SGK Vật Lí 10 - Bài 40. Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng
Hình 40.1 Bộ thí nghiệm xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng. Hình 40.2 THỤCHÀNH: XậCĐỊNHHỆSỐ CĂNG BÉ MẬT CÚACHÀT LÒNG ! - MỤC ĐÍCH Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng. Xác định hệ số căng bề mặt của nước. - DỤNG cụ THÍ NGHIỆM Lực kế 0,1 N có độ chia nhỏ nhất 0,001 N. Vòng kim loại (nhôm) có dây treo. 3. Hai cốc nhựa A, B đựng nước, nối thông nhau bằng một ống cao su (silicon). Thước kẹp (thước cặp) 0 4- 150 mm, có độ chia nhỏ nhất 0,1 mm, hoặc 0,05 ; 0,02 mm. Giá treo lực kế. - CO SÒ Lí THUYỂT 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 của chất lỏng. Có nhiều phương pháp xác định lực căng bề mặt. Trong bài này ta dùng một lực kế nhạy (loại 0,1 N), treo một chiếc vòng bằng nhôm có tính dính ướt hoàn toàn đối với chất lỏng cần đo (Hình 40.2). Nhúng đáy chiếc vòng nhôm chạm vào mặt chất lỏng, rồi kéo nó lên mặt thoáng. Khi đáy chiếc 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 chiếc vòng, có khuynh hướng kéo chiếc vòng vào chất lỏng. Lực Fc do màng chất lỏng tác dụng vào chiếc vòng đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của chiếc vòng. Do chiếc vòng nhôm bị chất lỏng dính ướt hoàn toàn, nên khi kéo chiếc vòng lên khỏi mặt thoáng, làm xuất hiện một màng chất lỏng căng giữa đáy chiếc vòng và mặt thoáng, lực căng Fc có cùng phương chiều với trọng lực p của chiếc vòng. Giá trị lực F đo được trên lực kế bằng tổng độ lớn của hai lực này : f = fc + p Đo p và F, ta xác định được độ lớn của lực căng bề mặt Fc tác dụng lên chiếc vòng. Gọi L1 là chu vi ngoài và L-, là chu vi trong của chiếc vòng, ta tính được hệ số căng bề mặt ơ của chất lỏng ở nhiệt độ nghiên cứu theo công thức : Fc _ F-P Lị + Lọ ĩĩ (D + 6?) ở đây D và d là đường kính ngoài và đường kính trong của chiếc vòng. - GIỚI THIỆU DỤNG cụ ĐO Chiếc vòng kim loại (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 chiếc vòng để có kết quả đo chính xác. 2. Thước kẹp dùng đo chu vi ngoài và chu vi trong của chiếc vòng là loại dụng cụ đo độ dài chính xác hơn thước milimét. Độ chia nhỏ nhất của thư^" kẹp, tuỳ loại, có thể đạt tới 0,1 ; 0,05 hoặc 0,02 mm. Thước kẹp dùng trong thí nghiệm này có thể đo độ dài từ 0 đến 150 mm. Nó gồm một thân thước chính dạng chữ T (Hình 40.3), trên thân thước khắc vạch từ 0 đến 150, mội vạch cách nhau 1 mm. Có một thước D nhỏ hon ôm lấy thân thước chính, có thể trượt dọc theo thân thước chính, gọi là du xích. Thước nhỏ trên du xích được chia đều thành N độ chia, sao cho độ dài của N độ chia của thước này đúng bằng độ dài của (kN - 1) độ chia trên thước chính (k = 1, 2). Độ chia nhỏ nhất A của thước kẹp tính theo công thức : A=^(mm) Ví dụ : N = 10 A = 0,1 mm N - 20 A - 0,05 mm N = 50 A = 0,02 mm Đầu đo thước chính T cô hai hàm kẹp 1, 2 cố định, Hai hàm kẹp di động T - 2’ gắn với đầu của du xích. Hai đầu 1 - T dùng đo kích thước ngoài, còn hai đầu 2 — 2’ dùng đo kích thước trong của các vật. Ví dụ : Cần đo độ dài đường kính D của một vòng kim loại, ta nới nhẹ vít 3 để có thể kéo du xích trượt trên thân thước T, rồi kẹp chiếc vòng giữa hai hàm kẹp 1 - T (Hình 40.3). Vặn nhẹ vít 3 để cố định vị trí của du xích. Cách đọc giá trị dộ dài đường kính D như sau : Ban đầu khi chưa có vòng, hàm kẹp di động 1’ nằm sát với hàm kẹp cố định 1, thì vạch số 0 trên thước chính T trùng với vạch số 0 của dư xích. Sau khi kẹp chiếc vòng, vạch 0 của du xích trượt sang phải, vượt qua vạch thứ n trên thước chính. Như vậy, ta xác định được phần nguyên của độ dài đường kính D bằng II milimét. Cách đọc phần lẻ của D như sau : Quan sát hai dãy vạch đối diện nhau trên du xích và trên thước chính, tìm xem có cặp vạch nào tiling nhau hoặc nằm đối diện sát nhau nhất, giả sử là vạch thứ m trên du xích, Phần lẻ của độ dài đường kính D được tính bằng m. A(mm), trong đó A là giá trị của độ chia nhỏ nhất của thước kẹp, được ghi ngay trên thước kẹp. Kết quả : D = n + mA (mm) Trên Hình 40.3, độ dài đường kính D đo được là : D = 13,7 ± 0,1 mm - TRÌNH Tự THÍ NGHIỆM » Do lực cărig Fc Lau sạch chiếc vòng bằng giấy mềm. Móc dây treo chiếc vòng vào lực kế 0,1 N, rồi treo lực kế vào thanh ngang của giá đỡ để đo trọng lượng p của chiếc vòng (Hình 40.1). Lặp lại phép đo p thêm 4 lần và ghi các giá trị đo được vào Bảng 40.1. Đặt hai cốc A, B có ống cao su nối thông nhau lên mặt bàn. Đổ chất lỏng cần xác định 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 (Hình 40.1). Đặt cốc B lên mạt tấm đế của giá đỡ (mặt tấm đế cao hơn mặt bàn khoảng 30 mm). Sau khi mức nước trong hai cốc ngang bằng nhau, nới vít hãm khóp đa năng để hạ lực kế xuống thấp dần sao cho mặt đáy của chiếc vòng nằm cách mặt nước khoảng 0,5 cm. Điều chỉnh dây treo chiếc vòng sao cho mặt đáy của chiếc vòng song song với mặt nước. Kéo nhẹ móc treo vật của lực kế để cho đáy chiếc vòng nhôm chạm đều vào mặt nước, rồi buông tay ra. Dưới tác dụng của lực căng bề mặt, vòng nhôm bị màng nước bám quanh đáy vòng giữ lại. Hạ cốc B xuống mặt bàn để nước trong cốc A lại từ từ chảy sang cốc B. Quan sát chiếc vòng và lực kế, ta thấy mặt nước trong cốc A hạ dần 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 chiếc 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 chiếc 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 chất lỏng bị đứt, đúng bằng tổng của trọng lượng p của chiếc vòng và độ lớn Q của lực căng bề mặt chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trong của chiếc vòng. Ghi giá trị của lực F vào Bảng 40.1. 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. Đo đuòng kính ngoài và đuòng kính trong của chiếc vòng Dùng thước kẹp đo 5 lần đường kính ngoài D và đường kính trong d của chiếc vòng. Ghi kết quả đo được vào Bảng 40.2. Chú ý : Trong trường hợp đáy chiếc vòng được vát mỏng sao cho D ~ d thì tổng chu vi của chiếc vòng có thể xác định theo công thức Lj + L2 ~ 2nD. Như vậy ta chỉ cần đo đường kính ngoài D của chiếc vòng. Kết thúc thí nghiệm : Nhấc chiếc vòng ra khỏi lực kế, lau khô và cất nó vào trong hộp nhựa sạch. Báo cáo thực hành Họ và tên : ; Lớp : ; Ngày : Tên bài thực hành : Trả lời câu hỏi Nêu ví dụ vể hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt của chất lỏng ? Lực căng bề mặt là gì ? Nêu phương pháp dùng lực kế xác định lực căng bề mặt và xác định hệ số căng bề mặt ? Viết công thức thực nghiệm xác định hệ số căng bể mặt theo phương pháp này ? Kết quà Bảng 40.1 Đô chia nhỏ nhất của lưc kế: (N) Lần đo p (N) F (N) PC = F-P (N) Sì“ê 1 2 1 3 . 4 5 Giá trị trung bình -1-- - - - - - - Bảng 40.2 Đô chia nhỏ nhất của thước kep : (mm) Lần đo D (mm) 3 > J3 O d (mm) 1 ì[> j3 Q- 1 2 3 4 • - 5 Giá trị trung bình Tính các giá trị trung bình, sai số tuyệt đối của mỗi lần đo, sai số tuyệt đối trung bình của lực Fc và của các đường kính D, d. Ghi các kết quả tính được vào Bảng 40.1 và Bảng 40.2. Tính giá trị trung bình của hệ số căng bể mặt của nước: - : Fc _ = ơ 71 (D + ữ) Tính sai số tỉ đối của phép đo : _ Aơ _ AFC Á7T + AD + Atì? _ ỡ - Fc + 7Ĩ D + d trong đó : AFC = AFc + 2AF' (AF' là sai số dụng cụ của lưc kế, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của lực kế). _ AD = AD + AD' ; Aí/ = Aí/ + AíF (AF>' và AíF là sai số dụng cụ của thước kẹp, lấy bằng một độ chia nhỏ nhất của thước kẹp). Tính sai số tuyệt đối của phép đo : Aơ- ỡ ỗơ= Viết kết quả xác định hệ số căng bể mặt của nước: ơ= ỡ ± Aơ= Chú ý: Giá trị của ơ phụ thuộc nhiệt độ và độ tinh khiết của nước. CÂU HỎI Có thể dùng lực kế nhạy để đo lực căng bề mặt và hệ số căng bế mặt của chất lỏng không dính ướt theo như phương pháp nêu trong bài được không ? Trong bài thí nghiệm này, tại sao khi mức nước trong bình A hạ thấp dần thì giá trị chỉ trên lực kế lại tăng dần ? So sánh giá trị của hệ số căng bề mặt xác định được trong thí nghiệm này với giá trị hệ số căng bề mặt ơ của nước cất ở 20°C ghi trong Bảng 37.1, sách giáo khoa ? Nếu có sai lệch thì nguyên nhân từ đâu ? Sai số của phép đo hệ số căng bề mặt ơ trong bài thực hành này chủ yếu gây ra do nguyên nhân nào ?