Vật lý 10 Bài 40: Thực hành Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

Bài học tổng kết lại kiến thức trọng tâm của Hiện tượng căng mặt ngoài của chât lỏng cũng như một số kĩ năng tiến hành thí nghiệm.

Nội dung minh họa trình bày các trình tự, kinh nghiệm tiến hành thí nghiệm, cách sử dụng các dụng cụ phòng thí nghiệm như lực kế, thước kẹp,vòng nhôm...và tính được chính xác giá trị của lực căng mặt ngoài tác dụng lên chiếc vòng, từ đó xác định hệ số căng bề mặt của nước ở nhiệt độ phòng.

Tóm tắt lý thuyết

1. Dụng cụ thí nghiệm

  • Lực kế 0,1N có độ chia nhỏ nhất 0,001N.

  • Vòng nhôm có dây treo.

  • Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất: 0,02mm(Hình 40.1).

  • Giá treo có cơ cấu nâng hạ cốc đựng chất lỏng.

  • Hai cốc nhựa A, B đựng nước, nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon(Hình 40.2).

  • Giấy lau (mềm)

2. Cơ sở lý thuyết

  • Mặt thoáng của chất lỏng luôn có các lực căng, theo phương tiếp tuyến với mặt thoáng. Những lực căng này làm cho mặt thoáng của chất lỏng có khuynh hướng co lại đến diện tích nhỏ nhất. Chúng được gọi là những lực căng bề mặt (hay còn gọi là lực căng mặt ngoài) của chất lỏng.

  • Có nhiều phương pháp đo lực căng bề mặt. Trong bài này ta dùng một lực kế nhạy (loại 0,1N), treo một chiếc vòng bằng nhôm có tính dính ướt hoàn toàn đối với chất lỏng cần đo.

  • Nhúng đáy vòng chạm vào mặt chất lỏng, rồi kéo lên mặt thoáng. Khi đáy vòng vừa được nâng lên trên mặt thoáng, nó không bị bứt ngay ra khỏi chất lỏng: một màng chất lỏng xuất hiện, bám quanh chu vi ngoài và chu vi trong của vòng, có khuynh hướng kéo vòng vào chất lỏng .

  • Lực \(F_c\)  do màng chất lỏng tác dụng vào vòng đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên  chu vi ngoài và chu vi trong của vòng .

  • Do vòng bị chất lỏng dính ướt hoàn toàn, nên khi kéo vòng lên khỏi mặt thoáng và có một màng chất lỏng căng giữa đáy vòng và mặt thoáng, thì lực căng  \(F_c\)  có  cùng phương chiều với trọng lực P của vòng. Giá trị lực F đo được trên lực kế  bằng tổng của hai lực này: 

F = \(F_c\) + P

  • Đo P và F ta xác định được lực căng bề mặt \(F_c\) tác dụng lên vòng.

  • Gọi \(L_1\) là chu vi ngoài và \(L_2\)  là chu vi trong của chiếc vòng, ta tính được hệ số căng bề mặt  \(\sigma\) của chất lỏng ở nhiệt độ nghiên cứu theo công thức:

\(\sigma =\frac{F_c}{L_1+L_2}=\frac{F-P}{\pi (D+d)}\)

  • Trong đó : D và d là đường kính ngoài và đường kính trong của vòng.

Bài tập minh họa

Thí nghiệm 1: Đo lực căng \(F_c\)

a. Lau sạch chiếc vòng bằng giấy mềm. Móc dây treo vòng vào lực kế 0,1N, rồi treo lực kế vào thanh ngang của giá đỡ để đo trọng lượng P của chiếc vòng. Lặp lại phép đo P thêm 4 lần và ghi các giá trị đo được vào Bảng 40.1.

b. Đặt hai cốc A, B có ống cao su nối thông nhau lên mặt bàn. Đổ chất lỏng cần đo hệ số căng mặt ngoài (nước cất, hoặc nước sạch) vào hai cốc, sao cho lượng nước chiếm khoảng 50% dung tích mỗi cốc . Đặt cốc A ngay dưới vòng nhôm đang treo trên lực kế. Đặt cốc B lên mặt tấm đế của giá đỡ (mặt tấm đế cao hơn mặt bàn khoảng 30mm). Sau khi mực nước trong hai cốc ngang bằng nhau, nới vít hãm khớp đa năng để hạ lực kế xuống thấp dần sao cho mặt đáy của chiếc vòng nằm cách mặt nước khoảng 0,5cm. Điều chỉnh dây treo vòng sao cho mặt đáy của vòng song song với mặt nước.

c. Kéo nhẹ móc treo vật  của lực kế để cho đáy vòng nhôm chạm đều vào mặt nước, rồi buông tay ra. Dưới tác dụng của lực dính ướt và lực căng bề mặt, vòng nhôm bị  màng nước bám quanh đáy vòng giữ lại.

d. Hạ cốc B xuống mặt bàn để nước trong cốc A lại từ từ chảy sang cốc B. Quan sát vòng và lực kế, ta thấy mặt nước trong cốc A hạ xuống và chiếc vòng bị kéo xuống theo, làm cho số chỉ trên lực kế tăng dần. Cho đến khi bắt đầu xuất hiện một màng chất lỏng bám quanh chu vi đáy vòng ở vị trí cao hơn mặt thoáng, thì số chỉ trên lực kế không tăng nữa, mặc dù mặt chất lỏng tiếp tục hạ xuống và màng chất lỏng bám quanh  vòng tiếp tục bị kéo dài ra, trước khi nó bị dứt đứt. Giá trị lực F chỉ trên lực kế ở thời điểm  ngay trước khi màng lỏng bị đứt, đúng bằng tổng của trọng lượng P của vòng và độ lớn Fc  của lực căng bề mặt chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của vòng.  Ghi giá trị  của lực F vào Bảng 40.1.

e. Đặt lại cốc B lên mặt tấm đế và lặp lại thêm 4 lần các bước c) và d). Ghi các giá trị lực F đo được vào Bảng 40.1.

Thí nghiệm 2: Đo đường kính ngoài và đường kính trong của vòng

a. Dùng thước kẹp đo 5 lần đường kính ngoài D và đường kính trong d của vòng, ghi vào Bảng 40.2.

   Ghi chú: Trong trường hợp đáy vòng được vát mỏng sao cho D ≈ d thì tổng chu vi vòng có thể xác định theo công thức \(L_1+L_2=2\pi D\) . Như vậy, ta chỉ cần đo đường kính ngoài D của chiếc vòng.

b. Kết thúc thí nghiệm:  Nhấc vòng ra khỏi lực kế, lau khô và cất trong hộp nhựa sạch.

Lời kết

Vậy là chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu xong bài học Thực hành Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như:

  • Biết cách sử dụng thước để đo độ dài chu vi vòng tròn.

  • Biết cách dùng lực kế nhạy (thang đo 0,1 N), thao tác khéo léo  để đo được chính xác giá trị lực căng tác dụng vào vòng .

  • Tính hệ số căng bề mặt  và xác định sai sô của phép đo.

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt, chuẩn bị sẵn sàng kiến thức để đạt thành tích cao nhất trong học tập nhé!

-- Mod Vật Lý 10 HỌC247