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

- Kiến thức: Cách đo được lực căng bề mặt của nước tác dụng lên một chiếc vòng kim lọai nhúng chạm vào trong nước, từ đó xác định hệ số căng bề mặt của nước ở nhiệt độ phòng.

- Kĩ năng :

• Biết cách sử dụng thước cặp để đo độ dài chu vi vòng tròn.
• Biết cách dùng lực kế nhạy (thang đo 0,1N), 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 số của phép đo.

- Chiếc vòng nhôm dùng trong thí nghiệm này là loại vật rắn có tính dính ướt hoàn toàn đối với chất lỏng cần nghiên cứu (nước). Trước khi đo cần lau sạch các chất bẩn bám vào mặt vòng, để có kết quả đo chính xác.

- Thước kẹp dùng đo chu vi ngoài và chu vi trong của chiếc vòng.

+ Thước kẹp: gồm thước chính và du xích.

• Đọc phần chính (trên thước chính);
• Đọc phần lẽ: vạch trùng x độ chia nhỏ nhất(trên du xích);
• Kết quả: phần chính + phần lẻ.

• 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 c \(F_c\) 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.

a) Phương án 1: Xác định hệ số căng bề mặt của nước xà phòng

* Trường hợp chiều dài cạnh AB l₁ = 5 cm.

Bảng 57.1

\(\begin{array}{l} \overline \sigma = \frac{{{\sigma _1} + {\sigma _2} + {\sigma _3}}}{3}\\ = \frac{{0,0314 + 0,0333 + 0,0284}}{3}\\ = 0,0310\,N.{m^2}\\ \Delta \sigma = \frac{{{\sigma _{max}} - {\sigma _{\min }}}}{2}\\ = \frac{{0,0333 - 0,0284}}{2}\\ = 0,00245\,N/{m^2} \end{array} \)

Vậy: σ = \(\overline \sigma \) ± Δσ = 0,0310 ± 0,00245 N/m².

* Trường hợp chiều dài cạnh AB l₂ = 10 cm.

Bảng 57.2

Ta có:

\(\begin{array}{l} \overline \sigma = \frac{{{\sigma _1} + {\sigma _2} + {\sigma _3}}}{3}\\ = \frac{{0,0289 + 0,0304 + 0,0279}}{3}\\ = 0,0290\,N.{m^2}\\ \Delta \sigma = \frac{{{\sigma _{max}} - {\sigma _{\min }}}}{2}\\ = \frac{{0,0304 - 0,0279}}{2}\\ = 0,00125\,N/{m^2} \end{array}\)

Vậy: σ = σ− ± Δσ = 0,0290 ± 0,00125 N/m².

b) Phương án 2: Xác định hệ số căng bề mặt của nước cất

Bảng 57.3: Kết quả đo đường kính trong và đường kính ngoài của vòng nhôm

Bảng 57.4: Kết quả đo lực căng bề mặt

1. Giá trị trung bình của hệ số căng bề mặt của nước:

\(\begin{array}{l} \overline \sigma = \frac{{\overline {{F_c}} }}{{\pi (\overline D + \overline d )}}\\ = \frac{{0,015}}{{3,1412 + ({{51,66.10}^{ - 3}} + {{50,33.10}^{ - 3}})}}\\ = 0,0468\,N/m \end{array} \)

2. Tính sai số tỉ đối của phép đo:

\(\delta \sigma = \frac{{\Delta \sigma }}{{\overline \sigma }} = \frac{{\Delta {F_c}}}{{{F_c}}} + \frac{{\Delta \pi }}{\pi } + \frac{{\Delta D + \Delta d}}{{\overline D + \overline d }} \)

Trong đó:

ΔF_c = \(\overline {\Delta {F_c}} \)+ 2ΔF’ (ΔF’ là sai số dụng cụ của lực kế, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của lực kế → ΔF’ = 0,001/2 = 0,0005)

ΔD = \(\overline {\Delta {D}} \)+ ΔD’; Δd = \(\overline {\Delta {d}} \)+ Δd’ (ΔD’ và Δd’ là sai số dụng cụ của thước kẹp, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của thước kẹp → ΔD’ = Δd’ = 0,05/2 = 0,025 mm)

→ ΔF_c = 0,0006 + 2. 0,0005 = 0,0016

\(\frac{{\Delta F}}{{\overline {{F_c}} }} = \frac{{0,0016}}{{0,015}} = 10,67\% \)

Và ΔD = 0,08 + 0,025 = 0,105 mm; Δd = 0,005 + 0,025 = 0,03 mm

\( \Rightarrow \frac{{\Delta D + \Delta d}}{{\overline D + \overline d }} = \frac{{0,105 + 0,03}}{{51,66 + 50,03}} = 0,133\% \)

Như vậy trong trường hợp này ta phải lấy π = 3,1412 để cho \(\frac{{\Delta \pi }}{\pi } < 0,0133\% \), khi đó ta có thể bỏ qua \(\frac{{\Delta \pi }}{\pi } \).

\(\begin{array}{l} \Rightarrow \delta \sigma = \frac{{\Delta F}}{{\overline {{F_c}} }} + \frac{{\Delta \pi }}{\pi } + \frac{{\Delta D + \Delta d}}{{\overline D + \overline d }}\\ = 10,67\% + 0,0133\% = 10,6833\% \end{array} \)

3. Tính sai số tuyệt đối của phép đo:

Δσ = \({\overline \sigma } \).δσ = 0,0468.10,6833% = 0,005.

4. Viết kết quả xác định hệ số căng bề mặt của nước:

σ = \({\overline \sigma } \) ± Δσ = 0,0468 ± 0,005 (N/m).

Nhận xét: Hệ số căng bề mặt trong thí nghiệm thường nhỏ hơn giá trị thực tế trong SGK (σ = 0,073 N/m) vì trong SGK làm thí nghiệm ở môi trường lí tưởng nước cất, còn trong phòng thí nghiệm độ tinh khiết của nước và của vòng nhôm không lí tưởng, có sai số trong quá trình đo. Ngoài ra σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.

Câu 1: Mô tả hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng. Nói rõ phương, chiều của lực căng bề mặt?

Câu 2: Trình bày thí nghiệm xác định chất lỏng theo phương pháp kéo vòng kim loại bứt ra khỏi bề mặt của chất lỏng đó.

Câu 3: Viết công thức xác định độ lớn của lực căng bề mặt của chất lỏng. Hệ số căng bề mặt phụ thuộc những yếu tố nào của chất lỏng?

Câu 4: Một khối gỗ hình trụ có khối lượng 20 g đặt nổi trên mặt nước, trục của khối gỗ nằm thẳng đứng. Đường kính tiết diện của khối gỗ d =10 mm; nước dings ướt hoàn toàn gỗ. Cho khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m³ và hệ số căng bề mặt của nước là 0,072 N/m; lấy g = 9,8 m/s². Độ ngập của khối gỗ trong nước là bao nhiêu?

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.