№3 Измерение массы тела на рычажных весах

Определения и обозначения

Масса тела — физическая величина, характеризующая количество вещества в теле; её обозначают буквой m и измеряют в килограммах или граммах. Масса помогает сравнивать тела по тому, сколько вещества в них содержится. Основная единица массы в Международной системе единиц — килограмм, а для небольших масс часто используют грамм.

Рычажные весы — прибор для измерения массы путём сравнения тела с массой гирь. Вместо того чтобы показывать массу по шкале, как это делают некоторые другие приборы, они позволяют найти подходящую известную массу. Весы нужны, например, в лаборатории, чтобы точно определить массу образца.

Гиря — тело известной массы, используемое для уравновешивания тела на весах. На гире обычно указано её значение, например 20 г или 100 г. Ставя на чашу несколько гирь, можно составить нужную общую массу и сравнить её с массой исследуемого тела.

Равновесие весов — состояние, при котором чаши находятся на одном уровне, а стрелка указывает на нулевое положение. Это признак того, что тела на чашах уравновешивают друг друга. В таком случае общая масса гирь равна массе тела, если сами весы правильно подготовлены к работе.

Как это устроено

Массу на рычажных весах определяют сравнением, потому что весы не имеют шкалы, сразу показывающей массу тела. Вместо этого на вторую чашу помещают гири с известной массой и проверяют, какая их общая масса уравновесит тело. Такой способ позволяет определить массу даже у предмета необычной формы, если он помещается на чаше.

Основные части весов — коромысло, чаши, стрелка и опорная призма. Коромысло — подвижная перекладина, к концам которой подвешены чаши; на неё передаётся действие силы тяжести тел. Опорная призма поддерживает коромысло и позволяет ему поворачиваться, а стрелка показывает отклонение от равновесия. Вместе эти детали дают возможность сравнить действие тел на двух сторонах весов.

Когда массы на чашах равны, действие силы тяжести на них уравновешивается, и коромысло остаётся горизонтальным. Поэтому чаши оказываются на одном уровне, а стрелка возвращается к нулевой отметке. Если массы различаются, коромысло наклоняется в сторону более тяжёлой чаши, и стрелка отклоняется. Значит, по направлению отклонения можно понять, нужно ли добавить или убрать гири.

Перед измерением проверяют, уравновешены ли пустые весы. Для этого смотрят, стоят ли чаши на одном уровне и совпадает ли стрелка с нулём; если нет, прибор нужно отрегулировать. Такая проверка необходима, потому что начальное отклонение может прибавиться к результату или скрыть настоящее равновесие. Гири берут пинцетом, чтобы не загрязнять и не повреждать их.

Затем тело кладут на одну чашу, а гири — на другую. Сначала удобно брать крупные гири, чтобы быстро приблизиться к равновесию, а затем подбирать более мелкие для точности. Если чаша с гирями опустилась ниже, их общая масса больше массы тела: последнюю гирю убирают и выбирают меньшую. Когда чаши и стрелка показывают равновесие, складывают значения всех гирь и записывают результат с единицей измерения.

Основные элементы измерения массы на рычажных весах

Таблица помогает проследить путь измерения: тело сравнивают с гирями, а положение весов подсказывает, достигнуто ли равновесие. Сначала ориентируются на чаши и стрелку, затем складывают массы гирь. Результат записывают в подходящей единице массы.

Разбор задач

Задача 1

На одной чаше весов находится тело, а на другой — гири массой 200 г, 20 г и 5 г. Весы уравновешены. Нужно определить массу тела. Поскольку равновесие наступило, массу тела можно найти по общей массе всех гирь.

1. Запишем массы установленных гирь: 200 г, 20 г и 5 г.
2. Сложим их: 200 г + 20 г + 5 г = 225 г.
3. При равновесии масса тела равна полученной сумме.

Ответ: 225 г.

Задача 2

Для уравновешивания тела использовали гири 100 г, 20 г, 5 г и 2 г. После добавления гири 2 г чаша с гирями опустилась ниже. Нужно понять, как исправить набор и определить массу тела. Опущенная чаша показывает, что гирь стало слишком много для равновесия.

1. Складывать все четыре значения нельзя: после добавления гири 2 г равновесие нарушилось в сторону гирь.
2. Уберём последнюю гирю массой 2 г. Тогда на чаше останутся гири 100 г, 20 г и 5 г.
3. Их общая масса равна 100 г + 20 г + 5 г = 125 г. Если без гири 2 г весы уравновешены, это и есть масса тела.

Ответ: гирю 2 г следует убрать; масса тела — 125 г.

Задача 3

Масса пустого стакана равна 120 г. Стакан с водой уравновешивается гирями общей массой 370 г. Требуется найти массу воды и выразить её в килограммах. Гири уравновешивают стакан вместе с водой, поэтому сначала получим массу всего стакана с содержимым.

1. По равновесию весов масса стакана с водой равна массе гирь: 370 г.
2. Вычтем массу пустого стакана: 370 г − 120 г = 250 г. Это масса воды.
3. Переведём граммы в килограммы: 250 г = 250 ÷ 1000 кг = 0,25 кг.

Ответ: масса воды равна 250 г, или 0,25 кг.

Типичные ошибки

Начинают класть гири, не проверив начальное равновесие весов. Если пустой прибор уже наклонён, можно принять это отклонение за результат измерения и получить неверную массу. Так бывает, когда спешат сразу приступить к взвешиванию. Проверь себя: до размещения тела чаши должны быть на одном уровне, а стрелка — на нуле.

Берут гири руками или кладут их на чашу пальцами, хотя для этого используют пинцет. Грязь и жир могут загрязнить гири, а мелкую гирю легко уронить. Обычно правило забывают, потому что гирьки кажутся прочными и неудобными для захвата. Проверь себя: используй пинцет и после работы верни гири на место.

Считывают массу по самой большой гире и не складывают остальные. Например, при гирях 100 г, 20 г и 5 г результат не равен 100 г: учитывается каждая гиря на чаше. Ошибка возникает, если смотреть только на крупные значения и не проверить весь набор. Перед записью перечисли все гири и сложи их номиналы.

Считают равновесием любое неподвижное положение стрелки. Но стрелка может остановиться, даже если чаши наклонены, а её положение не совпадает с нулём. Так происходит, если не дождаться правильного положения или забыть, что весы нужно проверять по двум признакам. Убедись, что чаши на одном уровне и стрелка указывает на нулевую отметку.

Связь с другими темами

До изучения взвешивания полезно знать, что такое масса, в каких единицах её измеряют и как действует сила тяжести. Сравнение тела с гирями связано с общей темой измерения физических величин: нужно выбрать подходящий прибор, правильно выполнить измерение и записать результат с единицей. Понимание массы понадобится при изучении плотности вещества, когда массу связывают с объёмом. Эти знания также используют в лабораторных работах и при расчёте массы по объёму.

Что запомнить

• Массу тела на рычажных весах определяют сравнением с гирями.
• Основная единица массы в СИ — килограмм.
• Перед взвешиванием проверяют начальное равновесие весов.
• Тело и гири размещают на разных чашах.
• Масса тела равна сумме масс гирь при равновесии весов.
• Мелкие гири используют для более точного подбора массы.
• Результат измерения записывают с единицей массы.