SGK Vật Lí 10 - Bài 37. Các hiện tượng bề mặt của chất lỏng

Các hiện tượng bể mặt của
CHẤT LỔNG
Tại sao chiếc kim khâu hoặc lưỡi dao cạo râu có thể nổi trên mặt nước khi đặt nó nằm ngang, nhưng lại bị chìm vào trong nước khi đặt nó nằm nghiêng ?
Tại sao bề mặt nước ở chỗ tiếp xúc với thành bình hoặc thành ống không phẳng ngang, mà 'lại bị uốn cong thành mặt khum (Hình 37.1) ?
Tại sao mức nước bên trong các ống nhỏ lại dâng cao hơn mặt nước bên ngoài ống ?
Hình 37.1
Cho biết hình tròn có diện tích lớn nhất trong số các hình có cùng chu vi. Hãy lập luận để chứng minh bề mặt phần màng xà phòng còn đọng trên khung dây đồng đã tự co lại để giảm diện tích của nó tới mức nhỏ nhất.
I - HIỆN TƯỢNG CẢNG BÉ MẶT CỦA CHẤT LỎNG 1. Thí nghiệm
Nhúng một khung dây đồng trên đó có buộc một vòng dấy chỉ hình dạng bất kì vào nước xà phòng. Sau đó nhấc nhẹ khung dây đồng ra ngoài để tạo thành một màng xà phòng phủ kín mặt khung dây.
Chọc thủng phần màng xà phòng bên trong vòng dây chỉ. Khi đó, ta quan sát thấy bề mặt phần màng xà phòng còn đọng trên khung dây có tính chất giống như một màng đàn hồi đang bị kéo căng, nó luôn có xu hướng tự co lại để giảm diện tích tới mức nhỏ nhất có thể. Hiện tượng này chứng tỏ trên bề mặt phần màng xà phòng đã có các lực nằm tiếp tuyến với bề mặt màng và kéo nó căng đều theo mọi phương vuông góc với vòng dây chỉ, làm cho vòng dây chỉ có dạng một đường tròn (Hình 37.2). Những lực kéo căng bề mặt chất lỏng gọi là lực căng bê' mặt của chất lỏng. Hữ 2. Lụt căng bề mặt
a) Kết quả thí nghiệm với các chất lỏng khác nhau chứng tỏ :
Lực càng bể mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn có phương vuông góc với đoạn đưòng này và tiếp tuyên vói bê mặt chất lỏng, có chiều làm giám diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn f tỉ lệ thuận với độ dài l của đoạn đường đó :
f = ơl	(37.1)
ở đây hệ số tỉ lệ (7 gọi là hệ số căng bề mặt và đo bằng đofn vị niutơn trên mét (NlmỴ
Giá trị của ơ phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng : ơ giảm khi nhiệt độ tăng.
Trong thí nghiệm theo Hình 37.2, vì màng xà phòng có hai mặt (trên và dưới) nên tổng các lực căng bề mặt của màng này tác dụng lên vòng dây chỉ hình tròn bao quanh màng có độ lớn bằng :
Fc = Ơ.2L = ơ.2ĩiD (37.2)
với L = kD là chu vi đường tròn nằm trên một mặt của màng xà phòng giới hạn bởi vòng dây chỉ có đường kính D.B3
Chất lỏng ở 20°C
ơ (N/m)
Nước
73.10-3
Rượu, cồn
22.10-3
Thuỷ ngân
465.10-3
Nước
Xà phòng
25.10-3
Bảng 37.1
Hệ số căng bề mặt của một số chất lỏng.
Nước ở t°c
ơ(N/m)
0
75,5.10-3
10
74,0.10-3
20
73,0.10-3
30
71,0.10-3
100
I
59,0.10-3
b) Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng bằng thí nghiệm (có thể xem bài 40, sách giáo khoa Vật lí 10):
Dùng lực kế (độ chia nhỏ nhất 0,001 N) đo trọng lượng p của chiếc vòng nhôm V và đo lực kéo F vừa đủ để bứt chiếc vòng V khỏi mặt nước (Hình 37.3).
Dựa vào công thức ơ = —p— 2nD
hãy cho biết ý nghĩa của hệ số
căng bề mặt ơ.
re Từ kết quả thí nghiệm theo Hình 37.3, hãy tính :
Hình 37.3
Tổng các lực căng bề mặt của nước tác dụng lên chiếc vòng V:
FC = F-P
Tổng chu vi ngoài và chu vi trong của chiếc vòng V :
L = K(D + d)
Giá trị hệ số căng bề mặt của
nước:	p
ơ= 71 (D + ơ)
Dùng thước kẹp (độ chia nhỏ nhất 0,02 mm) đo đường kính ngoài D N& đường kính trong d của chiếc vòng. S3
Bản thuỷ tinh phủ lớp nilon
Hình 37.4
Hãy quan sát xem mặt bản nào bị dính ướt nước ? Mặt bản nào không bị dính ướt nước ?
ts Đổ nước vào một cốc thuỷ tinh có thành nhẵn. Quan sát xem bề mặt của nước ỏ sát thành cốc có dạng mặt phẳng hay mặt khum ?
ứng dụng
Do tác dụng của lực căng bề mặt nên nước mưa không thể lọt qua các lỗ nhỏ giữa các sợi vải căng trên ô dù hoặc trên mui bạt ô tô tải; nước trong ống nhỏ giọt chỉ có thể thoát ra khỏi miệng ống khi giọt nước có kích thước đủ lớn để trọng lượng của nó thắng được lực căng bề mặt của nước tại miệng ống
Hoà tan xà phòng vào nước sẽ làm giảm đáng kể lực căng bề mặt của nước, nên nước xà phòng dễ thấm vào các sậ vải khi giặt để làm sạch các sợi vải,...
II - HIỆN TƯỢNG DÍNH ƯỚT. HIỆN TƯỢNG KHỔNG DÍNH ƯỚT
Thí nghiệm
a) Lấy hai bản thuỷ tinh, trong đó một bản để trần, một bản phủ lớp nilon. Nhỏ lên mặt của mỗi bản này một giọt nước.
Nếu mặt bản nào bị dính ướt nước thì giọt nước sẽ lan rộng thành một hình có dạng bất kì (Hình 37.4a).
Nếu mặt bản nào không bị dính ướt nước thì giọt nước sẽ vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực (Hình 37.4b). K3
b) Làm thí nghiệm với các chất lỏng trong các bình chứa có bản chất khác nhau, ta quan sát thấy :
Nếu thành bình bị dính ướt thì phần bề mặt chất lỏng ở sát thành bình sẽ bị kéo dịch lên phía trên một chút và có dạng /7ỉặí khum lõm (Hình 37.5a).
Nếu thành bình không bị dính ướt thì bề mặt chất lỏng ở sát thành bình sẽ bị kéo dịch xuống phía dưới một chút và có dạng mặt khum lối (Hình 37.5b). Ẽa
ứng dụng
Trong công nghệ tuyển khoáng, hiện tượng mặt vật rắn bị dính ướt chất lỏng được ứng dụng để làm giàu quặng theo phương pháp “tuyển nổi”. Quặng mỏ được nghiền thành các hạt nhỏ rồi đổ vào trong một bể chứa hỗn hợp nước pha dầu nhờn và khuấy đều. Trong hỗn họp này có các bọt khí bọc trong màng dầu. Các hạt khoáng chất có ích (thiếc, đồng sunfua,...) bị dính ướt dầu nhưng không bị dính ướt nước nên chúng sẽ nổi lên trên mặt thoáng cùng với các bọt khí bọc dầu, còn các bẩn quặng (đất, cát,...) bị dính ướt nước sẽ chìm xuống đáy bể chứa (Hình 37.6). Người ta hớt lớp bọt khí dính các hạt khoáng chất có ích nổi trên bề mặt của bể chứa hỗn hợp dầu và thu được khoáng chất giàu hon hàng chục lần so với quặng thô.
Ill	- HIỆN TƯỢNG MAO DẦN
Thí nghiệm
Nhúng thẳng đứng ba ống thuỷ tinh có đường kính trong khác nhau và khá nhỏ (cỡ 0,5 4-1,5 mm) vào trong cùng một cốc nước. H3
Kết quả thí nghiệm với những ống thuỷ tinh có đường kính trong nhỏ được nhúng vào các chất lỏng khác nhau đã chứng tỏ :
Nếu thành ống bị dính ướt (Ví dụ : ống thuỷ tinh có đầu dưới nhúng trong nước), mức chất lỏng bên trong ống sẽ dâng cao hơn bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống và bề mặt chất lỏng trong ống có dạng mặt khum lõm (Hình 37.7a).
Nếu thành ống không bị dính ướt (Ví dụ : ống thuỷ tinh có đầu dưới nhúng trong thuỷ ngân), mức chất lỏng bên trong ống sẽ hạ thấp hơn mức chất lỏng bên ngoài ống và bề mặt chất lỏng bên trong ống có dạng mặt khum lồi (Hình 37.7b).
Bọt khí Khoáng chất có ích
Hình 37.6
H3 Hãy so sánh mức nước trong các ống thuỷ tinh với nhau và với bề mặt của nước ở bên ngoài các ống.
a)
II II
b)
Hình 37.7
Hơn nữa, nếu ống có đường kính trong càng nhỏ, thì độ dâng cao hoặc hạ thấp của mức chất lỏng bên trong ống so vói bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống càng lớn.
'Hiện tượng mức chất lỏng bên trong các ổng có đường kính trong nhỏ luôn dâng cao hơn, hoặc hạ thấp hon so với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ông gọi là hiện tượng mao dẫn.
Các ống trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn gọi ià các ôhg mao dẫn.
ứng dụng
Do hiện tượng mao dẫn, nước có thể dâng lên từ đất qua hệ thống các ống mao dẫn ưong bộ rễ và ttong thân cây để nuôi cây tươi tốt; dầu hoả có thể ngấm theo các sợi nhỏ trong bấc đèn lên đến ngọn bấc để cháy ; dầu nhờn có thể thấm qua các lớp phớt hay mút xốp để bôi trơn liên tục các vòng đỡ trục quay của các động cơ điện,...
Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bê mặt chất lỏng luôn có phuong vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn f tỉ lệ thuận với độ dài l của đoạn đường đó:
f = ơl
ở đây hệ số tì lệ ơgọi là hệ số cắng bề mặt và đo bằng đơn vị niutơn trên mét (N/m).
Giá trị cùa ơphụ thuộc bàn chất và nhiệt độ của chất lỏng: ơgiảm khi nhiệt độ tăng.
Bề mặt chất lỏng ờ sát thành bình chúa nó có dạng mặt khum lõm khi thành bình bị dính ướt và có dạng mặt khum lồi khi thành bình không bị dính ướt.
Hiện tuọng mức chất lòng bên trong các ống có đường kính nhỏ luôn dâng cao hơn, I hoặc hạ thấp hon so vói bề mặt chất lòng õ bên ngoài ống gọi là hiện tượng mao I dẫn. Các ống trong đó xảy ra hiện tương mao dẫn gọi là ổng mao dẫn.
CÂU Hỏi VÀ BÀI TẬP
Mô tả hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng. Nói rõ phương, chiều của lực căng bề mặt.
Trình bày thí nghiệm xác định hệ sô' căng bế mặt của chất lỏng theo phương pháp kéo vòng kim loại bứt ra khỏi bể mặt của chất lỏng đó.
Viết công thức xác định độ lớn của lực căng bể mặt của chất lỏng. Hệ số căng bề mặt phụ thuộc những yếu tố nào của chất lỏng ?
Mô tả hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt chất lỏng. Bế mặt của chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có hình dạng như thế nào khi thành bình bị dính ướt ?
Mô tả hiện tượng mao dẫn.
W
▼
Câu nào dưới đây là không đúng khi nói vể lực căng bề mặt của chất lỏng ?
A. Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt của chất lỏng.
B. Lực căng bể mặt luôn có phương vuông góc với bề mặt chất lỏng.
c. Lực căng bề mặt có chiếu làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng.
D. Lực căng bể mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng có độ lớn f tỉ lệ với độ dài l của đoạn đường đó.
Tại sao chiếc kim khâu có thể nổi trên mặt nước khi đặt nằm ngang ?
Vì chiếc kim không bị dính ướt nước.
Vì khối lượng riêng của chiếc kim nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.
c. Vì trọng lượng của chiếc kim đè lên mặt nước khi nằm ngang không thắng nổi lực đẩy Ác-si-mét.
D. Vì trọng lượng của chiếc kim đè lên mặt nước khi nằm ngang không thắng nổi lực căng bế mặt của nước tác dụng lên nó.
Câu nào dưới đây là không đúng khi nói vê hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt của chất lỏng ?
Vì thuỷ tinh bị nước dính ướt, nên giọt nước nhỏ trên mặt bản thuỷ tinh lan rộng thành một hình có dạng bất kì.
Vì thuỷ tinh bị nước dính ướt, nên bề mặt của nước ở sát thành bình thuỷ tinh có dạng mặt khum lõm.
c. Vì thuỷ tinh không bị thuỷ ngân dính ướt, nên giọt thuỷ ngân nhỏ trên mặt bản thuỷ tinh vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực.
D. Vì thuỷ tinh không bị thuỷ ngân dính ướt, nên bê mặt của thuỷ ngân ở sát thành bình thuỷ tinh có dạng mặt khum lõm.
Tại sao nước mưa không lọt qua được các lỗ nhỏ trên tấm vải bạt ?
Vì vải bạt bị dính ướt nước.
Vì vải bạt không bị dính ướt nước.
c. Vì lực căng bề mặt của nước ngăn cản không cho nước lọt qua các lỗ nhỏ của tấm bạt.
D. Vì hiện tượng mao dẫn ngăn cản không cho nước lọt qua các lỗ trên tấm bạt.
Tại sao giọt dầu lại có dạng khối cầu nằm lơ lửng trong dung dịch rượu có cùng khối lượng riêng với nó ?
Vì hợp lực tác dụng lên giọt dẩu bằng không, nên do hiện tượng căng bê mặt, làm cho diện tích bể mặt của giọt dầu co lại đến giá trị nhỏ nhất ứng với diện tích mặt cầu và nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.
Vì giọt dầu không chịu tác dụng của lực nào cả, nên do hiện tượng căng bế mặt, diện tích bề mặt giọt dầu co lại đến giá trị nhỏ nhất ứng với diện tích của mặt hình cầu và nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.
c. Vì giọt dầu không bị dung dịch rượu dính ướt, nên nó nằm lơ lửng trong dung dịch.
D. Vì lực căng bề mặt của dầu lớn hơn lực căng bề mặt của dung dịch rượu, nên nó nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.
Một vòng xuyến có đường kính ngoài là 44 mm và đường kính trong là 40 mm. Trọng lượng của vòng xuyến là 45 mN. Lực bứt vòng xuyến này ra khỏi bể mặt của glixêrin ở 20°C là 64,3 mN. Tính hệ số căng bề mặt của glixêrin ở nhiệt độ này.
Một màng xà phòng được căng trên mặt khung dây đồng mảnh hình chữ nhật treo thẳng đứng, đoạn dây đồng ab dài 50 mm và có thể trượt dễ
chiểu dài của khung (Hình 37.8). Tính trọng lượng p của đoạn dây ab để nó nằm cân bằng. Màng xà phòng có hệ số căng bề mặt ơ= 0,040 N/m. ■
Hình 37.8
dàng dọc theo