Giải bài 40 vật lí 10: Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

1 Đánh giá

Cách xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng như thế nào? Để hiểu rõ về cách xác định, KhoaHoc xin chia sẻ bài Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng thuộc chương trình Sgk Vật lí lớp 10. Hi vọng với kiến thức trọng tâm và hướng dẫn trả lời các câu hỏi chi tiết , đây sẽ là tài liệu giúp các bạn học tập tốt hơn .

Nội dung bài học gồm ba phần:

Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm
Viết báo cáo thực hành
Trả lời câu hỏi SGK trang 222

A. Chuẩn bị thực hành và tiến hành thí nghiệm

I. Mục đích

Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
Xác định hệ số căng bề mặt của nước.

II. Dụng cu thí nghiệm

Bao gồm các dụng cụ sau:

Lực kế 0,1N có độ chia nhỏ nhất 0,001N.
Vòng kim loại (nhôm) có dây treo.
Hai cốc nhựa A, B đựng nước, nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon (Hình 40.1 SGK).
Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất 0,1mm, hoặc 0,05; 0,02 mm, Giới hạn đo 150mm (Hình 40.3 SGK).
Giá treo có cơ cấu nâng hạ cốc đựng chất lỏng.

III. 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:

Giải bài 40 vật lí 10: Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

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 L₁là chu vi ngoài và L₂là 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:

$\sigma =\frac{f_{c}}{L_{1}+L_{2}}=\frac{F-P}{\pi (D+d)}$

ở đây D và d là đường kính ngoài và đường kính trong của vòng

IV. Giới thiệu dụng cụ đo

1. 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.

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

Giải bài 40 vật lí 10: Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

V. Trình tự thí nghiệm

1. Đo lực căng F_c

a, Lau sạch chiếc vòng bằng giấy mềm. Móc dây treo chiếc vòng vào lực kế 0,1N, rồi treo lực kế vào thanh ngang của giá đỡ để đo trọng lượng P của chiếc vòng. Đo P 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 xác định hệ số căng mặt ngoài 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. Khi mực nước của hai cốc ngang bằng nhau thì điều chỉnh lực kế xuống thấp dần cho mặt đáy chiếc vòng nằm cách mặt nước khoảng 0,5cm.

c, Kéo nhẹ móc treo vật của lực kế để cho đáy chiếc vòng nhôm chạm đều vào mực nước, rồi buông tay ra.

d, 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, giá trị lực F chỉ trên lực kế ở thời điểm ngay trước khi màng chất lỏng bị đứt, bàng tổng trọng lượng P và độ lớn F_c của lực căng bề mặt chất lỏng tác dụng lên chu vi ngoài và chu vi trrong của chiếc vòng. Ghi giá trị của lwucj 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 lwucj F đo được vào bảng 40.1.

2. Đo đường kính ngoài và đường kinh trong của chiếc vòng.

a, Dùng thước kẹp đo 5 lần dường kính ngoài D và đường knhs trong d của chiếc vòng. Ghi giá trị đo được vào bảng 40.2.

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

B. Báo cáo thực hành

1. Trả lời câu hỏi

a) Nêu ví dụ về hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt của chất lỏng ?

b) 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 sốcăng bề mặt theo phương pháp này ?

Hướng dẫn:

a) Ví dụ:

Hiện tượng dính ướt: Vì thủy tinh bị nước dính ướt, nên giọt nước nhỏ trên mặt bản thủy tinh lan rộng thành một hình có dạng bất kì.
Hiện tượng không dính ướt: thủy tinh không bị thủy ngân dính ướt, nên giọt thủy ngân nhỏ trên mặt bản thủy tinh vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực.

b) Lực căng bề mặt: là lực tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn có phương 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 = σl.

σ là hệ số căng bề mặt (suất căng bề mặt), đơn vị N/m.

Giá trị của σ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của chất lỏng: σ giảm khi nhiệt độ tăng.

Phương pháp xác định:

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.

Công thức thực nghiệm xác định hệ số căng bề mặt:

$\sigma =\frac{f_{c}}{L_{1}+L_{2}}=\frac{F-P}{\pi (D+d)}$

2. Kết quả

* Bảng 40.1:

Độ chia nhỏ nhất của lực kế: 0,001N

Lần đo	P (N)	F(N)	F_c = F – P (N)	ΔF_c(N)
1	0,047	0,061	0,014	0,001
2	0,046	0,061	0,015	0
3	0,046	0,062	0,016	0,001
4	0,047	0,062	0,015	0
5	0,046	0,060	0,014	0,001
Giá trị trung bình	0,0464	0,0612	0,015	0,0006

* Bảng 40.2

Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp: 0,05mm

Lần đo	D (mm)	ΔD(mm)	d (mm)	Δd(mm)
1	51,5	0,16	50,03	0,004
2	51,6	0,06	50,02	0,006
3	51,78	0,12	50,03	0,004
4	51,7	0,04	50,02	0,006
5	51,7	0,04	50,03	0,004
Giá trị trung bình	51,66	0,08	50,03	0,005

a) Các kết quả tính được được ghi như trong bảng 40.1 và 40.2

b) Giá trị trung bình của hệ số căng bề mặt của nước:

$\overline{\sigma }=\frac{\overline{F_{c}}}{\pi (\overline{D}+\overline{d})}$ = $\frac{0,015}{3,1412.(51,66.10^{-3}+50,33.10^{-3})}=0,0468$ (N/m)

c) Tính sai số tỉ đối của phép đo:

$\delta \sigma =\frac{\Delta \sigma }{\overline{\sigma }}+\frac{\Delta F_{c}}{\overline{F_{c}}}+\frac{\Delta \pi }{\pi }+\frac{\Delta D+\Delta d}{\overline{D}+\overline{d}}$

Trong đó:

$\Delta F_{c}=\overline{\Delta F_{c}}+2\Delta F'$

(ΔF’ là sai số dụng cụ của lực kế, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của lực kế → ΔF’ = $\frac{0,001}{2}$ = 0,0005)

$\Delta D=\overline{\Delta D}+2\Delta D'$ , $\Delta d=\overline{\Delta d}+2\Delta d'$

(ΔD’ và Δd’ là sai số dụng cụ của thước kẹp, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của thước kẹp → ΔD’ = Δd’ = $\frac{0,05}{2}$ = 0,025 mm)

$\Rightarrow \frac{\Delta F_{c}}{\overline{F_{c}}}=\frac{0,0016}{0,015}=10,67$ %

→ ΔF_c = 0,0006 + 2. 0,0005 = 0,0016

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

$\Rightarrow \frac{\Delta D+\Delta d}{\overline{D}+\overline{d}}=\frac{0,105+0,03}{51,66+50,03}=0,137$ %

Như vậy trong trường hợp này ta phải lấy π = 3,1412 để cho $\frac{\Delta \pi }{\pi }<0,137$ % khi đó ta có thể bỏ qua $\frac{\Delta \pi }{\pi }$

=> $\delta \sigma =\frac{\Delta \sigma }{\overline{\sigma }}+\frac{\Delta F_{c}}{\overline{F_{c}}}+\frac{\Delta \pi }{\pi }+\frac{\Delta D+\Delta d}{\overline{D}+\overline{d}}$

= 10,67% + 0,137% = 10,807%

d) Tính sai số tuyệt đối của phép đo:

$\Delta \sigma =\overline{\sigma }.\delta \sigma$ = 0,0468.10,807% = 0,005

e) Viết kết quả xác định hệ số căng bề mặt của nước:

$\sigma =\sigma \pm \delta \sigma =0,0468\pm 0,005$ (N/m).

C. Trả lời câu hỏi SGK trang 222

1. Có thể dùng lực kế nhạy để đo lực căng bề mặt và hệ số căng bề mặt của chất lỏng không dính ướt theo phương pháp nêu trong bài được không?

Hướng dẫn:

Ta có thể sử dụng lực kế nhạy để đo lực căng bề mặt và hệ số căng bề mặt của chất lỏng không dính ướt theo phương pháp nêu trong bài .

2. 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?

Hướng dẫn:

Khi nước trong bình A hạ thấp dần thì lực đẩy Acsimet Fa sẽ giảm dần, vì vậy nó sẽ dần nhỏ hơn P của vòng nhôm, P > F_a ⇒ vòng nhôm hạ thấp dần đến khi dây giữ vòng đạt đến giới hạn đàn hồi. Mặt khác, do vòng nhôm không dính ướt nên lực căng bề mặt của nước níu giữ bề mặt vòng nhôm khiến nó bị kéo xuống, đến khi giá trị lực căng bề mặt của nước đạt cực đại, lực tương tác giữa các phân tử nước không còn đủ sức hút nên chúng bị " đứt" "buông tha" cho vòng nhôm.

3. 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 ϭ của nước cất ở 20⁰C ghi trong Bảng 37.1, sách giáo khoa? Nếu có sai lệch thì nguyên nhân từ đâu?

Hướng dẫn:

Hệ số căng bề mặt trong thí nghiệm thường nhỏ hơn giá trị thực tế trong sgk vì trong sgk làm thí nghiệm ở môi trường lí tưởng nước cất, còn trong phòng thí nghiệm đo tinh khiết của nước và của vòng nhôm không lí tưởng, có sai số trong quá trình đo.

4. Sai số của phép đo hệ số căng bề mặt ϭ trong bài thực hành chủ yếu gây ra do nguyên nhân nào?

Hướng dẫn:

Sai số hệ thống: sai số dụng cụ đo.
Sai số ngẫu nhiên:

+ Sai số trong quá trình đo: không làm đúng thí nghiệm, kĩ năng thực hành kém, điều kiện thực hành gặp trở ngại: gió, sức cản không khí,…

+ Sai số trong quá trình tính toán: lấy tròn số khi tính, tính sai,…

188 lượt xem

Cập nhật: 07/09/2021

Xem thêm bài viết khác

Xem thêm Giải Vật Lý 10