廖 磊 肖玉 劉陽(yáng)明

昆明十二中學(xué)

指導(dǎo)教師：楊 昆 劉 謙 段金才

一、課題的產(chǎn)生

上初二物理課的時(shí)候，我們學(xué)到了液體和固體的體積測(cè)量、密度測(cè)量，測(cè)量工具是量杯和量筒，給我們留下深刻印象的是測(cè)量精確度不高。50毫升（ml）量筒的最小刻度值是1ml，精確度只能達(dá)到1ml；10ml量筒的最小刻度值是0.2ml，精確度只能達(dá)到0.2ml（如圖1所示）。另外，筒內(nèi)液面呈現(xiàn)彎月形狀（如圖2所示），造成讀數(shù)困難，并產(chǎn)生較大誤差。特別是無(wú)色和淺色液體讀數(shù)時(shí)，測(cè)出的數(shù)值相對(duì)誤差達(dá)到2%～6%。應(yīng)用“二次讀數(shù)法”測(cè)量固體體積時(shí)相對(duì)誤差可達(dá)到5%～15%。

圖1

圖2

圖3

二、目前的技術(shù)狀況

我們又從化學(xué)老師那里了解到“滴定管”測(cè)量液體體積精確度較高，滴定管是化學(xué)測(cè)定滴定分析時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)量溶液體積的量器。常量分析用的滴定管，總?cè)萘恳话闶?5ml或50ml，最小刻度0.1ml。微量分析用的滴定管（不太常見(jiàn)），總?cè)萘恳话闶?ml或5ml，最小刻度0.02ml或0.05ml毫升，最高精確度能達(dá)到0.02ml。但滴定管（內(nèi)徑很?。┲荒軠y(cè)量液體的體積，而不能測(cè)量固體的體積。

有沒(méi)有一種高精確度的液體、固體體積測(cè)量工具呢？隨后我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上作了調(diào)查，又通過(guò)專利檢索作了查詢。我們了解到，在化學(xué)測(cè)定滴定分析，進(jìn)行物質(zhì)分析、鑒別，以及在醫(yī)學(xué)上比較離體組織的生物學(xué)活性、手術(shù)（如鼻甲、息肉、腺樣體切除術(shù)等）與臨床癥狀間的關(guān)系時(shí)，都需要一種可精確測(cè)量少量液體和小塊物體體積的方法，以及相應(yīng)的體積測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)，精確的液體、固體體積測(cè)量是十分必要的。

從專利文獻(xiàn)“實(shí)用新型”發(fā)明中檢索到一種微體積測(cè)量?jī)x，說(shuō)明書(shū)中介紹到：“它包括顯微鏡、刻度盤(pán)、玻璃測(cè)管、標(biāo)記物、照明燈及電源開(kāi)關(guān)。刻度盤(pán)安裝在微調(diào)旋鈕上，玻璃測(cè)管裝在載物臺(tái)上，照明燈裝在玻璃測(cè)管下方，標(biāo)記物置于玻璃測(cè)管之液面上。”從中可看到，這一測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用。

三、發(fā)明設(shè)計(jì)的目標(biāo)

液體、固體體積的測(cè)量本就不太方便，精確測(cè)量更加困難。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研部門(mén)和大專院校經(jīng)常需要對(duì)液體、固體進(jìn)行體積測(cè)量，特別是高精確度的測(cè)量。本發(fā)明的目的是提供一種操作比較簡(jiǎn)單，便于推廣應(yīng)用的高精確度液體、固體體積測(cè)量工具及液體量取工具。設(shè)計(jì)目標(biāo)是精確度能達(dá)到0.01ml～0.001ml（不同規(guī)格）。具體目標(biāo)：1.能方便準(zhǔn)確地量取一定體積的液體；2.能方便準(zhǔn)確地對(duì)液體、固體物質(zhì)進(jìn)行體積測(cè)量（如對(duì)金、銀、珠寶、玉石等進(jìn)行分析、鑒別等）。具有性能穩(wěn)定、精確度高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

四、思路和方案

醫(yī)用注射器可以作為一種液體體積測(cè)量工具，也能作為液體量取工具，它由活塞在儲(chǔ)液筒（圓柱體）里移動(dòng)的距離（位置）確定體積，刻度數(shù)值標(biāo)注在儲(chǔ)液筒上，測(cè)量精確度由儲(chǔ)液筒的內(nèi)直徑及最小刻度所決定，較小規(guī)格的注射器，如2ml的測(cè)量精確度只能達(dá)到0.1ml（如圖3所示）。

圖4

圖5

圖6

在長(zhǎng)度的測(cè)量中，我們知道除常用的刻度尺外，還有游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器，而螺旋測(cè)微器（如圖4所示）的測(cè)量精確度要高得多。

測(cè)量長(zhǎng)度的螺旋測(cè)微器的測(cè)量精確度能達(dá)到0.01mm，它巧妙的測(cè)量原理深深地吸引著我們。體積V與長(zhǎng)度L有聯(lián)系嗎？寫(xiě)成數(shù)學(xué)公式為：V=SL。如果確定了圓柱體的橫截面積S，通過(guò)測(cè)量圓柱體的長(zhǎng)度，就可間接測(cè)出圓柱體的體積。所以，通過(guò)測(cè)量注射器儲(chǔ)液筒內(nèi)的液柱長(zhǎng)度L，或者儲(chǔ)液筒內(nèi)活塞移動(dòng)的距離L，就能間接測(cè)出體積V。

于是，我們決定用類(lèi)似注射器的圓柱形容器儲(chǔ)液，用螺旋測(cè)微器的螺旋讀數(shù)原理（如圖5、圖6所示）來(lái)測(cè)量液體、固體物質(zhì)的體積。把原來(lái)螺旋測(cè)微器標(biāo)注長(zhǎng)度的刻度改為標(biāo)注體積，數(shù)值的讀取方法不變。定名為螺旋型體積測(cè)微器。

設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)下表）：

螺旋型體積測(cè)微器設(shè)計(jì)為5種規(guī)格。儲(chǔ)液筒為圓柱體，設(shè)計(jì)參數(shù)有規(guī)格（總?cè)萘浚?、?chǔ)液筒內(nèi)直徑D、儲(chǔ)液筒內(nèi)橫截面積S、儲(chǔ)液筒有效長(zhǎng)度L、刻度最小分度值、固體投放口直徑d、螺套螺桿的螺距、最小固定刻度等。模型如圖5、圖7、圖9所示。

以規(guī)格2ml的螺旋型體積測(cè)微器為例，設(shè)計(jì)儲(chǔ)液筒內(nèi)橫截面積S=1.000cm2，S=πR2，則儲(chǔ)液筒內(nèi)直徑D=2R=1.128cm；當(dāng)螺桿一端的活塞向左或右在儲(chǔ)液筒里移動(dòng)0.1cm時(shí)，儲(chǔ)液筒內(nèi)體積改變V=SL=1×0.1=0.1ml，螺旋型體積測(cè)微器可動(dòng)刻度上讀取的數(shù)值可精確到0.001ml，估計(jì)值為0.0001ml。

Machinery System Design Conforming to Safe Return to Port Rules for Passenger Ships……………LIU Yunpeng， HE Huibin， SHAO Jianlian(2·38)

螺旋型體積測(cè)微器參數(shù)設(shè)計(jì)表

圖7

圖8

圖9

五、結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理

注射器吸取液體是由活塞的推拉動(dòng)作完成。注射器測(cè)量液體體積精確度不高，主要原因是：1.與普通刻度尺一樣，最小刻度標(biāo)注受到限制；2.活塞在手動(dòng)推拉下不可能做到微量控制。

若把注射器與測(cè)量長(zhǎng)度的螺旋測(cè)微器合二為一，具體方案是把類(lèi)似注射器的儲(chǔ)液筒固定在螺旋測(cè)微器的固定端（左）上，螺旋型體積測(cè)微器的儲(chǔ)液筒一端安裝有針頭，螺旋測(cè)微器的螺桿的一端安裝有一個(gè)活塞，活塞旋到零刻度處儲(chǔ)液筒內(nèi)體積為零。要抽取被測(cè)液體時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺桿，活塞后退，液體從儲(chǔ)液筒的針頭進(jìn)入儲(chǔ)液筒，使針頭上揚(yáng)，排出可能存在的氣泡，就可讀取被測(cè)液體體積了。

數(shù)值的讀取方法與原螺旋測(cè)微器相同，由固定刻度數(shù)值加可動(dòng)刻度數(shù)值組成。測(cè)量示例：以規(guī)格2ml為例，如圖8所示，測(cè)得體積為0.2780ml。

為了能夠測(cè)量固體的體積，在儲(chǔ)液筒的末端開(kāi)有一個(gè)圓形的固體投放口，被測(cè)固體由此放入儲(chǔ)液筒內(nèi)。活塞與螺桿的連接有兩種方式，一種是活塞固定在螺桿的末端，另一種是活塞通過(guò)軸承或軸套與螺桿連接，后一種連接方式的特點(diǎn)是螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)而活塞不轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞在儲(chǔ)液筒里只做前進(jìn)和后退的移動(dòng)，如圖9、圖10所示。儲(chǔ)液筒、活塞的材料可選用玻璃，也可選用透明的工程塑料。

為了讀數(shù)和制造的方便，設(shè)計(jì)如下：1.規(guī)格2ml～10ml的螺桿螺距設(shè)計(jì)為0.5mm，固定刻度最小分度為1mm，可動(dòng)刻度為50分度，活塞移動(dòng)1mm，儲(chǔ)液筒內(nèi)體積改變0.1ml，可動(dòng)刻度顯示數(shù)值可估計(jì)到0.0001ml。2.規(guī)格20ml～50ml的螺桿螺距設(shè)計(jì)為1.0mm，固定刻度最小分度為2mm，可動(dòng)刻度為50分度，活塞移動(dòng)2mm，儲(chǔ)液筒內(nèi)體積改變1.0ml，可動(dòng)刻度顯示數(shù)值可估計(jì)到0.001ml。

六、使用方法

（一）液體體積的測(cè)量（以水為例）

把針頭插入水中（非被測(cè)水），后移（旋退）螺桿活塞吸入少量水。前移（旋進(jìn)）螺桿使活塞移到固定刻度的0刻度處，排出儲(chǔ)液筒內(nèi)的水，這時(shí)儲(chǔ)液筒前端與活塞之間的微小空間被水填滿（這樣做是為了減小系統(tǒng)誤差），再把針頭插入被測(cè)水中，后移（旋退）螺桿活塞完全吸入被測(cè)水。使針頭上揚(yáng)，針頭部位抬高，前移（旋進(jìn)）螺桿排出儲(chǔ)液筒內(nèi)可能出現(xiàn)的氣泡，當(dāng)針頭頂端剛好出現(xiàn)小液珠時(shí)，讀取該液體體積數(shù)值V（如圖10、圖11所示）。

（二）固體體積的測(cè)量（采用二次讀數(shù)法，媒介液體以水為例）

把針頭插入水中，后移（旋退）活塞吸入適量水。使針頭上揚(yáng)，前移（旋進(jìn)）活塞排出儲(chǔ)液筒內(nèi)可能出現(xiàn)的氣泡，當(dāng)看到針頭頂端剛好出現(xiàn)小液珠時(shí)，讀取該液體體積數(shù)值V1。再后移（旋退）活塞至儲(chǔ)液筒的固體投放口露出，把被測(cè)固體放入儲(chǔ)液筒里，前移（旋進(jìn)）活塞至固體投放口封閉，然后使針頭上揚(yáng)，仔細(xì)排出儲(chǔ)液筒內(nèi)的氣體，當(dāng)看到針頭處剛好出現(xiàn)小液珠時(shí)，讀取固、液總體積V2，V2-V1就是被測(cè)固體的體積，即V固=V2-V1。

（三）一定體積液體的量取

把針頭插入待量液體中，后移（旋退）活塞吸入液體。使吸入液體的體積略大于需要體積，使針頭上揚(yáng)，前移（旋進(jìn)）活塞移到需要體積處，排出儲(chǔ)液筒內(nèi)可能出現(xiàn)的氣泡和多余的液體。完成一定體積液體的量取后。排出儲(chǔ)液筒內(nèi)的液體到所需容器里，再后移（旋退）活塞少許，吸入少量空氣，使針頭向下，由吸入的空氣排出儲(chǔ)液筒與活塞之間的微小空間內(nèi)的液體到同一容器里。

圖10

圖11

圖12

七、發(fā)明特點(diǎn)

螺旋型體積測(cè)微器的創(chuàng)新點(diǎn)是：

1.采用類(lèi)似注射器的容器（儲(chǔ)液筒）作為測(cè)量液體、固體體積的容器，利用螺旋測(cè)微器原理讀數(shù)，完成讀數(shù)的轉(zhuǎn)移。

2.儲(chǔ)液筒的一側(cè)開(kāi)有一個(gè)圓形固體投放口，被測(cè)固體由固體投放口放入和取出。

3.體積數(shù)值地讀取采用螺旋測(cè)微讀數(shù)完成，不再由液面位置讀數(shù)，避免了彎月面讀數(shù)帶來(lái)的誤差。

4.液體的抽取和排出使用儲(chǔ)液筒上的針頭。活塞的移動(dòng)采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)進(jìn)退，能做到細(xì)微控制，實(shí)現(xiàn)高精確測(cè)量。

5.容器壁不會(huì)殘留液滴，為高精確度測(cè)量提供了保證。

螺旋型體積測(cè)微器是一種操作比較簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、測(cè)量精確度高的液體、固體體積測(cè)量?jī)x器及液體量具。該量具可廣泛應(yīng)用于中學(xué)、中等專業(yè)學(xué)校、高校、科研和生產(chǎn)部門(mén)等地，是理想的體積測(cè)量?jī)x器和液體精確量具。