中学化学教学中计量仪器读数误差分析

高 霞 吴晓红

一、计量仪器

计量仪器是指将被测的量转换成可直接观测的指示值或等效信息的计量器具。根据计量仪器的用途，高中化学常见的计量仪器可分为：质量计量仪器(包括托盘天平)；体积计量仪器(包括量筒、移液管、酸碱式滴定管、容量瓶等)；温度测量仪器(包括温度计)等。

二、读数误差分析

笔者在运用课堂观察技术进行中学化学课堂观察研究的过程中，发现学生在化学学习中不能正确使用计量仪器，且不能准确分析造成实验误差的原因。现将中学常见计量仪器读数误差进行分析。

1.托盘天平

托盘天平：粗略称量样品质量的仪器。其设计原理为：当左盘质量等于右盘质量与游码质量之和时天平平衡：M左=M右+M游。正确称量时，左盘放物体，右盘放砝码，即M物=M砝+M游。当物体和砝码放反时，有两种情况：一是未使用游码，二是使用了游码。其中，M左：左盘质量，M右：右盘质量，M物：称量物的实际质量，M砝：砝码质量，M游：游码质量，M*物：物码放反时称量物的质量读数。

(1)未使用游码的情况

根据M左=M右+M游，未使用游码时，M游=0。左物右码时：M物=M砝，当物码反放时：M砝=M*物。这个过程不涉及游码的质量，因此称量值是准确的。

(2)使用游码的情况

物体和砝码正确放置时：M物=M砝+M游①，物码反放时，正确的平衡关系应为M砝=M物+M游②。往往实际操作中仍按①式计算，规定错误操作时读数值为M*物，带入①得到M*物=M砝+M游③，②+③得：M*物=M物+2M游，读数值与实际值的差值(M*物-M物=2M游)为游码质量的2倍，读数偏大。

例1：某同学把食盐放在天平的右盘上称量，用了8.0 g砝码和0.5 g游码，则食盐的实际质量为( )

A.8.5 g B.8.0 g C.7.5 g D.9.0 g

分析：物体实际质量=物码放反时称量物的质量读数-2×游码质量=8.5-2×0.5=7.5(g)，故选C。

2.量筒

量筒是用来量取液体的一种玻璃仪器。向量筒里注入液体时，应左手拿量筒，使量筒略倾斜，右手持试剂瓶，试剂瓶口紧挨着量筒口，使试剂缓缓流入。量筒的零刻度在最下面，向上刻度越来越大。读数时要注意：应把量筒放在平整的桌面上。观察刻度时，视线与量筒内液体凹液面的最低处保持水平，读出所取液体的体积数。

具体误差涉及以下两种情况：

(1)量筒读数(看液面)

讨论这类问题时要注意：若量筒中已盛有一定体积的液体，观察者只需平视量筒中液体凹液面的最低点，准确读取液体体积。如果仰视观察凹液面的最低点，沿着视线便会使读数偏小；如果俯视观察凹液面的最低点，沿着视线便会使读数偏大。具体过程如图1所示。

结论：仰视读数偏小，俯视读数偏大。

(2)量筒量取(看刻度)

讨论这类问题时要注意：操作开始时量筒中没有液体，操作者根据要求不断向量筒中倾倒液体至给定体积，视线始终关注量筒上的给定刻度线。如果仰视观察量取液体至给定刻度线，实际液体凹液面的最低点在给定值上方，所倒液体比给定值多；如果俯视至给定刻度线，实际液体凹液面的最低点在给定值下方，所倒液体比给定值少。具体过程如图2所示。

结论：仰视量取的液体比给定值多，俯视量取的液体比给定值少。

图1 量筒读数

图2 量筒量取

例2：量筒里有20.0mL水，某同学仰视读数，结果如何？( )

A.大于20.0mL B.小于20.0mL C.等于20.0mL D.无法确定

分析：这道题属于看液面类型，仰视读数偏小，故选B。

例3：用量筒测量水的体积，某同学仰视读数为60.0mL，则量筒内水的实际体积( )

A.大于60.0mL B.小于60.0mL C.等于60.0mL D.无法确定

分析：这道题属于看刻度类型，仰视量取液体偏多，故选A。

3.滴定管

滴定管是滴定时可以准确测量滴定剂消耗体积的玻璃仪器。在实际操作中也可用来放出一定体积的液体。滴定管的零刻度在最上方，向下刻度越来越大。中学化学教学中滴定管用途有两种：一是进行酸碱中和滴定；二是准确量取液体体积。记录读数时，要保留小数点后两位。

具体误差如下：

(1)滴定管滴定(看液面)

讨论这类问题时要注意：滴定过程中观察者只需观察锥形瓶中颜色的变化，无需观察滴定管中读数的变化。待滴定操作结束后，观察者平视滴定管中液体凹液面的最低点，根据刻度准确读取所用液体体积。如果仰视凹液面的最低点，沿着视线便会使读数偏大，如果俯视凹液面的最低点，沿着视线便会使读数偏小。具体过程如图3所示。

结论：仰视读数偏大，俯视读数偏小。

(2)滴定管量取(看刻度)

讨论这类问题时要注意：开始操作时滴定管中装满液体，操作人员根据要求不断释放液体至给定体积，视线始终关注给定刻度线。如果仰视观察至给定刻度线，液体凹液面的最低点在给定值上方，所倒液体比给定值少；如果俯视至给定刻度线，液体凹液面的最低点在给定值下方，所倒液体比给定值多。具体过程如图4所示。

结论：仰视量取的液体比给定值少，俯视量取的液体比给定值多。

图3 滴定管读数

图4 滴定管量取

例4：某学生用碱式滴定管量取0.10 mol/L HCl溶液，开始俯视读数为11.00mL，取出部分溶液后，仰视读数为20.00mL，实际取出液体体积如何？( )

A.大于9.00mL B.小于9.00mL C.等于9.00mL D.无法确定

分析：该题属于只看刻度问题，滴定管取出HCl溶液体积V=V(末实际)-V(初实际)，开始俯视11.00mL刻度，实际液体比11.00mL多，V(初实际)偏大；倒出液体后仰视20.00mL刻度，实际液体比20.00mL少，V(末实际)偏小，计算滴定管取出HCl溶液体积V值偏小，滴定管取出HCl溶液体积小于9.00mL，故选B。

4.容量瓶

容量瓶是准确配制一定物质的量浓度溶液用的精确仪器。该容器只有一个刻度线，适用于配置一定物质的量浓度的溶液。在定容过程中，眼睛须紧盯刻度线，误差会影响所配溶液浓度的大小。若定容时仰视至刻度线处，溶液凹液面最低处在刻度线上方，实际体积偏大，导致浓度偏小；若定容时俯视至刻线处，溶液凹液面最低处在刻度线下方，实际体积偏小，导致浓度偏大。具体过程如图5所示。

结论：仰视浓度偏小，俯视浓度偏大。

图5 容量瓶的定容

三、教学建议

学生在化学学习中，正确使用各种计量仪器，可以培养学生严谨的思维，认真的态度，同时还可以提高学生对化学计量的理解，便于对后续知识的掌握和融会贯通；教师讲解化学计量仪器时，使用多媒体展示效果好，文中所展示的几种仪器的读数图片，若用动画制作、多媒体展示会使教学更直观，便于学生理解正确的读数方法；在讲解每一种仪器存在的误差时，让学生先入为主，先直接接受正确的方法，再举例说明错误的读数造成的误差，尽量不要在学生犯错之后纠正，否则学生容易形成固定思维，纠正时难度大、教学效果不好；教师讲解之后应有配套的操作练习和习题练习，这样可以使学生在亲自动手实践中，将书本知识深化记忆，减少犯错的概率。通过以上一系列教学过程，学生对化学计量仪器中有关仰视俯视的误差分析有了深刻的认识，同时还会提高实验操作能力，教学成效显著。

[1]吴晓红,高霞.“课堂观察”量表的应用分析—基于课堂教学的案例[J].教育教学论坛,2012(10):127-128.

[2]李志州.量器的读数误差分析[J].中学教学参考,2010(3):124.

[3]王大伟.巧解实验题目中的“俯视”和“仰视”[J].理化生教学与研究,2009(34):188-189.

[4]徐海军.酸碱中和滴定操作误差分析[J].内蒙古石油化工,2009(6):7,18.

[5]缑文华.托盘天平几种误差的分析[J].理化生教学,2007(7):54-55.

[6]游子良.中学化学常用仪器分类之我见[J].化学教育,1992(6):16-17.