Научные измерения и лабораторные навыки

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

1. Измерение диаметра и окружности<кнопка class="развернуть">Развернуть

   Ошибка может быть внесена в любой эксперимент, даже если техника выполнена аккуратно и правильно. Важно критически изучить свои экспериментальные методы при выполнении любых лабораторных работ, чтобы понять и оценить неопределенность. В этой части лабораторной работы вы определите процедуру измерения окружности различной стеклянной посуды, а затем оцените источники ошибок в ваших измерениях.

   • Для начала наденьте соответствующие средства индивидуальной защиты, включая перчатки, защитные очки от химических веществ и лабораторный халат.
   • Установите прокладку на столе, чтобы предотвратить поломку стеклянной посуды. Переверните каждый стакан вверх ногами на подушечке так, чтобы основание стакана было обращено к потолку.
   • Поместите один конец веревки как можно ближе к краю основания и продлите веревку на другую сторону стакана, чтобы измерить диаметр. С помощью маркера отметьте строку, обозначив края.
   • Удалите строку и используйте линейку для измерения расстояния между конечными точками, отмеченными на строке. Запишите диаметр (и объем) в блокнот. Повторите измерение еще два раза.

     Таблица 1: Измерение диаметра и длины окружности

     		Trial 1	Trial 2	Trial 3
     50 мл	Измеряемый диаметр
     	Измеренная длина окружности
     	Расчетная длина окружности
     стакан объемом 100 мл	Измеряемый диаметр
     	Измеренная длина окружности
     	Расчетная длина окружности
     стакан объемом 250 мл	Измеряемый диаметр
     	Измеренная длина окружности
     	Расчетная длина окружности
     стакан объемом 400 мл	Измеряемый диаметр
     	Измеренная длина окружности
     	Расчетная длина окружности
     стакан объемом 600 мл	Измеряемый диаметр
     	Измеренная длина окружности
     	Расчетная длина окружности
     Измеренная длина окружности в зависимости от диаметра		Рассчитанная длина окружности в зависимости от диаметра
     наклон		наклон
     Y-образный перехват		Y-образный перехват
     Р2		Р2

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
   • Поместите один конец веревки на край стакана и растяните веревку вокруг стакана, чтобы измерить окружность. заметка: Постарайтесь измерить окружность на той же высоте, на которой вы измерили диаметр, сохраняя при этом тетиву как можно ровнее.
   • Отметьте строку, измерьте длину с помощью линейки и запишите измерение окружности в свой блокнот. Повторите измерение еще два раза.
   • Собери измерения диаметра и окружности для каждого из стаканов разного размера и запиши их в свой блокнот.
2. PipettingExpand

   Пипетки — это объемные устройства, используемые в лаборатории для измерения и подачи определенных объемов жидкостей. Существуют разные типы пипеток, но те, которые мы будем использовать сегодня, называются объемными пипетками. Эти стеклянные пипетки маркируются буквами «TD» и объемом, который означает, что он предназначен для подачи объема жидкости при указанной температуре. Ошибка также указана. Измерение является правильным, когда нижняя часть мениска находится на соответствующей линии объема. Пипетка или колба используется для забора жидкости в пипетку. В этой части лабораторной работы вы будете практиковаться в пипетировании с использованием различных объемных пипеток и проверять консистенцию и возможные источники ошибок. заметка: Ни в коем случае нельзя делать пипетку через рот.

   • Для начала, наполни стакан объемом 50 мл водой из-под крана.
   • Взвесьте пустой 10-мл градуированный баллон на весах и запишите вес.

     Таблица 2: Пипетирование 10 мл воды

     	5-mL pipette			10-mL pipette
     	1st measurement	2nd measurement	3rd measurement	1st measurement	2nd measurement	3rd measurement
     Массапустого 10-мл градуированного цилиндра (г)
     Massfull 10mL graded cylinder (g)
     Объемводы (мл)
     Masswater (g)
     Массапустой 10-мл градуированный цилиндр (g)
     Massfull 10mL graded cylinder (g)
     Объемводы (мл)
     Массаводы (g)

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2
   • Приложите пипетку объемом 5 мл к пипетке и наберите 5 мл воды. Отрегулируйте объем так, чтобы дно мениска находилось на линии измерения 5 мл. Затем налейте воду в мерный цилиндр объемом 10 мл.
   • Повторите, чтобы добавить еще 5 мл воды в градуированный цилиндр.
   • Прочитайте объем, заполненный на градуированном цилиндре, и запишите его в свой блокнот.
   • Верните градуированный цилиндр на весы и запишите новую массу. Вычтите из этого значения исходную массу, чтобы получить массу воды, добавленной в стеклянную посуду.
   • Взвесьте массу пустой объемной колбы объемом 10 мл и запишите значение. С помощью пипетки объемом 5 мл отмерьте 10 мл воды в колбе. Верните колбу на баланс и запишите новую массу. Вычтите начальную массу, чтобы получить массу добавленной воды.
   • Слейте воду из градуированного цилиндра и мерной колбы и прикрепите пипетку объемом 10 мл к пипетке.
   • Перевесьте пустой градуированный цилиндр. Затем наберите 10 мл воды с помощью пипетки и налейте ее в градуированный цилиндр. Считайте объем жидкости, запишите его в блокнот, и определите массу добавленной воды.
   • Повторно взвесьте пустую мерную колбу, а затем отмерьте 10 мл воды в мерную колбу. Определите массу добавляемой воды.
   • Продолжайте практиковаться в пипетировании, подавая объемы жидкости как в градуированный цилиндр, так и в мерную колбу. Повторите не менее трех раз для каждой пипетки и стеклянной посуды. Записывайте все измерения объема и массы, чтобы можно было определить согласованность и точность вашей методики.
3. Вакуумная фильтрация<кнопка class="развернуть">Развернуть

   Вакуумная фильтрация с помощью воронки Бюхнера — это метод, часто используемый для отделения твердых частиц от жидкостей. Воронка Бюхнера соединяется с фильтрующей колбой с помощью резинового адаптера, а затем прикрепляется к вакууму с помощью силиконовой трубки. После того как внутрь воронки помещают фильтровальную бумагу, в нее заливают раствор. Вакуум втягивает жидкость в колбу, а твердые частицы остаются на фильтровальной бумаге в воронке. В этой части лаборатории вы будете практиковать эту технику, фильтруя песок из воды с помощью воронки Бюхнера. Затем вы проверите эффективность вашего метода, сравнив вес песка до и после фильтрации.

   • Для начала, обнулите баланс. Поставьте на весы пустую лодку для взвешивания и запишите вес в блокнот. Затем измерьте баланс.

     Таблица 3: Вакуумная фильтрация

     Начальная масса песка (г)
     Конечная масса песка (г)
     Процент доходности

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 3
   • Снимите весовую лодку с весов и используйте совкулу для переноса песка на весовую лодку. Верните весовую лодку обратно на весы и проверьте массу.
   • Добавляйте или удаляйте песок, пока у вас не будет около 3 г. Запишите вес как начальную массу в свой блокнот.
   • Получите примерно 20 мл ацетона в стакане с маркировкой, обязательно накрыв его стеклом для часов, когда вернете его на свою рабочую станцию.
   • Отмерьте 20 мл деионизированной воды с помощью мерного цилиндра объемом 10 мл и налейте воду в стакан объемом 100 мл.
   • Получите раствор красителя и отмерьте 5 мл раствора красителя с помощью пипетки объемом 5 мл.
   • Насыпь красный краситель в стакан с водой, а затем добавь песок. Тщательно перемешайте песок, краситель и воду с помощью стеклянной палочки для перемешивания.
   • Настройте систему вакуумной фильтрации. Поместите резиновый адаптер в горловину фильтрующей колбы и подсоедините силиконовую трубку от вакуума к колбе с зазубринами фильтрующей колбы. Поместите шток воронки Бюхнера в резиновый адаптер и убедитесь, что он плотно прилегает. Поместите фильтровальную бумагу в центр воронки, затем включите пылесос, чтобы начать всасывание.
   • Осторожно перемешайте песчаную смесь, медленно высыпая ее в центр фильтровальной бумаги. Используйте стеклянную палочку для перемешивания, чтобы направить смесь к центру воронки. Соскребите остатки песчаной смеси в воронку с помощью резинового полицейского.
   • Как только вся вода пройдет через воронку, выключите пылесос. Убедитесь, что песок не попал в фильтрат в колбе. заметка: Если песок все же попадал, фильтровальная бумага не располагалась по центру воронки. Снова центрируйте фильтровальную бумагу, затем высыпьте фильтрат в стакан и снова отфильтруйте раствор.
   • Как только раствор будет правильно отфильтрован, выключите вакуум и промойте песок на фильтровальной бумаге примерно 3-5 мл деионизированной воды. Включите пылесос, чтобы удалить воду и краситель. Повторяйте этап промывки до тех пор, пока из песка не будет удален весь красный краситель.
   • Выключите вакуум и отсоедините фильтрующую колбу от силиконовой трубки.
   • Пометьте стакан объемом 600 мл как "водные отходы" и вылейте фильтрат из фильтрующей колбы в стакан.
   • Снова прикрепите фильтрующую колбу и трубку к воронке Бюхнера. Далее высушите песок, промыв его 3-5 мл ацетона. Включите пылесос, чтобы втянуть жидкость в фильтрующую колбу. Повторите этот шаг еще 1-2 раза, чтобы песок полностью высох.
   • Для последнего этапа сушки поместите большую резиновую пробку на вершину воронки примерно на 10 минут.
   • Маркировка отдельного стакана для органических отходов. Выключите пылесос, отсоедините трубку от колбы, снимите воронку и вылейте ацетон в колбу для органических отходов.
   • Возьми воронку и фильтровальную бумагу на весы и направь чистую лодку для взвешивания.
   • Осторожно удалите фильтровальную бумагу из воронки и соскребите песок в весовую лодку с помощью резинового полицейского. Взвесьте песок и запишите массу как «окончательную массу».
   • Через 5 минут снова измерьте массу и обратите внимание на любые изменения.
   • Чтобы убраться из лаборатории, промойте водные отходы в раковине. Высыпьте органические отходы в предназначенный для этого контейнер для органических отходов. Выбросьте песок, фильтровальную бумагу и веревку в мусорное ведро. Промойте всю использованную стеклянную посуду водой из-под крана и дайте ей обсохнуть.
4. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть

   Теперь, когда вы попрактиковались в измерении, пипетировании и фильтрации, давайте проанализируем ваши методы.

   • Во-первых, давайте посмотрим на последовательность измерений диаметра и окружности вашего стакана. Используйте программное обеспечение для работы с электронными таблицами для подготовки диаграммы рассеяния измеренной длины окружности в зависимости от измеренного диаметра.
   • Диаметр графика как независимая переменная по оси x, а окружность графика как зависимая переменная по оси y.
   • Рассчитайте ожидаемую длину окружности для каждого из измеренных диаметров, используя следующее уравнение: C=πD
   • Отобразите ожидаемые значения длины окружности в зависимости от диаметра на том же графике.
   • Подгонка обоих наборов данных с помощью линейного наилучшего аппроксимации и определение наклона, пересечения и r-квадрата аппроксимации линии. Наклон и пересечение имеют более значимые значения, чем исходное измерение. Наши замеры были точны только до десятых долей. Таким образом, уравнение корректируется до y = 2,9x + 2,1.
   • Если ваши измерения окружности были точными, две линии тренда должны точно совпадать, а уравнение линии тренда должно точно соответствовать формуле длины окружности. Вы можете видеть здесь наше измерение окружности, и что наша линия наилучшего прилегания имеет некоторую погрешность.
   • Теперь давайте посмотрим на ваши навыки работы с пипеткой. Помните, что мы использовали пипетку объемом 5 мл и дозатор объемом 10 мл, чтобы отмерить 10 мл воды в градуированном цилиндре объемом 10 мл, а затем измерили вес.
   • Сначала вычтите массу пустого градуированного цилиндра из градуированного цилиндра, содержащего воду, чтобы получить массу 10 мл воды.
   • Здесь мы показываем результаты двух испытаний пипеток на 5 мл и 10 мл. Так как плотность воды составляет 1 г/мл, то 10 мл воды имеют массу 10 г. Измерение 10 мл воды было довольно точным с использованием пипетки любого объема, при этом пипетка объемом 5 мл была немного более точной.
   • Чтобы проанализировать, насколько хорошо песок был отфильтрован с помощью воронки Бюхнера, рассчитайте процент выхода. Процент выхода равен конечной массе песка, или фактическому выходу, деленному на начальную массу песка, или теоретическому выходу, умноженному на 100.

     • 

     заметка: Невозможно получить процент выхода более 100%. Так как конечная масса песка, или фактический урожай, не может быть выше начальной массы, или теоретического выхода.
   • Здесь мы показываем результаты нашей фильтрации, где процент выхода равен примерно 75%. Чем ближе процент выхода к 100%, тем лучше фильтрация. заметка: Если процент выхода превышает 100%, возможно, в расчетах была допущена ошибка, песок мог быть неправильно взвешен или песок мог быть не полностью сухим при взвешивании.