物理化学实验教材电子版.docx

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1、物理化学实验教材电子版目录绪论.错误!未指定书签。第一节物理化学实验的目的与要求.错误!未指定书签。第二节误差分析.错误!未指定书签。第三节物理化学实验数据的表达方法.错误!未指定书签。热力学部分实验一硫酸铜溶解热的测定.错误!未指定书签。实验二液体饱和蒸汽压的测定静态法.错误!未指定书签。实验三完全互溶双液系气液平衡相图最低恒沸点的测定错误!未指定书签。电化学部分实验四电导法测定弱电解质的电离常数.错误!未指定书签。实验五原电池电动势的测定对消法.错误!未指定书签。动力学部分实验六蔗糖水解转化的动力学研究.错误!未指定书签。外表化学部分实验七溶液外表张力的测定最大气泡法.错误!未指定书签。实

2、验八液体粘度测定及恒温槽的性能测定.错误!未指定书签。绪论第一节物理化学实验的目的与要求物理化学实验的主要目的是使学生初步了解物理化学的实验研究方法，把握物理化学的基本实验技术。通过正确测量、记录实验数据，运用物理化学基本理论，正确处理实验数据，分析实验现象和实验结果，加深对物理化学基本理论的理解，加强解决实际化学问题的能力。物理化学实验课程，对培养学生独立从事科学研究工作能力具有重要的作用。为了到达学习该课程的目的与要求，保证课程质量，对学生物理化学实验课程学习的基本要求如下。一、实验前的预习学生在实验前应认真仔细阅读实验内容，了解实验的目的、原理、所用仪器的构造和使用方法，了解实验操作经过

3、。在预习的基础上写出实验预习报告。预习报告内容包括实验目的、实验仪器与试剂、实验数据记录表格、预习中碰到的问题和实验步骤中的注意事项往往对测量结果和仪器产生重要影响。预习报告写在实验记录本上，实验时交给指导老师检查。二、实验操作在实验经过中，严格地按实验操作规程认真进行实验。记录实验现象及数据必须真实、准确，不能随意更改，实验数据尽可能以表格形式整洁地记录在实验记录本上。在实验经过中要勤于考虑，细心观察实验现象，及时发现并设法解决实验中出现的各种问题。完成实验后，将测量数据交指导老师检查签字。三、实验报告写实验报告是本课程的基本训练，它将使学生在实验数据处理、作图、误差分析、问题归纳等方面得到

4、训练和提高，为今后写科学研究论文打下基础。实验报告的书写要求字迹清楚整洁，作图和数据处理规范。物理化学实验报告一般包括：实验目的、实验原理、实验操作步骤、数据处理及结果与讨论等。实验目的要求扼要地讲明实验方法及研究对象。实验原理应扼要地用文字、公式和图概述。实验步骤扼要地用文字分点概述，注明仪器装置名称。数据处理要写出计算公式，并注明公式中所需的已知常数值，同时举一个计算例子，注意各种数值的单位；实验数据尽可能以表格形式表达，每一表格标题要有名称，每项数据要在数据表头标出单位及量纲；作图按实验数据表达方法中的作图方法进行，图要有标题，并端正地粘贴在实验报告上。结果与讨论的内容可包括对实验现象的

5、分析和解释，以及对原理、操作、仪器设计和实验误差等问题的讨论与建议。第二节误差分析一、研究误差的目的物理化学实验以测量物理化学变化经过中物理量的变化为基本内容，通过对所测数据的合理处理，验证某些重要的规律，或得出一些实验结论，来了解研究体系的物理化学性质与化学反响之间的关系。在物理量的实际测量中，无论是直接测量的量，还是间接测量的量由直接测量的量通过公式计算得到的量，由于测量方法以及外界条件等因素的影响，使得测量值与真值或实验平均值之间存在一个称为“测量误差的差值。由于误差无法消除，研究误差的目的是要在一定条件下得到更接近于真实值的最佳测量结果，并确认结果的不确定程度。在实验前估算各测量值的误

6、差，为正确选择实验方法、选用精细度相当的仪器、降低成本、缩短实验时间以及获得预期的实验效果提供基本保证。因而，除了认真仔细地进行实验外，还要具备正确表达实验结果的能力。仅提供报告结果而不同时指出结果的不确定程度的实验是没有价值的。正确的误差概念对正确表达实验结果非常重要。二、误差的种类根据误差的性质和来源，可将测量误差分为系统误差、偶尔误差和过失误差。系统误差在一样条件下，对某一物理量进行屡次测量时，测量误差的绝对值和符号保持恒定总比真值大或小，这种测量误差称为系统误差。产生系统误差的原因有下面几点：实验方法的理论根据有缺陷，或实验条件控制不够严格，或测量方法本身遭到限制。如根据理想气体状态方

7、程测量某种蒸气分子的质量时，由于实际气体对理想气体的偏差，若不采用外推法，测量结果总比实际分子的质量高。仪器的灵敏度不够高，或仪器装置精度有限，试剂纯度不符合要求等。个人习惯性误差，如读数、计时的误差等。系统误差决定了测量结果的准确度。系统误差可通过校正仪器刻度、改良实验条件、提高药品纯度、修正计算公式等方法减少或消除。但有时系统误差的存在很难确定，通常需要用几种不同的实验方法或改变实验条件来确定。偶尔误差在一样实验条件下，屡次测量某一物理量时，每次的测量结果都不会完全一样，它们围绕着某一数值无规则地变动，误差的绝对值和符号无规则地变动，这种测量误差称为偶尔误差。产生偶尔误差的原因可能有：实验

8、者对仪器最小分度值的估读，每次很难一样；测量仪器的某些元部件性能变化；影响测量结果的某些实验条件的控制。偶尔误差在测量时不可能消除，也无法估计，但它一般服从正态分布的统计规律。若以横坐标表示偶尔误差，纵坐标表示偶尔误差出现的次数，可得到图-1。其中为标准误差标准误差的定义见四。由图中曲线可见：愈小，分布曲线愈尖锐，即实验测量数据中，偶尔误差小的数据出现的概率大；分布曲线对纵坐标呈轴对称，即误差分布具有对称性，讲明误差出现的绝对值相等，且正负误差出现的概率相等。当测量次数无限多时，偶尔误差的算术平均值趋于零：01lim1=-niin因而，要减小偶尔误差，对被测物理量要进行屡次重复测量，以提高测量

9、的精细度。过失误差实验者在实验中出现失误所造成的误差。如数据读取、记录及计算错误或实验条件失控导致的数据误差。只要实验者细心操作，这类误差完全能够避免。三、准确度和精细度精细度与准确度准确度指测量值与真实值符合的程度。测量值越接近真实值，准确度越好。精细度指屡次测量某一物理量时，其数值的重现性。重现性好，精细度高；但精细度高，准确度不一定好；相反，若准确度好，精细度一定高。如三位实验者在一样的实验条件下测出的三组数据、和有不同的精细度和准确度，见图1-。组数据精细度高，但准确度差；组数据离散，精细度和准确度都不好；组数据的精细度高，且接近真实值真，故准确度也高。真实值一般是不可知的，通常以几种

10、正确的测量方法和经校正过的仪器，进行屡次测量所得物理量的算术平均值或文献手册上的公认值作为真实值使用。四、误差的表示方法绝对误差和相对误差绝对误差测量值真值真绝对偏差d测量值平均值x平均值算术平均值x：x=niixn11为第次测量值，为测量次数。一般真用x代替，而误差和偏差也不加以区别，统一称之为“误差。相对误差xi绝对误差的单位与被测量的物理量单位一样，相对误差无因次，故不同物理量的相对误差能够相互比拟，在比拟各种被测物理量的精细度或评定测量结果的品质时，采用相对误差更合理。平均误差和标准误差平均误差=-=niiniinnxx111平均相对误差%100?x标准误差或均方根误差的定义为：=-=

11、-=niiniinxxn1212)1(1)()1(1用标准误差表示精细度比用平均误差或平均相对误差更为优越。用平均误差评定测量精度的优点是计算简单，缺点是可能把质量不高的测量给掩盖了。而用标准误差表示时，测量误差平方后，较大的误差能更显著地反映出来，更能讲明数据的分散程度。因而，要准确地计算测量误差时，大多采用标准误差。五、可疑观测值的取舍在对原始数据的处理中，对可疑测量数据进行取舍的一种简便判定方法如下叙述。根据概率论，大于的误差出现的概率只要0.3%，通常把的数值称为极限误差。当测量次数很多时，若有个别测量数据误差超过，则可舍弃。此判定方法不适用测量次数不多的实验。对测量次数不多的实验，先

12、略去可疑的测量值，计算测量数据的平均值和平均误差，再算出可疑值与平均值的偏差，若出现这种测量值的概率约0.1%，此可疑值可舍去。注意：舍弃测量值的数目不能超出测量数据总数的1/5。在一样条件下测量的数据中，有几个数据一样时，这种数据不能舍去。六、间接测量结果的误差误差传递物理化学实验进行的测量大多为间接测量，即需将实验测量的数据代入一定的函数关系式进行计算，才能获得需要的结果。显然，计算会将测量误差传递到最终的结果。实验测量数据的准确度会影响最终结果的准确度。平均误差和相对平均误差的传递设直接测量的物理量为和，其平均误差分别为和，最终结果为，其函数关系为：(，将微分，则dyyudxxuduxy

13、?+?=由于和的值都很小，能够用其代替上式中的，得yyuuxxuuuxy?+?=?=11uu的平均相对误差部分函数的平均误差计算公式列于表1-12间接测量结果的标准误差计算设函数关系同上节：，则标准误差与各次测量标准误差的关系为：七、有效数字与测量结果的正确记录表示测量结果的数值，其位数应与测量精细度一致。如称得某物的重量为1.32350.0004，1.323是完全确定的，末位的不确定。于是前面位数字和第位不确定的数字一道被称为有效数字。记录和计算时，要注意有效数字的位数，假如一个数据未记录其不确定度即精细度的范围，严格地讲，这个数据含义不清。一般以为最后一位数字的不确定范围为。间接测量的最终

14、结果需运算才能得知，运算经过涉及有效数字位数确实定问题，有效数字位数确实定有如下规则。有效数字的表示法误差一般只要一位有效数字，最多不得超过两位。2222yxxyuyuxu?+?=任何一个测量数据，其有效数字的位数与误差位数一致。例如：记为1.240.01是正确的，记为1.2410.01或1.20.01，意义就不明确了。一般采用指数表示法表示有效数字的位数，如：1.234103，1.23410-1，1.23410-4，1.234105都是位有效数字。0.0001234也表示有位有效数字，但是数字123400则无法讲明有效数字的位数，采用指数记数法不存在这一问题。有效数字运算规则用四舍五入规则舍

15、弃不必要的位数。当数字的首位大于或等于时，能够多算一位有效数字，如8.31可在运算中看成是位有效数字。加减运算时，各数小数点后所取的位数与其中最少位数者对齐，如：0.1212.2321.4580.1212.231.4613.81在乘除运算中，保留各数的有效位数不超过位数最少的有效数字。例如：1.5760.018281，其中81有效位数最低，但由于首位是，故可看作是位有效数字，所以其余各数都保留位有效数字，则上式变为：1.580.018281，最后结果保留位有效数字。对于复杂的运算，先进行加减，然后再乘除，在计算经过中，若考虑四舍五入造成的误差积累可能会影响最终结果，可多保留一位有效数字，但最终

16、结果仍保留适当的有效数字位数。计算式中的常数如、或2等一些从手册查出的常数，可按计算需要确定有效数字位数。对数运算中所取的对数位数对数首数除外与测量数据的有效数字位数一样。例如：3.4109化为对数应为9.35。在整理最后结果时，须对测量结果的有效数字位数进行处理。表示误差的有效数字最多位。当误差的第一位数为或时，只须保留一位。测量值的末位数应与误差的末位数对齐。例如：测量结果：1001.770.033，237.4640.127，3=124557878处理后为：1001.770.03，237.4640.13，3=(1.2460.009)105表示测量结果的误差时，应指明是平均误差、标准误差还是

17、作者估计的最大误差。八、误差分析应用举例a)已知直接测量值的误差，计算函数的误差：例一：最大气泡法测量溶液外表张力实验的计算公式为水水溶液溶液?=PP若测量值为水P?=0.5260.002，溶液P?=0.4470.002，求此次测量的相对误差和绝对误差。解：由于实验温度时25水=71.9710-3为从手册查出的常数，能够以为不引入误差，根据误差传递公式见表1-1：mNmNPPPPPP/105.00083.0102.610083.0/102.611071.97526.0447.00083.0526.0002.0447.0002.0)()(3-3-3-3-?=?=?=?=?=?=+=?+?=?溶液

18、溶液水水溶液溶液水水溶液溶液溶液溶液所以此次测量的相对误差为0.8%，绝对误差为mN/105.0-3?，测量结果应表示为61.20.510-3。b)已知函数误差要求，选择适宜的精细度的仪器或方法。例二：以为标准物质测量无水硫酸铜的无限稀释积分熔解热的计算公式为，4444CuSOCuSOCuSOKClKClKclKClCuSOmMTTHMmH?=?，要务实验误差小于3%，各直接测量值的误差有多大？实验中所用仪器能否适宜？解：上式中4和KClH?为常数可以为无误差,根据误差传递公式444444)()()(CuSOCuSOCuSOCuSOKClKClKClKClCuSOCuSOmmTTTTmmHH?+?+?+?=?实验中用百分之一天平天平绝对误差为0.01克称量KClm的质量为67克，4CuSOm的质量为34克，用读数误差为0.002的贝克曼温度计测量KClT?，4CuSOT?的读数在0.6500.800之间，现按最大误差计算，则%73.1%33.0%62.0%62.0%16.0)(%62.0650.0004.0)(%62.0650.0004.0)(%33.0301.0%16.0601.0444444=+=?=?=?=?=?CuSOCuSOCuSOCuSOKClKClCuSOCuSOKClKClHHTTTTmmmm从计算结果可知本次实验选用的仪器能够知足实验误差要求