Методы измерения массы¶

Методы измерения массы — совокупность приёмов и средств определения массы тел, основанных на разных физических принципах: сравнении с эталоном, измерении силы тяжести, инерциальных свойств тела, а также косвенных способах, опосредованных объёмом и плотностью. Масса — одна из основных механических величин в Международной системе единиц (СИ), её единица — килограмм, с 20 мая 2019 года определяемый через фиксированное значение постоянной Планка h = 6,62607015·10⁻³⁴ Дж·с.

¶Основные принципы

Все методы измерения массы делятся на две большие группы: статические (взвешивание) и динамические (измерение инерциальной массы). Статические методы основаны на равновесии тела под действием силы тяжести и упругой или электромагнитной силы. Динамические — на ускорении тела под действием заданной силы и использовании второго закона Ньютона.

¶Взвешивание на равновесных весах

¶Рычажные весы

Классический метод — сравнение массы неизвестного тела с массой гирь-эталонов на рычажных весах. Рычажные весы обеспечивают высокую точность (до 10⁻⁹ и лучше в специальных лабораторных образцах). К ним относятся аналитические весы с двумя и тремя рычагами, а также одноплечевые весы Роберваля. Взвешивание может быть прямым (тело и гири на разных чашках) и заместительным (массу тела заменяют гирями).

¶Электронные весы

Современные лабораторные весы работают на принципе электромагнитной компенсации: сила тяжести на подвесе уравновешивается электромагнитной силой катушки в постоянном магнитном поле. Ток в катушке пропорционален массе, что позволяет получать цифровое показание с высокой разрешающей способностью (до 0,001 мг в аналитических моделях).

¶Тензометрические весы

Преобразуют деформацию упругого элемента (пружина, тензодатчик) в электрический сигнал. Применяются в промышленных весах, весах-транспортёрах, дозаторах.

¶Методы, основанные на измерении силы тяжести

¶Гравиметрия

Масса тела определяется через силу притяжения к Земле. Гравиметры измеряют ускорение свободного падения g, а масса вычисляется как m = F/g. Метод используется для определения массы геологических образцов, в геофизике, при поверке весов.

¶Метод маятника

Период колебаний математического маятника T = 2π√(L/g) зависит от ускорения свободного падения. Измерение периода при известной длине нити позволяет вычислить g, а затем и массу тела, подвешенного к маятнику.

¶Динамические методы

¶Ускорение под действием силы

Масса определяется по формуле m = F/a: на тело воздействует известная сила (например, электромагнитная), измеряется ускорение. Метод применяется в масс-спектрометрии, где ионы разной массы разделяются по отношению заряда к массе в магнитном поле.

¶Центробежные методы

Тело вращается с заданной угловой скоростью, масса определяется по центробежной силе. Используются в центрифугах для разделения смесей по плотности.

¶Косвенные методы

¶Метод объёма и плотности

Масса вычисляется как произведение объёма тела на его плотность: m = ρV. Объём определяется гидростатическим взвешиванием (по закону Архимеда), вытеснением жидкости, измерением линейных размеров. Метод применяется для тел правильной геометрической формы.

¶Гидростатическое взвешивание

Тело взвешивают в воздухе и в жидкости; разница масс соответствует массе вытесненной жидкости, что позволяет определить плотность тела, а затем и массу при известном объёме.

¶Специальные методы

¶Масс-спектрометрия

Разделение ионов по отношению заряда к массе в электрическом и магнитном полях. Применяется в аналитической химии, ядерной физике, космохимии для определения изотопного состава.

¶Квантовые методы

С 2019 года килограмм определяется через постоянную Планка. Квантовые методы взвешивания (ватт-баланс, си-баланс) позволяют реализовать килограмм без эталонных гирь, воспроизводя его через электрические измерения.

¶Применение

Методы измерения массы применяются в торговле (торговые весы), промышленности (дозирование, контроль качества), медицине (взвешивание пациентов, анализ крови), науке (аналитическая химия, физика), сельском хозяйстве, транспорте (взвешивание грузов). Поверка средств измерений массы в России осуществляется в соответствии с ФЗ «Об обеспечении единства измерений» и государственными стандартами.

¶Источники

• ГОСТ 8.061-80. ГСИ. Весы лабораторные. Методы и средства поверки.
• ФЗ «Об обеспечении единства измерений» (№ 102-ФЗ от 26.06.2008).
• Менделеев Д. И. «О равновесии тел».
• Справочник по физическим измерениям и приборам.