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牛頓

（物理學單位）

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牛頓（Newton），簡稱牛，符號為N。是一種衡量力的大小的國際單位，以科學家 艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的名字而命名。在國際單位制(SI)中，力的計量單位為牛頓。
牛頓的定義是：加在質量為1kg的物體上，使之產生1m/s2加速度的力為1N。其量綱為[F]=M・L・T-2，即：1N=1kg×1m/s2。
力單位的十進倍數單位和分數單位，可用SI詞頭加SI單位構成。例如，千牛(kN)、兆牛(MN)、毫牛(mN)、微牛(μN)等 [1]  。
中文名
牛頓
外文名
Newton
符    號
N
類    別
物理學單位
換    算
1N=1kg`m/s²
作    用
是一種衡量力的大小的國際單位

目錄

  1. 1 定義
  2. 2 命名緣由
  3. 3 力的概念
  4. 4 測力原理
  5. ▪ 總論
  1. ▪ 利用力的動力效應測量力值
  2. ▪ 利用力的靜力效應測量力值
  3. 5 測力方法
  4. 6 測力裝置
  1. ▪ 綜述
  2. ▪ 電阻應變式測力傳感器
  3. ▪ 其他測力傳感器

牛頓定義

牛頓，簡稱牛，符號為N，是一種衡量力的大小的國際單位。 [2] 
根據牛頓第二定律 F=ma，可知1N=1kg·m/s²
能使一千克質量的物體獲得1m/s²的加速度所需的力的大小定義為1牛頓。
物理學中，用G=mg求重力，其中G為重力，m為質量，g為常數，約為9.8N/kg。 [2] 
注：
g也是重力加速度，也是常數，約9.8m/s²
g隨緯度和高度的變化而變化 [2] 
9.8N/kg=9.8m/s²
推導：9.8N/kg=9.8（kg·m/s²）/kg=9.8m/s² [2] 

牛頓命名緣由

在物理中牛頓（Newton，符號為N）是力的公制單位。它是以創立經典力學的艾薩克·牛頓（Sir Isaac Newton）命名。牛頓是一個國際單位制導出單位，它是由kg·m/s²的國際單位制基本單位導出 [2]  。

牛頓力的概念

力是一個矢量，由力的大小、方向和作用點三個要素來確定 [3]  。
力是物體之間的相互作用，這種作用能使物體的機械運動狀態發生變化或使物體形狀發生變化。也就是説，凡能使物體動量發生變化而獲得加速度或者使物體發生變形的作用都稱為力。使物體運動狀態發生變化的效應叫力的動力效應，使物體產生變形的效應叫力的靜力效應 [3]  。

牛頓測力原理

牛頓總論

力的測量方法很多，如：可用與已知重力相平衡的方法測力，也可以用與力成比例的各種物理效應（如，彈性、壓磁、壓電等效應）來測力。儘管方法很多，但可歸納為利用力的動力效應和力的靜力效應兩種方法測力 [4]  。

牛頓利用力的動力效應測量力值

力的動力效應是使物體產生加速度。根據牛頓第二定律，如果物體的質量及其所獲得的加速度測得了，物體所受到的力也就知道了 [1]  。
在重力場中，地球的引力使物體產生重力加速度，這種力就稱為“重力”。因物體所在地點的重力加速度是一定的，所以物體所受的重力與物體的質量成正比。因此，可用已知質量的物體在重力場中的重力來測力，也可將重力放大後來測力，這就是利用力的動力效應測力的基本原理 [1]  。
力基準機和靜重式、槓桿式、液壓式力標準機，以及一些材料試驗機，就是根據動力效應來測力的 [1]  。

牛頓利用力的靜力效應測量力值

如前所述，力的靜力效應是使物體產生變形。測出物體受外力作用後的變形量，或變形引起的其他物理量的變化，也就可求出力。百分表式、水銀箱式等各種彈性環式標準測力儀，以及利用各種物理效應（如應變、壓磁、壓電等效應）製成的各種力傳感器來測力都是利用靜力效應來測力 [1]  。

牛頓測力方法

常用的測力方法大致有下列幾種 [5]  ：
（1）用已知重力或電磁力平衡被測力，從而直接測得被測力。
（2）通過測量一個在被測力作用下的已知質量的物體的加速度來間接測量被測力。
（3）通過測量由被測力產生的流體壓力測得被測力。
（4）當被測力張緊一振動弦，該弦的固有頻率將隨被測力的大小而改變.通過測量該頻率的變化來測得被測力。
（5）通過測量在被測力作用下某彈性元件的變形或應變來測得被測力。
上述的測力方法，大部分用於靜態力或緩慢變化力的測量。但最後一種方法則適用於靜態力或頻率數千赫以下的動態力的測量，因而是一種應用極廣泛的測力方法 [5]  。

牛頓測力裝置

牛頓綜述

測力傳感器（或測力裝置）的形式很多，根據其轉換原理不同，有電阻式、電感式、電容式、壓磁式、壓電式等類型 [6]  。

牛頓電阻應變式測力傳感器

力的測量可以在被測對象上直接粘貼電阻應變計和組橋，也可以在彈性元件上粘貼電阻應變計和組橋，構成各種測力傳感器。常用的彈性元件有柱式、梁式、環式、輪輻式等多種形式。電阻應變式測力傳感器具有結構簡單、製造方便、精度高等優點，在靜態和動態測量中獲得了廣泛的應用 [6]  。

牛頓其他測力傳感器

其他測力傳感器
傳感器類型
特點
電容式測力傳感器
在矩形的特殊彈性元件上，加工若干個貫通的圓孔，每個圓孔內固定兩個端面平行的“丁”字形電極，每個電極上貼有銅箔，構成由多個平行板電容器並聯組成的測量電路。在力F作用下，彈性元件變形使極板間距發生變化，從而改變電容量 [6]  。
電容式測力傳感器的特點是：結構簡單，靈敏度高，動態響應快，但是由於電荷泄漏難以避免，不適宜靜態力的測量 [6]  。
壓電式測力傳感器
壓電式測力傳感器的特點是：體積小，動態響應快，但是也存在電荷泄漏問題，一般也不適宜靜態力的測量。使用中應防止承受橫向力和施加預緊力 [6]  。
壓磁式測力傳感器
某些鐵磁性材料受到外力作用時，引起磁導率的變化，這種效應稱之為壓磁效應。它應用於治金、礦山、運輸等部門，為自動稱重和測力裝置。在使用時，通過吊環、傳力板及壓環對載荷的傳導，使得壓磁鐵心發生形變，磁力線分佈發生變化，部分磁力線和測量繞組交鏈，並在測量繞組中產生感應電動勢，且作用力越大，感應電動勢就越大 [6]  。
壓磁式測力傳感器的特點是：硅鋼材料受力面加大後，可以進行數千噸力的測量，且輸出電動勢較大，甚至只需濾波整流而無需放大處理，常用於大型軋鋼機的軋製力的測量。工程實際測量中應防止有側向力干擾，而破壞硅鋼的疊片結構 [6]  。
差動變壓器式測力傳感器
差動變壓器式測力傳感器中的彈性元件是一個簿壁圓筒（即外殼），在外力F作用下，變形使差動變壓器的鐵心介質微位移，變壓器二次側產生相應電信號 [6]  。
差動變壓器式測力傳感器的特點是工作温度範圍較寬。為減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應儘量小 [6]  。
參考資料
  • 1.    周祥才，朱兆武主編,檢測技術及應用,中國計量出版社,2009.02,第73頁
  • 2.    吳祖仁，陳琪兮等．義務教育教科書-物理 八年級下冊．中國·北京：教育科學出版社，2012：6-14
  • 3.    北京長城計量測試技術研究所主編,航空計量技術,航空工業出版社,2013.12,第102頁
  • 4.    戴蓮瑾主編,力學計量技術,中國計量出版社,1992年08月第1版,第108頁
  • 5.    李曉豁編著,機械工程測試技術,東北大學出版社,2005.08,第225頁
  • 6.    謝里陽，孫紅春，林貴瑜主編,機械工程測試技術,機械工業出版社,2012.09,第230頁