Objem se měří pro každé skupenství jinak a tento tutoriál vás naučí všechny tři techniky v jedné lekci. Kapalinu lze nalít do odměrného válce a odečíst přímo – za předpokladu, že se odečet provádí na spodním okraji menisku, což je křivka, kterou tvoří povrchové napětí kapaliny u stěny skla. Pevná látka, zejména nepravidelného tvaru, kterou nelze změřit pravítkem, se měří metodou vytlačení: ponořením do přepadové nádoby naplněné po okraj vytlačí přesně svůj vlastní objem vody, který se zachytí a odečte ve válci. Plyn se měří tak, že se nechá vytlačit voda z otočené birety naplněné vodou – plyn bublá nahoru, hladina vody klesá a stupnice zaznamenává, kolik místa plyn zabral. V tomto tutoriálu odměříte 70 ml vody v odměrném válci, určíte objem pěti olověných tělísek pomocí přepadové nádoby a zachytíte plyn nad vodou v buretě, zatímco stopky a graf závislosti objemu na čase na tabletu zaznamenávají průtok.
Vzdělávací cíle
Měřicí technika pro každý skupenství hmoty
- Změřte objem kapaliny přímo v odměrném válci, přičemž odečítání provedete u dolního okraje menisku.
- Změřte objem nepravidelného pevného tělesa metodou vytěsnění vody a objem plynu zachycením nad vodou v buretě.
Aplikace fyzikálních principů
- Aplikujte princip vytlačení: zcela ponořené těleso vytlačí přesně svůj vlastní objem tekutiny, bez ohledu na svůj tvar.
- Uvědomte si, že plyn se rozpíná, aby vyplnil jakýkoli prostor, který má k dispozici, což je důvod, proč musí být jeho objem odečten z toho, co vytlačí.
Manipulace s nástroji
- Sestavte aparatúru pro sběr plynu — stojan, svorku, otočenou buretu, spojku a plynový válec — ve správném pořadí a s hustými pevnými látkami manipulujte pomocí pinzety.
Čtení a nahrávání
- Zvolte odměrný válec odpovídající měřenému objemu a pomocí grafu závislosti objemu na čase v tabletě odečtěte výsledek, který se během shromažďování mění.
Protokol
ČÁST 1: Měření objemu kapaliny
- Do vhodné odměrné baňky nalijte 70 ml kohoutkové vody.
- Zkontrolujte spodní meniskus odměrného válce a potvrďte objem.
ČÁST 2: Měření objemu pevné látky pomocí přepadové nádoby
K měření objemu pevného tělesa můžeme použít vytěsnění vody.
- Vazou naplněnou kohoutkovou vodou až po okraj (500 ml). Přebytečnou vodu nechte stéct do dřezu.
- Vraťte vypouštěcí nádobu na její původní místo vlevo od digestoře, hned vedle 25ml odměrného válce (který bude umístěn pod vypouštěcím otvorem vypouštěcí nádoby).
- Pomocí pinzety vložte do přepadové nádoby pět kousků olova.
- Pomocí přepadu z přepadové nádoby a menisku v odměrném válci určete objem pevné látky.
ČÁST 3: Měření objemu plynu
K měření objemu plynu můžeme použít plynovou byretu.
- Naplňte 1 L kádinku minimálně 800 ml vody z kohoutku.
- Umístěte 1l kádinku doprava od stojanu
- Umístěte univerzální svorku nad střed 1l kádinky, abyste podepřeli plynovou byretu.
- Naplňte kádinku 250 ml kohoutkové vody.
- Naplňte plynovou jímku po okraj vodou z 250 ml kádinky, poté do ní zasuňte gumovou zátku.
Režim na jednu ruku: Připevněte univerzální svorku k stojanu napravo od dřezu a vložte do ní plynovou byretu, abyste ji naplnili po okraj, poté nasaďte gumovou zátku.
- Připevněte plynovou byretu k univerzálnímu držáku dnem vzhůru, aby otvor se zátkou byl blízko dna 1litrového kádinkového skla.
- Odstraňte gumovou zátku (hrot byrety musí být ponořen do kádinky).
- Pokud voda vytéká ze střičky, znamená to, že v kádince není dostatek vody nebo je střička příliš vysoko. Opakujte kroky 4 až 7.
- Umístěte plastový konektor tak, aby jeho J-tvarovaný otvor směřoval pod otvor plynové byrety.
- Připojte konektor plynové lahve k modré plastové spojce.
- Spusťte stopky.
- Otevřete ventil lahve (dotkněte se špičkou prstu).
- Nechte plynovou byretu naplnit plynem do poloviny.
- Zavřete plynový kohout a odečtěte objem na plynové byretě.
- Zastav stopky.
- Výsledky se také zobrazují v grafické podobě na kartě Výsledky v sekci Objem vs. Čas.
Předvídané výsledky
Jedná se o praktické cvičení: jeho výsledkem je, že studenti získají zručnost při práci s odměrným válcem, přepadovou nádobou a plynovou buretou, nikoliv ověření nějaké hypotézy. Každá část má nicméně určitou očekávanou naměřenou hodnotu. V 1. části by válec měl ukazovat 70 ml na spodním okraji menisku. Ve 2. části váží jeden kus olova 34,04 g, takže pět kusů dohromady váží 170,2 g; hustota olova je 11,34 g/ml a 170,2 g vyděleno 11,34 g/ml dává objem 15 ml — což je přesně to, co by měla přepadová nádoba vydat do 25ml odměrného válce. Metoda vytěsnění tak dává stejný výsledek jako výpočet hustoty a smyslem cvičení je vidět, že se tyto dvě cesty shodují. Ve 3. části je plynem vzduch; buretě se nechá naplnit zhruba do poloviny, než se uzavře ventil, a objem odečtený na její stupnici by měl odpovídat konečné hodnotě z grafu závislosti objemu na čase pro danou tabletku. Objem zachycený nad vodou mírně nadhodnocuje množství suchého plynu, protože zachycený vzduch je nasycen vodní parou — což je upřesnění, kterým se zabývají laboratoře zaměřené na plyny (053 až 057).
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Zaměření na správnou techniku při všech třech měřeních. Studenti odečítají meniskus v úrovni očí, provádějí měření přetečení bez ztráty vody a sestavují plynovou buretu s podporou. Dokážou vlastními slovy vysvětlit, proč vytěsnění měří objem a proč musí bureta začínat zcela plná vody.
11. ročník
Zaměření: kvantitativní křížová kontrola. Studenti před provedením 2. části předpovídají vytlačený objem na základě hustoty — 170,2 g olova o hustotě 11,34 g/ml musí vytlačit 15 ml — pak jej ověří pomocí přepadové nádoby a zohlední případný schodek (kapky ulpívající na nádobě, přesnost odečtu odměrného válce). Ve 3. části odečtou sebraný objem a vztáhnou graf závislosti objemu na čase k průtoku během otevřeného ventilu.
12. ročník / Úroveň college
Zaměření: co každá metoda předpokládá. Studenti rozlišují posun od vztlaku – měření funguje, protože olovo se zcela potopí, a selhalo by u plovoucího tělesa – a přistupují ke sběru plynu kriticky: zachycený vzduch je nasycen vodní parou a nachází se za tlaku daného hladinami vody, takže údaj na burevetě mírně nadhodnocuje suchý plyn za atmosférického tlaku. To dávají do souvislosti s plynovými zákony a s tím, proč objemy plynů jsou srovnatelné pouze za uvedené teploty a tlaku.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinky (1000 ml, 250 ml)
- plynová bureta
- Plynová přípojka
- Tlaková láhev (vzduch)
- Odměrné válce (10 ml, 25 ml, 70 ml, 250 ml)
- Stojan s držákem a svorkami
- Přepadová nádoba
- Pinzeta
- Stopky
- Gumová zátka
Produkty
- Olověné (Pb) kusy
- Vodovodní voda