实验技术

概念教师准备学生实验方案
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来源:美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

  1. 测定鸡蛋的密度

    密度是衡量物质或物体紧密程度的物理量,其计算方式为质量除以体积。当一个密度较大的物体被放入密度较小的液体中时,物体会下沉;当物体密度小于液体时,物体会漂浮;当两者密度相等时,物体将悬浮于液体中。在本实验中,我们将通过配制与鸡蛋密度相同的溶液来测定鸡蛋的密度。我们将使用不同的体积测量玻璃器皿测定盐溶液的密度,并确定其中最准确的一种方法。

    • 首先,穿戴适当的个人防护装备,包括包脚鞋、长裤、长袖衬衫、实验服、防化学飞溅护目镜和手套。
    • 测量鸡蛋的质量。将称量舟置于天平上并归零,小心地将鸡蛋放入称量舟中,并在实验记录本上记录其质量。
    • 准备用于悬浮鸡蛋的盐溶液。使用600 mL烧杯,加入去离子水至其容积的3/4处。
    • 轻轻将鸡蛋放入烧杯中,然后向水中加入约一茶匙NaCl。轻轻搅拌溶液直至NaCl完全溶解。持续加入NaCl,直到鸡蛋刚好悬浮在液面下方。
    • 使用不同的玻璃器皿测量盐溶液的体积。将50 mL量筒放在电子天平上称重并记录其质量。然后量取20 mL盐溶液,并在实验记录本上记录体积。注意:在量筒后方放置一张白纸,以便更清晰地读取体积。读数时视线应与液面齐平,并从弯月面底部读取体积。量筒上的刻度间隔为0.2 mL,因此可将体积读至百分位。

      表1:质量测量

      容器空容器质量(g)装满后容器质量(g)溶液质量(g)百分误差
      50-mL量筒
      10-mL移液管
      50-mL烧杯
      20-mL容量瓶
      点击此处下载表1
    • 称量装有溶液的量筒质量,并在实验记录本上记录。然后将盐溶液倒回600 mL烧杯中。
    • 使用容量移液管测量体积。首先称量空的50 mL烧杯并记录其质量。然后使用容量移液管准确量取10 mL盐溶液,并将其转移至烧杯中。
    • 再量取10 mL盐溶液并加入烧杯中。称量装满溶液的烧杯质量并记录。随后将烧杯清空、冲洗并干燥。
    • 使用容量瓶测量体积。称量空的20 mL容量瓶并记录其质量。然后小心地将盐溶液加至容量瓶中,液面略低于20 mL刻度线,不要完全加满。使用滴管继续加液,使弯月面底部恰好与瓶颈上的刻度线相切。然后称量装满溶液的容量瓶质量并记录其重量。
    • 最后使用50 mL烧杯测量体积。称量空烧杯质量,然后将盐溶液加至20 mL刻度线处,再次称量装满溶液的烧杯质量。将两次质量记录在实验记录本中。
    • 测量鸡蛋浸入盐溶液时的排水体积。首先取出鸡蛋,观察600 mL烧杯中盐溶液的液面高度。注意:如果液面不在刻度线上,加入去离子水使弯月面处于可读体积位置,并记录该体积。
      测量项目使用20-mL容量瓶的盐溶液鸡蛋
      质量(g)
      排水高度(cm)-
      600-mL烧杯内径(cm)-
      体积(cm³)-
      体积(mL)20
      密度(g/mL)
      点击此处下载表2
    • 将鸡蛋轻轻放入烧杯中。
    • 使用直尺测量溶液液面的新高度并记录。然后将直尺横跨在烧杯口部,测量其内径。
    • 根据上述测量数据计算新的溶液体积。用新体积减去初始体积,得到鸡蛋的排水体积(即体积)。
    • 实验结束后,将鸡蛋交还给指导教师,将盐溶液倒入水槽中。用自来水冲洗所有使用过的玻璃器皿并晾干。最后将氯化钠交还给指导教师。
  2. 结果
    • 通过从装满溶液的玻璃器皿质量中减去空器皿质量,计算每种不同容量玻璃器皿中溶液的质量。
    • 在测量中注意保持有效数字以体现测量的不确定性。例如,在读取量筒测量值时,空容器质量为90.92 g,装满后质量为111.59 g。这些质量数据精确到百分位,因此在计算过程中必须保持有效数字。因此,20 mL盐溶液的质量为20.67 g。
    • 50 mL烧杯空重为28.65 g,装有20 mL盐溶液时质量为47.96 g。因此,20 mL盐溶液的质量为19.31 g。
    • 重复计算,得到使用10 mL移液管和200 mL容量瓶测量的20 mL盐溶液的质量。注意:通常而言,使用容量瓶进行体积测量更为准确。
    • 以容量瓶测量结果为基准,比较其他方法的百分误差。百分误差的计算方法为:(实验值-理论值)除以理论值,再乘以100。
      • 百分误差公式,用于计算实验结果偏差的数学表达式。
    • 以容量瓶测量值作为理论值,计算其他体积测量方法的百分误差。正如预期,使用烧杯刻度进行体积测量的方法准确度最低。注意:我们也可通过纯水的已知密度(1 g/mL)来验证:20 mL纯水质量应为20 g。由于向水中加入了盐,盐溶液的密度必然高于纯水。
    • 使用容量瓶测量数据计算盐溶液的密度。将溶液质量除以溶液体积,得到盐溶液的密度为1.053 g/mL。
    • 将计算得到的盐溶液密度与鸡蛋的密度进行比较。通过排水法在烧杯中测得的鸡蛋体积为61.14 cm3 或 61.14 mL。鸡蛋质量为60.15 g,因此其密度为0.9838 g/mL。鸡蛋与盐溶液密度之间的差异主要来源于两次计算过程中的误差,尤其是体积测量读数带来的误差。