Знакомство с рычажными равноплечими весами
Использование рычажных равноплечих весов в образовательной деятельности помогает осуществить деятельностный подход к познавательной активности ребенка, удовлетворить эту активность в форме поисковой, исследовательской деятельности.
Весы применяются в разделе ФЭМП при ознакомлении детей с величиной предметов, когда перед вами стоит задача сформировать представления о весе предметов и способах его измерения.
Использование рычажных равноплечих весов в образовательной деятельности помогает осуществить деятельностный подход к познавательной активности ребенка, удовлетворить эту активность в форме поисковой, исследовательской деятельности.
Весы применяются в разделе ФЭМП при ознакомлении детей с величиной предметов, когда перед вами стоит задача сформировать представления о весе предметов и способах его измерения.
Знакомя детей с весами, можно решить множество разнообразных задач:
– дети учатся сравнивать предметы «по тяжести» (тяжелые-легкие), подбирать равные и неравные по весу предметы, взвешивая их на ладони и выстраивая сериационный ряд. Соответственно, у них развивается глазомер и «барическое чувство»;
– у детей формируется умение понимать независимость веса от размера предмета, от формы, т.е. понимать инвариативность массы;
– с помощью разновесов, прилагаемых в комплекте к весам, дети научатся определять вес предмета, используя их как условную мерку или эталон веса.
Весы можно использовать в индивидуальной, подгрупповой или фронтальной работе.
Как же знакомить детей с весами? С чего начать?
Надо помнить о том, что весы – это прибор. Поэтому детей надо сначала знакомить со строением этого прибора и с правилами работы.
Педагог может предложить детям три предмета: металлический шарик, резиновый мячик, комок бумаги.
Необходимо «на глаз» определить, какой из предметов тяжелее, а затем взвесить их на руках. Проверить результаты опытов с помощью прибора.
Весы достаются в полуразобранном виде, и предлагается посмотреть, из чего они состоят. Педагог рассказывает о том, что весы стоят на подставке или основании, к ней крепится стойка, а на стойку сверху одевается рычаг. На концы рычага вешаются чаши. Детям предлагается самим собрать весы.
Педагог знакомит с правилами работы с весами. Чтобы весы показывали точный вес предметов, их надо уравновесить. Для этого на рычаге есть специальные гирьки. Их надо сдвигать, пока стрелка у весов не совпадет с делением на стойке. Теперь весы готовы к работе. С весами надо обращаться бережно. Предметы класть по очереди, сначала на одну, а затем на другую чашу. А чашу снизу придерживать рукой.
Педагог предлагает проверить результаты взвешивания при помощи весов, говоря о том, что весы служат для более точного определения веса предмета. А детям они помогут сравнивать по весу (тяжести) предметы. Если чаша весов опуститься ниже, то предмет тяжелее.
Опыт 1. Взвешивание предметов разных по размеру, сделанных из разных материалов
– Что больше по размеру? А что тяжелее?
– Как вы думаете, почему металлический шарик, который меньше по размеру, тяжелее резинового мячика, который больше.
Опыт 2. Взвешивание предметов разных по размеру, сделанных из разных материалов
– Что больше по размеру? А что тяжелее?
Выложите предметы от самого тяжелого до самого легкого.
– Почему маленький металлический шарик, оказался тяжелее большого бумажного комка?
Обязательно дайте возможность детям самостоятельно сделать выводы!
Опыт 3. Взвешивание двух предметов, сделанных из одного материала, одинаковых по форме, но разных по размеру
– Как вы думаете, что будет тяжелее, если сравнивать предметы, сделанные из одного материала, но разные по размеру?
Сравнение деревянного маленького цилиндр и деревянного большого цилиндра.
Сравните предметы по форме,по размеру. Какой цилиндр будет веситьбольше? Проверить предположения детей.
– Какой мы можем сделать вывод?
Опыт 4. Взвешивание двух одинаковых предметов, сделанных из одного материала, но разной формы
Сравнение 2 кусков пластилина одинакового по форме и по размеру. Как вы думаете, одинаковый ли вес у предметов? Проверить предположения детей.
Предлагает одному ребенку вылепить из пластилина колбаску, а другому шарик.
– Как вы думаете, теперь этот пластилин весит одинаково?
Проверить предположения детей. (Весы уравновешиваются.)
– Почему вес предметов остался одинаковым? (Дети делают вывод о том, что они ничего не убавили и не прибавили к кускам пластилина, только поменяли форму.)
– Какой мы можем сделать вывод? (Тяжесть предмета не зависит от того, какой формы предмет.)
Дети на протяжении всех опытов могут фиксировать результаты на бумаге или на электронном планшете.
По итогам этих опытов, предложить детям ответить на вопросы:
Правильно ли я говорю, что…
– …тяжелее – это всегда больше по размеру?
– …если предметы сделаны из одного материала, то тяжелее – это больше по размеру?
– …вес предмета зависит от формы?
– …вес предмета зависит от размера?
Опыт 5. Взвешивание жидкостей
– Как вы думаете, можно ли взвесить жидкости? Как это сделать? (Воду надо налить в контейнер и поставить на весы.)
В точно такой же контейнер налить растительное масло. Как вы думаете, что больше весит? Давайте проверим. (Дети взвешивают на весах контейнеры. Вода перевешивает.)
– Почему контейнеры одинаковые по размеру, но тот который с водой тяжелее?
Опыт 6. Использование разновесов для взвешивания сыпучих веществ
– Что надо делать, если для каши необходимо отмерить 30 гр. крупы? (предположения детей)
Предложить детям комплект разновесов, познакомить с правилами обращения с ними.
– Как вы думаете, если мне надо отмерить 30 гр. крупы, сколько и каких гирек мне надо взять?
Положите на одну чашу весов эти гирьки, а на другую надо насыпать крупу. До каких пор вы будете насыпать крупу? Пока весы не уравновесятся. (Дети выполняют задание.)
– Сколько крупы вы отмерили? (Дети отвечают.) Следовательно, данное количество крупы весит 30 гр.
Для закрепления данного материала весы даются детям для самостоятельной деятельности.
Использование чашечных весов в познавательной деятельности ребенка помогает ему систематизировать, углубить, обобщить личный опыт, осознать связи и зависимости изучаемых объектов, материалов, занимая при этом субъектную позицию в обучении.
По QR-коду и мобильному приложению Вы сможете просмотреть фильм, как в интересной и необычной форме можно использовать весы с набором разновесов образовательной деятельности дошкольников.
Вы также можете ознакомиться с фильмом, перейдя по прямой ссылке.
Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Особенности применения рычажных весов
Во многих странах активно используют рычажные весы при измерениях в лабораториях, научных институтах и других учреждениях. Такой тип весов сложно назвать высокоточными, однако это не мешает их активному использованию в наши дни.
Необходимо учитывать, что купить рычажные весы можно для самых разных целей, в том числе и для лабораторных исследований и работ. Но не всегда требуется высокая точность измерений. Часто оборудования такого типа вполне достаточно для выполнения повседневных задач. Поэтому можно сказать, что, несмотря на незначительные показатели точности измерений, рычажные весы по-прежнему пользуются спросом.
Особенности
Данные весы используются для измерения твердых тел, сыпучих порошков, жидкостей и других предметов. Можно выделить несколько особенностей такого оборудования и специфических условий его использования:
Принцип работы
Рычажные весы имеют довольно простой принцип работы. С одной стороны располагается чаща, в которую помещают предметы подлежащие взвешиванию, а на другой стороне противовес. Для настройки точности используют определенный уровень, поскольку прибор должен устанавливаться ровно.
Работа с таким медицинским оборудованием не представляет особого труда. Необходимо следить за технической исправностью оборудования и если нужно калибровать или вносить коррективы. В целом можно сказать, что для многих областей деятельности такие решение и сегодня являются оптимальными.
Для чего предназначены механические рычажные весы?
Рычажные весы механического типа представляют собой специальные устройства для взвешивания разных веществ. Приборы являются актуальными в сфере промышленности, образования, а также в отрасли автомобильного обслуживания. Средние цены на механические рычажные весы значительно ниже, чем на электронные. Поэтому устройства пользуются большой популярностью. Сравнить цены вы можете на этом сайте.
Технические особенности устройств
Рычажные устройства для взвешивания имеют достаточно простую и надежную конструкцию. Чаще всего весы оборудованы 2 металлическими платформами, которые закреплены на подвижном рычаге. В свою очередь рычажное устройство подключено к измерительному механизму, где имеется специальная шкала с отметками. Вся система максимально сбалансирована, что гарантирует высокую точность взвешивания с допустимой предельной погрешностью до 0,01 грамма. Ключевым элементом при использовании данных устройств является дополнительный груз в виде гирьки. Благодаря специальным противовесам можно узнать реальную массу измеряемых веществ и предметов.
Ключевые особенности рычажных весов:
1. Надежность при частом взвешивании.
2. Простота конструкции.
3. Невысокая стоимость для покупки.
4. Не требуют электричества.
5. Универсальность использования.
Прежде, чем купить рычажные весы важно ознакомиться с техническим описанием и рекомендациями производителя. Ведь конкретный вид устройств может быть адаптирован под определенные весовые ограничения. Многие модели современных приспособлений поддерживают дискретность в пределах 0,01-0,1 грамма, что позволяет использовать весы для удобного взвешивания любых мелких предметов. По сравнению с электронными данные приборы более просты в применении и обслуживании.
Варианты применения весов
Устройства данного типа адаптированы для эксплуатации в условиях, где отсутствует возможность или потребность в обслуживании более сложных электронных систем для взвешивания. Механические весы отлично подходят для стационарных лабораторий. Использование компактных приспособлений позволяет без затруднений и с минимальными затратами производить работы с разными материалами. Конструктивно и функционально изделия адаптированы для применения в следующих отраслях:
— учебные организации и заведения;
— промышленное производство;
— химические и строительные лаборатории;
— автомобильные предприятия;
— сельскохозяйственные лаборатории.
Современные модели устройств при минимальном наборе функций способны обеспечить высокую точность измерений фактически любых материалов и веществ. Наиболее востребованными изделия являются при выполнении работ с порошком, жидкостями и мелкими твердыми образцами.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Варламов С. Рычажные весы // Квант. — 2003.— № 1. — С. 34-35.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Чтобы сделать хорошие, т.е. чувствительные, весы и обеспечить независимость их чувствительности от массы измеряемого груза, нужно выполнить ряд условий (см. рисунок).
Первое условие. Коромысло с грузом, уравновешенным набором гирь, или без груза должно иметь положение устойчивого равновесия. Это обеспечивается тем обстоятельством, что центр масс коромысла (на рисунке он изображен крестиком в кружочке) находится ниже, чем линия опоры коромысла на подпятник (ось вращения коромысла).
Второе условие. Мгновенная ось вращения коромысла не должна перемещаться относительно подставки. Это достигается выполнением опоры коромысла в виде хорошо заточенной призмы. Опоры чашек на коромысло тоже выполняются в виде заточенных призм, исходя из тех же соображений: оси вращения чашек не должны перемещаться относительно коромысла. При малой площади контакта опоры и подпятника (того места, на которое опирается призма) давление на материал подпятника и на материал самой призмы становится больше.
Третье условие. Подпятники и призмы не должны деформироваться при наличии нагрузки на коромысло. Для этого призмы и подпятники изготавливаются из материалов, обладающих высокой твердостью. В ход идут рубины, алмазы и более дешевые, но твердые материалы.
Четвертое условие. Чувствительность весов не должна зависеть от наличия на чашках уравновешенных грузов. Это обеспечивается конструктивной особенностью весов: мгновенные оси вращения чашек относительно коромысла должны находиться на одинаковом расстоянии от оси вращения коромысла относительно подставки (равноплечие рычажные весы) и, кроме того, все эти три оси должны находиться в одной плоскости. Если это условие выполнено, то любые одинаковые грузы, лежащие на разных чашках, создают относительно оси вращения коромысла суммарный момент сил тяжести, равный нулю. Причем этот момент сил остается равным нулю при любом повороте коромысла относительно подставки весов. Это означает, что положение равновесия коромысла не нарушится, если на обе чашки весов положить одинаковые грузы. И при любых величинах уравновешенных грузов поочередное помещение на каждую из чашек некоторого перегрузка вызовет поворот коромысла на один и тот же угол. Это и соответствует независимости чувствительности весов от груза на чашках.
Заметим, что от суммарной массы грузов зависит период колебаний весов около положения равновесия — чем больше масса, тем больше период. Если, например, суммарная масса грузов на чашках весов равна массе коромысла, период колебаний возрастает примерно вдвое по сравнению с периодом колебаний без грузов на чашках. (Проверьте это самостоятельно и постарайтесь объяснить.)
Для регулировки весов используются несколько пар гаек на стержнях с резьбой, прикрепленных к коромыслу. Перемещение гаек на концах коромысла позволяет изменять положение центра масс по горизонтали. Одна из пар гаек перемешается вдоль стрелки, прикрепленной к коромыслу, и обеспечивает изменение расстояния от оси вращения коромысла до центра масс коромысла.
А теперь рассмотрим школьные равноплечие весы. Пусть масса их коромысла равна М = 200 г, расстояние от оси вращения каждой из чашек до оси вращения коромысла равно a = 20 см, а расстояние от оси вращения коромысла до кончика стрелки, прикрепленной к коромыслу, равно b = 20 см. Обсудим три конкретные задачи.
Задача 1. Предположим, что весы настроены так, что перегрузок m = 10 мг на одной из чашек весов вызывает поворот коромысла к новому положению равновесия, причем конец стрелки смещается относительно подставки весов на l = 1 мм. Каково расстояние x от центра масс коромысла до оси его вращения?
Угол поворота коромысла небольшой\[\alpha = \frac
Задача 2. Пара гаек, обеспечивающих настройку весов, имеет массу 1 г. Куда и на какое расстояние нужно переместить гайки, чтобы чувствительность весов стала равной 5 мг?
Масса коромысла 200 г, центр масс находится на расстоянии 2 мм от оси вращения, перемещение гаек должно сократить расстояние между осью вращения и центром масс до 1 мм (это следует из предыдущей задачи). Следовательно, пару гаек массой 1 г нужно переместить вверх на расстояние 200 мм.
Задача 3. Коромысло с чашками без грузов имеет положение равновесия, при котором стрелка отклонена от середины шкалы вправо на 10 мм. Пара регулировочных гаек имеет массу 1 г и в данный момент находится на расстоянии 20 см справа от оси вращения коромысла. В какую сторону и на какое расстояние нужно передвинуть регулировочные гайки, чтобы стрелка в положении равновесия находилась точно в середине шкалы?
Очевидно, что гайки, обозначим их массу m1, следует передвинуть вправо. Это перемещение ΔL должно привести к изменению момента силы тяжести относительно оси вращения коромысла на величину, равную моменту сил, возникающему при помещении на чашку весов перегрузка массой m = 100 мг (мы воспользовались результатами задачи 1):
\(m_1 \cdot g \cdot \Delta L = m \cdot g \cdot a.\)
Измерение массы с помощью рычажных весов
Пензенский государственный университет
Факультет приборостроения и информационной техники
Кафедра метрологии и систем качества
с помощью рычажных весов
Рекомендовано к использованию в учебном процессе
решением кафедры «Метрология и системы качества»
от 5 октября 2005 года, протокол № 2
, Бычкова массы с помощью рычажных весов: Методические указания к выполнению лабораторной работы ВЭ-01/Под ред. проф. – Пенза: Пенз. гос. ун-т, каф. МСК, 2005. Ил. 4, табл. 1, библиогр. 5 назв.
Рассмотрены устройство и принцип действия рычажных весов, а также погрешности, возникающие в процессе измерения массы с их помощью. Даны пояснения по проведению измерений различными методами. Приведена программа эксперимента.
Методические указания подготовлены на кафедре «Метрология и системы качества» и предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Введение в технологию эксперимента» по направлению «Метрология, стандартизация и сертификация».
Рецензент: доцент кафедры метрологии и систем качества к. т.н.
с помощью рычажных весов
Цель работы: изучение методов и приобретение навыков измерения массы с помощью рычажных весов.
1 Краткие пояснения
 |
Суть измерения массы с помощью рычажных весов заключается в сравнении измеряемой массы 
с эталонной массой гири 
. Рычажные весы выполняют роль компаратора, т. е. устройства сравнения. Во время операции измерения по положению стрелки индикатора на шкале оператор оценивает, какая из масс больше или меньше. Схематично рычажные весы показаны на рисунке 1.
Коромысло поворачивается вокруг точки соприкосновения призмы с поверхностью опорной подушки.
Условие равновесия рычажных весов состоит в равенстве нулю суммы всех действующих на вращающееся коромысло моментов:
где 
сила, 
— расстояние от места приложения силы до точки вращения (точка соприкосновения призмы и опорной подушки).
Моменты создаются минимум тремя силами: силой тяжести гирь FЭ, силой тяжести объекта 
, массу которого измеряют, собственной силой тяжести коромысла.
Будем считать, что моменты, создаваемые силой тяжести коромысла, сбалансированы благодаря симметричной конструкции. Данное допущение представляет собой ошибку модели, которой в данной работе будем пренебрегать.
Из приведенного выражения следует, что равновесие может наступить при любом угле β, однако это создает неудобство при проведении измерения. Из практики известно, что под равновесием при взвешивании понимают установившееся горизонтальное положение коромысла.
Для получения равновесия при β=0 искусственно создают некоторый противодействующий момент, который действует в направлении уменьшения угла β до нуля.
Конструктивно это реализуется применением призмы и опорной подушки, показанной на рисунке 2.[*]
Реально острие призмы не идеальное, т. е. имеет некоторый радиус закругления. Следовательно, при повороте призма перекатывается с одной точки опоры на другую на некоторое расстояние а, как это показано на рисунке 3. Предполагается, что трение не позволяет призме скользить по поверхности.
Очевидно, что длина плеча рычага (расстояние между точками приложения сил) изменится на значение смещения a. Одно плечо уменьшится, другое увеличится, например 
и 
.
Аналогично происходит с призмами для чаш. Принимая смещения одинаковыми, введем общее обозначение b смещения для призм чаш.
Учитывая сказанное, запишем уравнение для измеряемой массы:
Можно приближенно принять для малых углов, что смещение a и смещение b пропорциональны углу β. Будем считать, что уравновешивание осуществлено так, что β = 0, и a=b=0.
Номинально 
следовательно 
.
Если уравновешивание заканчивается при β≠0, то это означает, что нет точного равенства 
и . Они отличаются на некоторое значение, о котором можно судить по значению β. Шкала отградуирована в единицах массы пропорционально значению угла отклонения β. Поэтому измеряемая масса 
, где 
— цена деления шкалы.
2 Погрешности измерения
Погрешность измерения состоит из следующих составляющих:
а) погрешности сравнения с помощью рычажных весов;
б) погрешности масс гирь;
в) погрешности оператора;
г) погрешности вычислений.
Погрешность рычажных весов вызывается погрешностью отношения длин плеч 
/
. Эта составляющая погрешности по абсолютному значению не зависит от измеряемой массы. Реальное отношение / может отличаться от номинального (например, оно должно быть равно 1, а реально составляет 0,99). Однако эта погрешность легко обнаруживается: при =0 или =0 стрелка не будет совпадать с нулевой отметкой. Часто весы имеют винты-регуляторы, а если их нет, то на одну из чаш добавляют какую-нибудь массу и таким образом уравновешивают.
При малых измеряемых массах или малой разности 
вращающий момент не может преодолеть силу, вызванную «врезанием». призма врезается в опорную подушку тем больше, чем больше измеряемая масса. А чем больше «врезание» опорной призмы, тем труднее повернуть коромысло. Отсюда возникает составляющая от «врезания», которая зависит от , т. е. порог чувствительности является функцией измеряемой массы.
График и зависимости предельных значений погрешностей нескольких типов весов от нагрузки представлены на рисунке 4, взятом из [5].
Значения погрешностей рычажных весов приводят в их паспортах.
Погрешность масс гирь зависит от того, насколько точно гиря воспроизводит значение массы. Завод-изготовитель гирь гарантирует, что, например, при номинальном значении массы гири 10 г истинное значение находится в пределах 
г. Это в документации отражается пределами допускаемой абсолютной погрешности Δ= ± 0,012 г.
Пределы допускаемых абсолютных погрешностей воспроизведения массы, установленные стандартами для определенных масс гирь, приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Массы гирь и их погрешности
значение массы гири
, мг
Предел допускаемой абсолютной погрешности воспроизведения массы Δ, мг