中学常见玻璃量器的仰视、俯视读书误差分析

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  在中学化学的定量实验中,经常要用量筒、滴定管等仪器来量取一定体积的液体或对一定体积的液体进行读数,由于实验者观察方法不正确,即未能保持视线与液体凹液面的最低处相平,而造成所量取液体的体积或读出的体积数值存在误差。不正确的观察方法往往是仰视或俯视,造成的误差是偏大或偏小。此类误差分析题常见于各类考题中,但同学们的解答情况往往不能令人满意。究其原因是部分同学为了简便起见,机械地记结论,甚至用一些俗语来强化记忆,自认为用这种方法可很快得出答案,殊不知,当题目条件改变后,结论常常是错误的;部分同学知道可以通过画示意图来解决问题,但却不知道如何画示意图。笔者通过分析同学们在此类问题上常犯的错误,在深入思考的基础上,尝试了以下解决方法,发现对同学们的学习大有益处,现分享如下:
  基本思路:首先根据题意,明确实验任务是“对一定体积的液体进行读数”,还是“量取一定体积的液体”,该实验使用的仪器刻度是从上到下逐渐增大,还是从下到上逐渐增大。然后采取图示法解题,即按题意画出相应的示意图,分析误差的偏向。最后依据题设情景最终解答问题。其中,图示法的关键是首先得弄清楚两个定点,再用这两个定点的连线去确定最后的读数点。下面对此问题进行分类讨论。
  一、未知液体体积,对量器内液体进行读数
  如图l、2所示,在读数时,a点为眼睛位置,b点为凹液面的最低处,这两点首先要固定,在两点确定一条直线后,这条直线与量器的刻度相交,交点c所指永的读数即为液体的体积。
  1.刻度从上到下逐渐减小的量器,如量筒。图3、4是对10mL量筒内盛有7.5 mL液体仰视读数所引起的误差情况分析的示意图。首先找准眼睛与凹液面的最低处,并用直线将其连接,得到直线ab。直线ab与量筒刻度的交点c、即为误读的值7.2 mL,小于真实值7.5 mL。
  2.刻度从上到下逐渐增大的量器,如酸式滴定管、碱式滴定管等。酸式、碱式滴定管常用在中学化学酸碱中和滴定实验中,使用时需要分别读出滴定前和滴定后管内液体的体积,求出滴定过程中所消耗溶液的体积,所以属于对一定体积的溶液进行读数的问题。读数时,眼睛a点和凹液面的最低处b点首先确定一条直线,直线与滴定管的刻度相交,交点c所指示的读数即为实际读出的液体的体积。图5、6是对滴定管内所盛液体读数时俯视情况分步分析的示意图。从图可以看出:俯视读数时,读出的结果比实际体积偏小;同理可得,仰视读数时,读出的结果比实际体积偏大。
  二、已知一定体积,需量取一定体积的液体
  这种情况下,取液前已知需取用液体的体积。若a点为眼睛位置(如图7所示),b点为对应一定体积的量器上的刻度,这两点首先固定。在两点确定一条直线后,再缓慢用胶头滴管滴加液体,使液面上升,当凹液面的最低处c点与视线ab的延长线在同一水平线上时,量器内液体的体积即为取用的体积(如图8所示)。但当眼睛a点不与量器中凹液面的最低处c点在同一水平线上时,量取的液体将会不准确,下面将分类讨论其误差。
  1.对于刻度从上到下逐渐减小的量器,如量筒。下面以用10 mL的量筒量取7.5 mL液体为例进行讨论。量取液体时,若仰视读数,眼睛先注视量筒上7.5 mL刻度处,眼睛以点和7.5 mL刻度处b点连成一条直线(如图9所示)。再用胶头滴管不断滴加液体,使得液面不断上升,当凹液面的最低处与ab的延长线相交时,操作者停止滴加,误认为此时的读数即为7.5 mL(如图10所示),但此时量筒内液体的真实体积约为7.8 mL,多于需要取用的液体体积。即通过画示意图分析可以看出:用量筒量取液体时,若仰视读数,实际量取的液体的体积比需要取用的液体的体积偏大;同理,若俯视,实际量取的液体的体积比需要取用的液体体积偏小。
  例l 某同学在一次实验中先向量筒中加入一定量的水,俯视读数为16.0 ml,倒出一部分后,仰视读数为10.0 mL,则该同学实际倒出水的体积()。
  A.等于6.0 mL
  B.小于6.0 mL
  C.大于6.0 mL
  D.无法估计
  解析 该题属于“取液”问题,且使用了刻度从上到下减小的量器。用量筒量取液体,俯视读数时,先以眼睛和16.0 mL刻度两点确定视线,其延长线与凹液面的最低处的交点为c点,此时液面比16.0 mL液面低,读数比16.0 mL偏小,即量筒内实际水的体积比16.0 mL少(如图11所示)。倒出部分水后,先以眼睛和10.0 mL刻度两点确定视线,其延长线与凹液面的最低处的交点为c'点,此时液面比10.0 mL液面高,读数比10.0 mL偏大,即量筒内实际装水的体积比10.0 mL多(如图12所示)。因此倒出的水的体积小于6.0 mL。本题选B。
  2.对于刻度从上到下逐渐增大的量器,如酸式滴定管、碱式滴定管等。在量取液体时若俯视滴定管,将眼睛a点与滴定管刻度7.50 mL对应的b点连接为直线ab(如图13所示),当向滴定管内继续滴加液体时,凹液面的最低处继续下移至与视线ab的延长线相交为c点(如图14所示),才停止滴加。此时实际量取的液体的体积比需要取用的液体的体积偏多。同理,若仰视,实际量取的液体的体积比需要取用的液体的体积偏少。
  例2 某次实验需量取15.00 mL稀盐酸,最好选用____(仪器名称)量取。若读数时仰视刻度,则实际量取的盐酸的体积____(选填“大于”“小于”或者“等于”)15.00 mL。
  解析 实验中需要量取的液体的体积为15.00 mL,要精确至小数点后两位,因此应选用精确量器滴定管进行量取。又因所取液体为盐酸,所以须选用酸式滴定管。这属于“量取一定体积的液体”问题,且选用的酸式滴定管其“0”刻度在上方,由题意画出示意图(如图15所示),先由眼睛a点和15.00 mL刻度处b点确定视线ab,当凹液面的最低处下降到与ab的延长线相交时,实验者误认为到达15.00 mL刻度处,显然此时液面实际比15.00 mL低,因此从滴定管中取出的盐酸的体积小于15.00 mL。
  答案:酸式滴定管小于
  编者按:本文通过研究中学常见玻璃量器的仰视、俯视读数误差分析,得出误差分析作示意图的一般步骤:首先确定两个固定点,再由固定点画出视线,然后用视线确定第三个点,最后得出结论。巧妙地解决了仰视、俯视误差分析这一难题,为同学们解决这类题提供了一把“万能钥匙”。
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