使用天平測定兩個不同物體的質量

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引言

根據胡克定律，物體內的任何位移和變形與其所受力成正比。遵循這一原理，透過天平可以測定兩個不同物體的質量。該裝置中，一個橫樑透過瑪瑙刀口支承在垂直支柱上，位於中心位置。該裝置適用於校準質量範圍為10毫克到1公斤的物體。

理論

圖1：用兩個已知質量測定未知質量的天平

利用力矩原理，物理天平的概念可以確定物體的引力質量。這可以表示為：載荷*載荷臂=力*力臂，這意味著m₁g * a₁ = m₂g * a₂。這導致m₁a₁ = m₂a₂ (Minnick *et al.* 2018)。這進一步說明作用在托盤左側物體上的引力等於作用在天平右側托盤上的引力。

目標和所需器材

在本實驗中，目標是利用天平測定兩個不同物體的質量。本實驗所需的器材包括：砝碼盒、鑷子、天平以及不同質量的物體 (Dion *et al.* 2019)。但是，在開始實驗之前，需要確定R₀或零點，然後確定天平的靈敏度S。

圖2：天平

實驗步驟

進行此實驗時，需要遵循以下步驟，首先調節天平橫樑。天平指標應停留在零位。

當橫樑處於平衡位置時，將兩個給定物體中的一個放在左盤上，然後用鑷子在右盤上放置一些適當的砝碼 (Newtonclasses, 2022)。然後關閉玻璃門。然後，用手提起天平，注意觀察天平指標的擺動。如果情況不合適，則需要對天平進行校正。對第二個物體重複這些步驟。

觀察、計算和結果

在本實驗中，需要正確記錄使用天平稱量時的觀察結果，確定兩個物體的重量。然後，為了計算物體的質量，需要計算靈敏度。然後以克為單位寫下物體的正確質量，然後轉換為千克。最後一步是計算物體的質量，如下表所示。

托盤上的載荷		轉向點		平均轉向點		靜止點
左	右	左	右	左	右
無	無					R0=
無						R1=
給定物體	W= ……g					R=

確定給定物體的重量

注意事項

進行本實驗時，需要採取一些注意事項。主要的是，使用鑷子輕輕地放置砝碼。在記錄測量值或稱重時，需要關閉前方的玻璃門 (Amrita.olabs.edu, 2022)。這是因為空氣的存在可能會干擾物體的正確重量。還需要注意指標是否在零刻度附近來回擺動。

誤差來源

主要有兩個誤差來源，會導致本實驗結果不準確。主要一個是空氣的存在，第二個是指標擺動過程中可能發生的干擾。

結論

本教程重點介紹瞭如何使用天平正確進行實驗。但是，為了獲得準確的值，必須採取預防措施。在實驗之前，必須確定靜止值R₀和靈敏度S的值。

常見問題

Q1. 彈簧秤的工作原理是什麼？

A1. 彈簧秤的工作原理是基於胡克定律。根據胡克定律，固體內的應變與其所受應力成正比（在該固體的彈性限度內）。因此，彈簧秤的工作原理是：物體垂直懸掛在彈簧上，然後物體使彈簧長度發生伸長，該伸長量與物體的重量成正比。

Q2. 質量和重量有什麼區別？

A2. 質量與重量是不同的概念。物體的質量在任何地方都是恆定的，而物體的重量會因地點而異。物體的質量永遠不會為零，而物體的重量在地球核心處可以為零。

Q3. 真實天平和靈敏天平的定義是什麼？

A3. 真實天平是指天平的兩個臂長相等，且托盤重量相等的情況。另一方面，靈敏天平是指兩個物體之間存在微小差異會導致指標發生相當角度偏轉的情況。