天平的發明很早。在埃及的尼羅河三角洲,有壹種水生植物,很像我國水域生長的蘆葦。它的莖被壹層壹層剝開,撕成薄片用來書寫。這種東西叫紙莎草紙。許多歐洲國家的紙是從拉丁文的紙莎草演變而來的。用紙莎草紙寫的書就是紙莎草紙,在古埃及成為重要的歷史文獻。我們現在對古埃及的了解,尤其是科技的歷史發展,都來自於紙莎草紙中的記載。當然,紙上草書上的字不是現代字,而是象形文字,很多專家都看過。根據紙草書記載,早在公元前1500年,埃及人就已經使用天平了。其他人說埃及人使用天平甚至更早,大約公元前5000年。古埃及的天平雖然很粗糙,但已經有了現代天平的輪廓,成為現代天平的雛形。下圖是古埃及人使用的天平。
從圖中可以看出,這種平衡就是在壹根垂直的棍子中間鉆壹個洞,橫著壹根棍子,用繩子在棍子兩端掛壹個盤子。這種天平使用了很長時間,直到公元前500年左右,羅馬人的“桿重”出現。通過移動重物,桿重與被稱物體的重量保持平衡。事實上,它將天平的壹端(重量端)從固定改為可移動。它的優點是只需要壹個砝碼,並且天平的砝碼更好。桿秤也是用繩子掛壹個盤子,再用繩子掛壹個砝碼。除了壹端可以移動之外,基本形式與天平相同。
在秤和秤的使用過程中,人們覺得用繩子掛盤子很麻煩,使用起來很不方便。所以,有些人想擺脫這根討厭的繩子。17世紀中葉,法國數學家勞貝爾·巴爾發明了搖擺托盤天平。托盤天平的發明被認為是對古代懸掛天平的重大改進,至今仍被廣泛使用。下圖是現在實驗室常見的壹種托盤秤,相比17世紀的托盤秤有了很大的提升。圖中1為平衡梁,兩端支撐稱重板2。這兩部分構成了托盤秤的骨架,體現了托盤秤的基本設計原則。見下面示意圖:梁1平衡時,力矩相等,F1L1=F2L2,F1 = M1g,F2=m2g,L1 =。下圖中,3是指針,4是刻度盤,指針對準刻度盤中心表示兩端平衡,5是走碼尺,6是走碼,7是調零螺母。還有與天平匹配的砝碼。
需要指出的是,托盤秤的發明並沒有使吊秤退出歷史舞臺。相反,懸掛天平不僅繼續被人們特別是科學家使用,而且在使用中繼續得到改進。現代廣泛使用的精密天平多為懸掛式,而托盤天平更多用於日常生產生活中,多用於科學實驗中精度要求不高的稱重。
英國化學家布萊克在化學實驗中更早地使用了天平。他生活和工作在18世紀。當時正是化學中不斷發現氣體,理論開始建立的時期。布萊克在化學研究中非常重視實驗,是用定量方法研究氣體的第壹人。1755寫了壹篇關於石灰石等堿性物質的實驗研究的論文。論文中提到他發現燃燒石灰石會產生氣體。於是,他在煆燒前稱了石灰石的重量,煆燒後又稱了壹次。發現石灰石經過煆燒後重量減少了44%,他認為這是從中釋放出的氣體重量。在此基礎上,他進行了各種研究。例如,他使石灰石與酸反應,發現也產生氣體。他用石灰水吸收了這種氣體,並進行了定量研究。他發現這種氣體的重量等於煆燒石灰石產生的氣體的重量,由此他認識到石灰石中有壹種氣體是固定的,他稱之為“固定空氣”(也就是我們現在所知道的二氧化碳)。從布萊克的實驗研究可以知道,他進行的是定量研究,定量研究需要稱重,稱重離不開天平。史料表明,布萊克確實使用過天平,他使用的天平至今仍保存在愛丁堡皇家博物館。下圖是布萊克用過的天平。
秤盤用繩子吊著,橫梁掛在另壹個秤鉤上。正是利用這種平衡,布萊克在化學實驗中有了發現。該天平的使用不僅建立了化學實驗中的定量方法,而且對該天平的進壹步發展和改進具有重要意義。
繼布萊克之後,英國化學家亨利·卡文迪什也進行了精確的定量實驗,據說他還設計制造了天平。由於卡文迪什的生平資料不詳,所以很難確切知道他是在何時以及如何設計制造了這種天平。後來,卡文迪什使用的天平在皇家科學院展出。這個天平放在櫃子裏,從外面看不清楚天平的樣式,如下圖:
我們知道,法國著名化學家拉瓦錫是壹個非常重視定量研究的人。他經常使用天平,並註意稱重的準確性。正是在精確的定量研究中,拉瓦錫確定了氧氣的存在,建立了氧化燃燒的科學理論。在應用定量方法研究化學變化時,需要假設物質在化學變化前後質量守恒,拉瓦錫由此建立了質量守恒定律。拉瓦錫的研究工作得到了天平的幫助,但拉瓦錫本人很少設計制造儀器,也不設計制造天平。但是18世紀的法國流行秤,很多小店都有賣。拉瓦錫可能會受益於這種良好的條件。下圖我們看到的是18世紀法國天平的風格,或許是當時天平的壹種風格。
18年底,英國也做了壹種平衡,在橫梁中央嵌了壹個鋼刃。把它放在瑪瑙盤裏,大大提高了精密度和靈敏度。這時候出現了壹些天平設計師和制造商。不過據說余額的價格比較貴,必須提前預定。不像法國,天平沒有那麽精確,但是相對容易買到。下圖是費德勒為皇家學會制作的天平,在倫敦科學博物館展出。
在英國,天平的使用不僅限於化學家和科學家,壹般藥店也普遍使用。化學原子論的提出者道爾頓在科學研究中經常使用天平。由於道爾頓在化學史上的重要地位和在英國科學界的影響,他成為壹個著名的人物和著名的化學家。他所使用的天平據說已經成為非同尋常的東西,後來被英國曼徹斯特文學和哲學學會擁有和收藏。道爾頓曾經是這個社團的成員。
65438+20世紀20年代,倫敦有壹個叫羅賓遜的樂器設計師。他開始設計和制造分析天平,不僅英國使用,美國也壹度使用。羅賓遜用空心材料做成橫梁和三角形,豎梁中間有壹個指針。
帶刻度橫梁和行程碼的天平也誕生於19世紀左右(托盤推出較早,圖中橫梁上標有刻度和行程碼)。這種天平的發明者是誰,眾說紛紜,爭議不斷。但是,在1851年,倫敦舉辦了壹次國際博覽會,英國和歐洲大陸的壹些主要天平制造商參加了這次博覽會。經過世博會評審組的審議,最高獎項最終授予了淩,以表彰他在制造帶刻度橫梁和滑動裝置的秤(即移動碼)方面的貢獻。由此,淩的發明創造權在國際上得到了確認。
長期以來,在天平制造業有壹個流行的理論,即天平的橫梁越長,天平越靈敏。但是有壹個叫波爾·邦格的人沒有被這個理論所限制。1866年,他設計制造了短梁分析天平。後來在平田的設計理論上也有建樹。下圖是Bonger在1866年做的最早的短桿秤。
平衡的改善不僅僅是在光束、接觸點、流浪碼、音階等方面,還有其他方面。比如旋鈕天平,19世紀上半葉就已經出現了。旋鈕平衡有什麽優點?原來早期的天平,橫梁是裝在立柱上的,用不用都壹樣。後來出現了分析天平,分析天平的刀片是瑪瑙做的。為了減少刀片的損壞,天平的橫梁在不平整的時候放在壹個架子上,使刀片不再受力,刀片在使用的時候放在壹個支撐碗上。這些都是由旋鈕裝置控制的。現代分析天平有旋鈕裝置。下圖是1833制作的旋鈕天平。
隨著科學技術的發展,天平的設計和制造有了很大的進步。正是通過幾代人的不懈努力,通過技術的積累和完善,才有了今天的各種現代化秤。現在在化學實驗室中,常用的天平有:托盤天平,前面提到過,用於測量精度要求不高的物質的大致質量,可以稱量100克、200克、500克甚至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);電光天平配有空氣阻尼裝置或電磁阻尼裝置,使天平具有較高的靈敏度,能快速防止橫梁晃動。光電天平從外觀上看不到重量,但能看到放置被測物體的稱重盤。重量的加減由旋轉刻度盤操作,稱重值可由投影秤直接讀出。