Il volume viene misurato diversamente per ogni stato della materia e questo tutorial insegna tutte e tre le tecniche in un'unica sessione. Un liquido può essere versato in un cilindro graduato e letto direttamente, a condizione che la lettura venga effettuata alla base del menisco, la curva che la tensione superficiale del liquido forma contro il vetro. Un solido, specialmente uno irregolare che nessun righello può misurare, viene misurato per dislocazione: immerso in un recipiente di trabocco pieno fino all'orlo, esso sposta esattamente il proprio volume d'acqua, che viene raccolto e letto in un cilindro. Un gas viene misurato lasciandogli spostare l'acqua da una buretta rovesciata e piena d'acqua: il gas sale in bolle, il livello dell'acqua scende e le graduazioni registrano quanto spazio il gas ha occupato. In questo tutorial, misurerai 70 mL di acqua in un cilindro graduato, determinerai il volume di cinque pezzi di piombo con il recipiente di trabocco e raccoglierai un gas sull'acqua in una buretta mentre un cronometro e il grafico Volume-contro-Tempo del tablet registrano il flusso.
Obiettivi Educativi
Tecnica di misura per ciascuno stato della materia
- Misura il volume di un liquido direttamente in un cilindro graduato, leggendo alla base del menisco.
- Misurare il volume di un solido irregolare tramite lo spostamento dell'acqua e il volume di un gas mediante raccolta sull'acqua in una buretta.
Applicazione dei principi fisici
- Applica il principio di displacimento: un oggetto completamente immerso sposta esattamente il proprio volume di fluido, qualunque sia la sua forma.
- Riconosci che un gas si espande fino a riempire qualsiasi spazio gli venga dato, motivo per cui il suo volume deve essere letto da ciò che sposta.
Gestione degli strumenti
- Assembla l'apparecchio per la raccolta dei gas — supporto, pinza, buretta capovolta, raccordo e bombola di gas — nell'ordine corretto e maneggia i solidi densi con le pinzette.
Lettura e registrazione
- Scegli il cilindro graduato appropriato per il volume da misurare e usa il grafico volume-tempo del tablet per leggere un risultato che cambia mentre viene raccolto.
Protocollo
PARTE 1: Misurazione del volume di un liquido
- Nel cilindro graduato appropriato, versare 70 mL di acqua di rubinetto.
- Controlla la base del menisco del cilindro graduato per confermare il volume.
PARTE 2: Misurazione del volume di un solido utilizzando un recipiente a trabocco
Per misurare il volume di un solido, possiamo usare lo spostamento d'acqua.
- Con acqua del rubinetto, riempire un vaso fino a traboccare alla sua piena capacità prima della fuoriuscita (500 ml). Lasciare scolare l'acqua in eccesso nel lavandino.
- Riposizionare il vaso di troppo pieno nella sua posizione iniziale a sinistra del bancone, proprio accanto al cilindro graduato da 25 mL (che sarà posizionato sotto l'apertura di troppo pieno del vaso).
- Metti cinque pezzi di piombo nel vaso di trabocco usando delle pinzette.
- Utilizzando lo trabocco dal traboccatoio e il menisco nel cilindro graduato, determinare il volume del solido.
PARTE 3: Misurare il volume di un gas
Per misurare il volume di un gas, possiamo utilizzare una buretta per gas.
- Riempire un becher da 1 L con almeno 800 mL di acqua di rubinetto.
- Posizionare il becher da 1 L alla destra del supporto
- Posizionare un morsetto universale sopra il centro del becher da 1 L, in modo da sostenere la buretta per gas.
- Riempire il becher con 250 mL di acqua di rubinetto.
- Riempire la buretta graduata d'acqua fino all'orlo dal becher da 250 mL, quindi inserirvi un tappo di gomma.
Modalità a una mano: Fissa un morsetto universale al supporto a destra del lavandino e inserisci la buretta graduata per riempirla fino all'orlo, quindi inserisci un tappo di gomma.
- Fissare la buretta graduata al morsetto universale a testa in giù, in modo che l'apertura con il tappo sia vicina al fondo del becher da 1 L.
- Rimuovere il tappo di gomma (la punta della buretta deve essere immersa nel becher).
- Se l'acqua fuoriesce dalla buretta, significa che nel becher non c'è abbastanza acqua o che la buretta è troppo alta. Ripetere i passaggi da 4 a 7.
- Posizionare un connettore di plastica in modo che la sua apertura a forma di J si trovi sotto l'apertura della buretta graduata per gas.
- Collega l'attacco della bombola del gas al connettore di plastica blu.
- Avvia il cronometro.
- Aprire la valvola del cilindro (toccare con la punta del dito).
- Lascia che la buretta di gas si riempia a metà con il gas.
- Chiudere la valvola del gas e leggere il volume sulla buretta del gas.
- Ferma il cronometro.
- I risultati vengono visualizzati anche in forma grafica nella scheda Risultati, alla voce Volume vs. Tempo.
Risultati Previsti
Questa è una sessione pratica: il suo risultato è la padronanza del cilindro graduato, del vaso di trabocco e della buretta a gas, piuttosto che la verifica di un'ipotesi. Ciascuna parte ha comunque una lettura attesa ben precisa. Nella Parte 1 il cilindro dovrebbe indicare 70 mL alla base del menisco. Nella Parte 2, un pezzo di piombo pesa 34,04 g, quindi i cinque pezzi insieme pesano 170,2 g; la densità del piombo è 11,34 g/mL, e 170,2 g ÷ 11,34 g/mL dà un volume di 15 mL, che è esattamente ciò che il vaso di trabocco dovrebbe erogare nel cilindro graduato da 25 mL. Il metodo di spostamento fornisce così lo stesso risultato del calcolo della densità, e vedere questi due percorsi concordare è lo scopo dell'esercitazione. Nella Parte 3 il gas è aria; alla buretta viene permesso di riempirsi circa a metà prima che la valvola venga chiusa, e il volume letto sulle sue graduazioni dovrebbe corrispondere al valore finale del grafico Volume-contro-Tempo della compressa. Il volume raccolto sull'acqua sovrastima leggermente il gas secco, poiché l'aria intrappolata è satura di vapore acqueo, un perfezionamento che viene ripreso nei laboratori sui gas (da 053 a 057).
Riepilogo del compito per intervallo di voti
Classe 9-10
Focus: tecnica corretta in tutte e tre le misurazioni. Gli studenti leggono il menisco all'altezza degli occhi, eseguono la misurazione per trabocco senza perdere acqua e assemblano la bufera a gas con guida. Sanno spiegare con parole proprie perché lo spostamento misura il volume e perché la bufera deve iniziare completamente piena d'acqua.
Undicesimo anno
Focus: il controllo incrociato quantitativo. Gli studenti prevedono il volume spostato dalla densità prima di eseguire la Parte 2 — 170,2 g di piombo a 11,34 g/mL devono spostare 15 mL — poi lo verificano per trabocco, e giustificano qualsiasi scarto (gocce che aderiscono al recipiente, la precisione di lettura del cilindro). Nella Parte 3 leggono il volume raccolto e mettono in relazione il grafico Volume-contro-Tempo con la portata mentre la valvola era aperta.
12ª classe / Livello universitario
Focus: ciò che ciascun metodo presuppone. Gli studenti distinguono lo spostamento dalla spinta di Archimede — la misurazione funziona perché il piombo affonda completamente e fallirebbe con un solido galleggiante — e trattano la raccolta del gas in modo critico: l'aria intrappolata è satura di vapore acqueo e si trova a una pressione determinata dai livelli dell'acqua, quindi la lettura della buretta sovrasta leggermente il gas secco alla pressione atmosferica. Essi collegano questo aspetto alle leggi dei gas e al motivo per cui i volumi dei gas sono confrontabili solo a temperatura e pressione specificate.
Materiale essenziale di laboratorio
Strumenti
- Bevute (1000 mL, 250 mL)
- Buretta per gas
- Raccordo del gas
- Bombola del gas (aria)
- Cilindri graduati (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Supporto da laboratorio e morsetti
- Vaso di espansione
- Pinzette
- Cronometro
- Tappo di gomma
Prodotti
- Pezzi di piombo
- Acqua del rubinetto