Bài giảng Môn Vật lý lớp 10 - Bài 3 : Đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng

BÀI 3 : ĐO HỆ SỐ CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG
I -  MỤC ĐÍCH
 - Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
 - Xác định hệ số căng bề mặt của nước.
…………………………………………………….
II -  DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
 1. Lực kế 0,1N có độ chia nhỏ nhất 0,001N.
 2. Vòng nhôm có dây treo.
 3. Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất: 0,02mm(Hình 40.1).
 4. Giá treo có cơ cấu nâng hạ cốc đựng chất lỏng.
 5. Hai cốc nhựa A, B đựng nước, nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon(Hình 40.2).
  6. Giấy lau (mềm). 
III - CƠ SỞ LÍ 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 (Hình 40.3). Lực Fc 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 (Hình 40.4).
  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  Fc 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 = Fc + P
  Đo P và F ta xác định được lực căng bề mặt Fc tác dụng lên vòng.
  Gọi L1 là chu vi ngoài và L2 là chu vi trong của chiếc vòng, ta tính được hệ số căng bề mặt  σ của chất lỏng ở nhiệt độ nghiên cứu theo công thức:
  ở đây D và d là đường kính ngoài và đường kính trong của vòng.
IV - GIỚI THIỆU DỤNG CỤ ĐO (sgk)
V - TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
  1. Đo lực căng Fc
  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 (Hình 40.2). 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.
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 L1+ L2 ≈ 2πD. 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.  
BÀI BÁO CÁO
ĐO HỆ SỐ CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG
Họ và tên :……………………………………; Lớp:………., ngày thực hành:………………
1. Trả lời câu hỏi : 
a. Nêu ví dụ về hiện tượng dính ướt và không dính ướt của chất lỏng ?
b. Lực căng bề mặt là gì ? Nêu phương pháp dùng lực kế đo lực căng bề mặt và xác định hệ số căng bề mặt. Viết công thức thực nghiệm xác định hệ số căng bề mặt theo phương pháp này.
2. Kết quả thực hành : Hoàn thành hai bảng sau đây 
BẢNG 40.1
Độ chia nhỏ nhất của lực kế :…………(N)
Lần đo
P (N)
F (N)
FC = F – P (N)
D FC (N)
1
2
3
4
5
Giá trị trung bình
BẢNG 40.2
Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp :………(mm)
Lần đo
D (mm)
DD (mm)
d (mm)
D d (mm)
1
2
3
4
5
Giá trị trung bình
Tính giá trị trung bình của hệ số căng mặt ngoài :
Tính sai số tỉ đối của phép đo:
 Trong đó: 	
 ( là sai số dụng cụ của lực kế, lấy bằng một nữa độ chia nhỏ nhất của lực kế)	
 ……………;
( và 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 :
Viết kết quả của phép đo :
3. Câu hỏi:
1. Trong bài thí nghiệm này, tại sao khi mức nước trong bình A hạ thấp dần thì giá trị trên lực kế lại tăng dần?
2. So sánh giá trị đo được trong thí nghiệm này với giá trị hệ số căng bề mặt của nước cất ở 200C ghi trong Bảng 37.1, SGK? Nếu có sai lệch thì nguyên nhân từ đâu?
Các điểm cần chú ý
- Để giảm bớt thời gian thực hiện, nên tiến hành đo thô lực căng bề mặt của chất lỏng, bằng cách hạ đáy vòng nhôm nhúng xuống nước, sau đó nâng giá của lực kế lên cao từ từ và theo dõi giá trị lực kế lúc màng chất lỏng bị đứt. Với giá trị lực đó, ta điều chỉnh thô vị trí của giá để có giá trị lực thấp hơn một chút. Sau đó mới điều chỉnh tinh mực nước hạ xuống bằng nguyên lí bình thông nhau (hạ rất chậm cốc đựng nước B) để đọc được giá trị lớn nhất của lực căng.
- Vì giá trị lực căng nhỏ, nên tránh tác động của các rung động xung quanh, như va chạm vào giá, gió thổi…
- Giá trị của hệ số căng bề mặt của nước phụ thuộc nhiệt độ và độ tinh khiết của nước. Khi nhiệt độ tăng thì s giảm.
- Nếu đáy của chiếc vòng được vát mỏng sao cho D » d, thì tổng chu vi ngoài+ chu vi trong xấp xỉ 2pD. Như vậy chỉ cần đo đường kính ngoài D.
- Khi đo đường kính trong, cần chú ý lúc đầu không kéo căng thước để ta có thể xoay nhẹ vòng nhôm. Sau đó vừa nới căng thước, vừa xoay vòng nhôm cho đến khi không xoay được, thì giá trị đo mới là đường kính trong của vòng nhôm. Nếu thực hiện không đúng kĩ thuật thì giá trị đo được có thể chỉ là của dây cung.