гирь на правой чашке весов, исключая массу перегрузка. Знак (+) берется, если взвешивание производится с недогрузкой, а знак (–) – с перегрузкой. Ошибка при взвешивании не превышает половины цены деления. Возможной является ошибка, обусловленная неравенством плеч коромысла. Метод двойного взвешивания позволяет исключить влияние данного дефекта на точность измерения. Если обозначить через  и результаты взвешивания тела, вначале помещенного на левую чашку, а затем – на правую, то масса тела может быть найдена как среднее геометрическое значение этих измерений:

 

В настоящее время в учебных и научно-исследовательских лабораториях все чаще используются электронные лабораторные весы различных модификаций. Принцип действия электронных весов (рис.8) основан на использовании электромагнитной силовой компенсации, при которой вес измеряемого груза уравновешивается силой взаимодействия электрического тока, протекающего по обмотке компенсационной катушки, с магнитным полем, создаваемым между полюсами постоянного магнита. Устойчивое равновесие механической системы весовой ячейки, жестко связанной с компенсационной катушкой, обеспечивается электронным регулятором. Если в нагрузке происходят изменения, то регулятор изменяет ток, протекающий через катушку, до тех пор, пока не восстановится прежнее среднее положение механической системы. Компенсационный ток, пропорциональный массе измеряемого груза, поступает в терминал для последующей обработки и индикации результатов измерений.

Для получения надежных результатов взвешивания на электронных весах необходимо соблюдать следующие правила:

1. Весы должны быть установлены строго в горизонтальном положении (пузырек индикатора уровня располагается в центре). Для выравнивания весов используются регулируемые опоры.

2. В период работы весы не следует отключать от источника питания. Они всегда должны быть включенными, что позволяет обеспечить необходимое тепловое равновесие.

3. Перед каждым взвешиванием необходимо убедиться в том, что индикатор весов показывает точно ноль.

4. Для взвешивания исследуемое тело необходимо расположить в центре весовой платформы.

5. Считывание результата взвешивания осуществляется только после того как на индикаторе появится соответствующий знак.

 

 

Приложение 1