科学测量与实验技能

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 测量直径与周长展开

   即使实验操作仔细且正确，任何实验中仍可能引入误差。在进行实验室操作时，必须对实验方法进行批判性审视，以理解并评估其中的不确定性。在本实验部分，你将确定测量不同玻璃器皿周长的步骤，并评估测量过程中可能存在的误差来源。

   • 首先，穿戴适当的个人防护装备，包括手套、防化护目镜和实验服。
   • 在实验台面上放置垫板，以防止玻璃器皿破裂。将每个烧杯倒置放在垫板上，使烧杯底部朝向天花板。
   • 将一根细绳的一端尽可能靠近烧杯底座边缘放置，并将细绳延伸至烧杯另一侧以测量直径。使用记号笔在细绳上标记两端位置。
   • 取下细绳，使用直尺测量细绳上两个标记点之间的距离。将测得的直径（以及体积）记录在实验记录本中。重复测量两次。

     表 1：测量直径与周长

     		第1次测量	第2次测量	第3次测量
     50-mL 烧杯	测得直径
     	测得周长
     	计算周长
     100-mL 烧杯	测得直径
     	测得周长
     	计算周长
     250-mL 烧杯	测得直径
     	测得周长
     	计算周长
     400-mL 烧杯	测得直径
     	测得周长
     	计算周长
     600-mL 烧杯	测得直径
     	测得周长
     	计算周长
     实测周长 vs. 直径		计算周长 vs. 直径
     斜率		斜率
     y轴截距		y轴截距
     R2		R2

     点击此处下载表 1
   • 将细绳一端置于烧杯边缘，将细绳绕烧杯一周以测量周长。注意：尽量在与测量直径相同高度处测量周长，并尽可能保持细绳水平。
   • 在细绳上做标记，使用直尺测量其长度，并将测得的周长记录在实验记录本中。重复测量两次。
   • 收集各种不同尺寸烧杯的直径和周长测量数据，并记录在实验记录本中。
2. 移液操作展开

   移液器是实验室中用于测量和转移特定体积液体的容积式装置。移液器有多种类型，但今天我们使用的是容量移液器。这些玻璃移液器上标有“TD”字母和体积值，表示其设计为在指定温度下准确释放标示体积的液体。误差值也一并标出。当液面弯月面底部与标线对齐时，测量即为正确。使用移液器或吸球将液体吸入移液管。在本实验部分，你将练习使用不同容量的移液器进行移液操作，并评估操作的一致性及可能的误差来源。注意：绝对禁止用口吸取液体。

   • 首先，用自来水将一个50-mL烧杯装满。
   • 将空的10-mL量筒放在天平上称重并记录质量。

     表 2：移取10 mL水

     	5-mL 移液器			10-mL 移液器
     	第1次测量	第2次测量	第3次测量	第1次测量	第2次测量	第3次测量
     空10-mL量筒质量 (g)
     装满水的10-mL量筒质量 (g)
     水体积 (mL)
     水质量 (g)
     空10-mL量筒质量 (g)
     装满水的10-mL量筒质量 (g)
     水体积 (mL)
     水质量 (g)

     点击此处下载表 2
   • 将5-mL移液器连接至移液器上，吸取5 mL水。调节液面，使弯月面底部与5-mL刻度线对齐，然后将水排入10-mL量筒中。
   • 重复操作，向量筒中再加入5 mL水。
   • 读取量筒中液体体积并记录在实验记录本中。
   • 将量筒放回天平称重并记录新质量。从该值中减去初始质量，得到加入玻璃器皿中的水的质量。
   • 称量空10-mL容量瓶的质量并记录。使用5-mL移液器向容量瓶中加入10 mL水。将容量瓶放回天平称重并记录新质量。减去初始质量，得到加入的水的质量。
   • 将量筒和容量瓶中的水倒出，将10-mL移液器连接至移液器上。
   • 重新称量空量筒质量。然后使用移液器吸取10 mL水并排入量筒中。读取液体体积，记录在实验记录本中，并确定加入的水的质量。
   • 重新称量空容量瓶质量，然后向容量瓶中加入10 mL水。确定加入的水的质量。
   • 继续练习移液操作，向量筒和容量瓶中转移液体。每种移液器和玻璃器皿至少重复三次。记录所有体积和质量测量数据，以便评估操作的一致性和准确性。
3. 真空过滤展开

   使用布氏漏斗进行真空过滤是一种常用于分离固体与液体的技术。布氏漏斗通过橡胶接头连接至抽滤瓶，并用硅胶管连接至真空源。在漏斗内放置滤纸后，将溶液倒入其中。真空将液体吸入抽滤瓶，固体则留在漏斗内的滤纸上。在本实验部分，你将使用布氏漏斗装置过滤水中的沙子，练习该技术。然后通过比较过滤前后沙子的质量，评估操作的有效性。

   • 首先，将天平归零。将一个空称量舟放在天平上，记录其质量。然后将天平去皮归零。

     表 3：真空过滤

     沙子初始质量 (g)
     沙子最终质量 (g)
     产率 (%)

     点击此处下载表 3
   • 从天平上取下称量舟，使用药匙将沙子转移至称量舟中。将称量舟放回天平并检查质量。
   • 添加或移除沙子，直至质量约为3 g。将该质量记录为初始质量。
   • 取一个标记好的烧杯，获取约20 mL丙酮，并在带回工作区时用表面皿盖住。
   • 使用10-mL量筒量取20 mL去离子水，并将水倒入100-mL烧杯中。
   • 获取红色染料溶液，使用5-mL移液器量取5 mL染料溶液。
   • 将红色染料加入盛水的烧杯中，然后加入沙子。使用玻璃搅拌棒充分混合沙子、染料和水。
   • 搭建真空过滤系统。将橡胶接头插入抽滤瓶口，用硅胶管将真空源连接至抽滤瓶的支管。将布氏漏斗的茎部插入橡胶接头，确保连接紧密。将滤纸置于漏斗中央，然后开启真空开始抽滤。
   • 在缓慢将混合物倒入滤纸中央的同时轻轻搅拌。使用玻璃搅拌棒引导混合物进入漏斗中央。使用橡胶刮刀将残留的混合物刮入漏斗。
   • 待所有水通过漏斗后，关闭真空。检查是否有沙子进入抽滤瓶中的滤液。注意：若有沙子进入，说明滤纸未居中放置。重新居中放置滤纸，将滤液倒回烧杯并再次过滤。
   • 待溶液正确过滤后，关闭真空，用约3–5 mL去离子水冲洗滤纸上的沙子。开启真空以去除水和染料。重复冲洗步骤，直至沙子中所有红色染料被去除。
   • 关闭真空，将抽滤瓶与硅胶管断开。
   • 将600-mL烧杯标记为“水相废液”，将抽滤瓶中的滤液倒入该烧杯。
   • 重新连接抽滤瓶和硅胶管至布氏漏斗。用3–5 mL丙酮进一步冲洗沙子以干燥。开启真空将液体吸入抽滤瓶。重复此步骤1–2次，以完全干燥沙子。
   • 最后干燥步骤：将大橡胶塞盖在漏斗顶部约10分钟。
   • 另取一个烧杯标记为“有机废液”。关闭真空，将硅胶管从抽滤瓶上断开，取下漏斗，将丙酮倒入有机废液瓶中。
   • 将漏斗和滤纸带至天平处，去皮归零一个干净的称量舟。
   • 小心地从漏斗中取出滤纸，使用橡胶刮刀将沙子刮入称量舟中。称量沙子质量并记录为“最终质量”。
   • 5分钟后再次称量质量，并记录任何变化。
   • 实验结束后，将水相废液冲洗入水槽。将有机废液倒入指定的有机废液容器中。将沙子、滤纸和细绳丢入垃圾桶。用自来水冲洗所有使用过的玻璃器皿并晾干。
4. 结果展开

   现在你已经练习了测量、移液和过滤操作，接下来分析你的操作技术。

   • 首先，分析你测量烧杯直径和周长的一致性。使用电子表格软件绘制实测周长与实测直径的散点图。
   • 将直径作为自变量置于x轴，周长作为因变量置于y轴。
   • 使用以下公式计算每个实测直径对应的理论周长：C=πD
   • 在同一张图上绘制理论周长随直径变化的曲线。
   • 对两组数据分别进行线性拟合，确定拟合直线的斜率、截距和R²值。斜率和截距的有效数字位数多于原始测量值。我们的测量值仅精确到十分位。因此，方程调整为 y = 2.9x + 2.1。
   • 若你的周长测量准确，两条趋势线应非常接近，且拟合直线方程应与周长公式高度一致。此处可见，我们的周长测量存在一定误差。
   • 现在，分析你的移液技术。请记住，我们使用了5-mL和10-mL移液器分别向10-mL量筒中加入10 mL水，并测量了其质量。
   • 首先，从含水的量筒质量中减去空量筒质量，得到10 mL水的质量。
   • 此处展示了5-mL和10-mL移液器各两次实验的结果。由于水的密度为1 g/mL，10 mL水的质量应为10 g。使用任一移液器测量10 mL水均较为准确，其中5-mL移液器略更精确。
   • 为评估使用布氏漏斗装置过滤沙子的效果，计算产率。产率等于沙子的最终质量（实际产量）除以初始质量（理论产量）再乘以100%。

     • 

     注意：产率不可能超过100%。因为最终质量（实际产量）不可能高于初始质量（理论产量）。
   • 此处展示了我们的过滤结果，产率约为75%。产率越接近100%，过滤效果越好。注意：若你的产率高于100%，可能是计算错误、沙子称重不准，或沙子未完全干燥时称重所致。