Objętość mierzy się inaczej dla każdego stanu skupienia, a ten samouczek uczy wszystkich trzech technik w ramach jednej sesji. Ciecz można wlać do cylindra miarowego i odczytać jej objętość bezpośrednio – pod warunkiem, że odczytu dokonuje się u podstawy menisku, czyli krzywizny, jaką napięcie powierzchniowe cieczy tworzy przy szkle. Ciało stałe, zwłaszcza o nieregularnym kształcie, którego nie da się zmierzyć linijką, mierzy się metodą wypierania: zanurzone w naczyniu przelewowym napełnionym po brzegi, wypiera dokładnie objętość wody równą swojej własnej, która jest łapana i odczytywana w cylindrze. Gaz mierzy się, pozwalając mu wypierać wodę z odwróconej, wypełnionej wodą biurety – bąbelki gazu unoszą się, poziom wody spada, a podziałka rejestruje, ile przestrzeni zajął gaz. W tym samouczku odmierzysz 70 ml wody w cylindrze miarowym, określisz objętość pięciu kawałków ołowiu za pomocą naczynia przelewowego oraz zgromadzisz gaz nad wodą w biurecie, podczas gdy stoper i wykres objętości od czasu na tablecie zarejestrują przepływ.
Cele edukacyjne
Technika pomiarowa dla każdego stanu skupienia
- Zmierz objętość cieczy bezpośrednio w cylindrze miarowym, odczytując wartość u podstawy menisku.
- Zmierz objętość nieregularnej bryły metodą wypparcia wody, a objętość gazu poprzez zbieranie nad wodą w biurecie.
Zastosowanie zasad fizycznych
- Zastosuj zasadę wyporności: w pełni zanurzony obiekt wypiera dokładnie taką objętość płynu, jaką sam ma, bez względu na swój kształt.
- Zrozum, że gaz rozszerza się, aby wypełnić każdą dostępną przestrzeń, dlatego jego objętość należy odczytać na podstawie wypartej przez niego substancji.
Obsługa instrumentu
- Zmontuj aparaturę do zbierania gazu – statyw, łapę, odwróconą biuretę, łącznik i cylinder gazowy – w odpowiedniej kolejności, a gęste ciała stałe chwytaj pęsetą.
Czytanie i nagrywanie
- Wybierz cylinder miarowy odpowiedni do mierzonej objętości i skorzystaj z wykresu objętości w funkcji czasu na tablecie, aby odczytać wynik, który zmienia się w trakcie jego rejestrowania.
Protokół
CZĘŚĆ 1: Mierzenie objętości cieczy
- Do odpowiedniego cylindra miarowego wlej 70 ml wody z kranu.
- Sprawdź dolną menisku cieczy w cylindrze miarowym, aby potwierdzić objętość.
CZĘŚĆ 2: Mierzenie objętości bryły poprzez naczynie przelewowe
Do pomiaru objętości ciała stałego możemy użyć metody wypierania wody.
- Napełnij wazon wodą z kranu do pełna, tak aby woda zaczęła się wylewać (500 ml). Pozwól, aby nadmiar wody spłynął do zlewu.
- Umieść naczynie przelewowe z powrotem w pierwotnej pozycji, po lewej stronie ławki, tuż obok cylindra miarowego o pojemności 25 ml (który należy ustawić pod otworem przelewowym naczynia przelewowego).
- Umieść pięć kawałków ołowiu w naczyniu przelewowym za pomocą pęsety.
- Używając przelewu z naczynia przelewowego i menisku w cylindrze miarowym, określ objętość ciała stałego.
CZĘŚĆ 3: Pomiar objętości gazu
Do pomiaru objętości gazu można użyć biurety gazowej.
- Napełnij 1-litrowy zlewkę co najmniej 800 ml wody z kranu.
- Postaw zlewkę 1 L na prawo od statywu.
- Umieść uniwersalny zacisk nad środkiem zlewki o pojemności 1 l, aby podeprzeć biuretę gazową.
- Napełnij zlewkę 250 ml wody z kranu.
- Napełnij biuretę gazową wodą z zlewki 250 ml aż po brzegi, a następnie umieść w niej gumowy korek.
Tryb jednoręczny: Zamocuj zacisk uniwersalny do stojaka po prawej stronie zlewu i umieść w nim biuretę gazową, aby napełnić ją po brzeg, a następnie załóż gumowy korek.
- Zamocuj biuretę gazową do uniwersalnego statywu do góry nogami, tak aby otwór z korkiem znajdował się blisko dna litrowego zlewki.
- Zdejmij gumowy korek (końcówka biurety musi być zanurzona w zlewce).
- Jeśli woda wypływa z biurety, oznacza to, że w zlewce jest za mało wody lub biureta jest zbyt wysoko. Powtórz kroki 4 do 7.
- Umieść plastikowe złącze tak, aby jego otwór w kształcie litery J znajdował się pod otworem biurety gazowej.
- Podłącz zawór butli gazowej do niebieskiego złącza z tworzywa sztucznego.
- Uruchom stoper.
- Otwórz zawór cylindra (dotknij opuszkiem palca).
- Pozwól, aby biureta napełniła się gazem do połowy.
- Zamknij zawór gazu i odczytaj objętość z biurety gazowej.
- Zatrzymaj stoper.
- Wyniki są również wyświetlane w formie graficznej na karcie Wyniki, w sekcji Objętość w funkcji czasu.
Przewidywane wyniki
Jest to sesja praktyczna: jej wynikiem jest opanowanie posługiwania się cylindrem miarowym, naczyniem przelewowym i audiometrem gazowym (buretą gazową), a nie weryfikacja hipotezy. Każda część ma jednak określony oczekiwany odczyt. W części 1 cylinder powinien wskazywać 70 mL u podstawy menisku. W części 2 jeden kawałek ołowiu waży 34,04 g, więc pięć kawałków razem waży 170,2 g; gęstość ołowiu wynosi 11,34 g/mL, a 170,2 g ÷ 11,34 g/mL daje objętość 15 mL — co jest dokładnie tym, co naczynie przelewowe powinno dostarczyć do 25-mililitrowego cylindra miarowego. Metoda wypierania daje zatem taki sam wynik jak obliczenie gęstości, a zobaczenie, że te dwie drogi są zgodne, jest celem tego ćwiczenia. W części 3 gazem jest powietrze; bureta pozwala na napełnienie do około połowy przed zamknięciem zaworu, a objętość odczytana na jej podziałce powinna odpowiadać końcowej wartości wykresu objętości od czasu dla tabletki. Objętość zebrana nad wodą nieznacznie zawyża ilość suchego gazu, ponieważ uwięzione powietrze jest nasycone parą wodną — jest to zagadnienie pogłębione w laboratoriach gazowych (053 do 057).
Podsumowanie zadania według zakresu ocen
Klasy 9–10
Skupienie: poprawna technika we wszystkich trzech pomiarach. Uczniowie odczytują menisk na wysokości wzroku, przeprowadzają pomiar przelewu bez utraty wody oraz montują biuretę gazową pod nadzorem. Potrafią wyjaśnić własnymi słowami, dlaczego wypparcie mierzy objętość oraz dlaczego biureta musi być na początku całkowicie pełna wody.
Klasa 11
Skupienie: ilościowa weryfikacja krzyżowa. Studenci przewidują wypartą objętość na podstawie gęstości przed przystąpieniem do Części 2 — 170,2 g ołowiu o gęstości 11,34 g/mL musi wyprzeć 15 mL — a następnie weryfikują to za pomocą naczynia przelewowego i uwzględniają wszelkie niedobory (krople przylegające do naczynia, precyzję odczytu cylindra). W Części 3 odczytują zebraną objętość i odnoszą wykres objętości w funkcji czasu do natężenia przepływu, gdy zawór był otwarty.
Klasa 12 / Poziom akademicki
Skupienie: co zakłada każda metoda. Uczniowie odróżniają przemieszczenie od wyporu – pomiar działa, ponieważ ołów tonie całkowicie, a nie powiódłby się w przypadku ciała pływającego – oraz krytycznie podchodzą do gromadzenia gazu: uwięzione powietrze jest nasycone parą wodną i znajduje się pod ciśnieniem wyznaczonym przez poziomy wody, więc odczyt na biurecie nieznacznie zawyża ilość suchego gazu pod ciśnieniem atmosferycznym. Wiążą to z prawami gazowymi oraz z faktem, że objętości gazów można porównywać tylko w określonej temperaturze i ciśnieniu.
Podstawowe wyposażenie laboratorium
Instrumenty
- Zlewek (1000 ml, 250 ml)
- biureta gazowa
- Przyłącze gazowe
- Butla gazowa (powietrze)
- Cylindry miarowe (10 mL, 25 mL, 70 mL, 250 mL)
- Stojak laboratoryjny i uchwyty
- Naczynie przelewowe
- Pęseta
- Stoper
- Gumowy korek
Produkty
- Kawałki ołowiu
- Woda z kranu