Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng

Họ và tên:................................... Lớp:............. Ngày:................

Tên bài thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng.

I. Mục đích thực hành

- Khảo sát hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng và đo hệ số căng bề mặt của nước xà phòng và bề mặt của nước cất.

- Rèn luyện kĩ năng sử dụng các dụng cụ đo: cân đòn, lực kế và thước kẹp.

- Trả lời câu hỏi

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

Trả lời:

- 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.

II. 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.

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.

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

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

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.

III. Phương án thí nghiệm

a) Phương án 1:

* Dụng cụ thí nghiệm:

+ Cân đòn và các gia trọng có khối lượng 0,1 g và 0,01 g. Kẹp nhỏ để treo gia trọng.

+ Hai khung dây thép inox được uốn thành dạng ở hình 57.1 SGK, có chiều dài cạnh AB lần lượt là l₁ = 5cm và l₂ = 10 cm.

+ Khung dây thép làm quang treo, cốc nước xà phòng, khúc gỗ để đặt cốc nước xà phòng.

* Tiến trình thí nghiệm.

b) Phương án 2:

* Dụng cụ thí nghiệm.

    + Lực kế có GHĐ 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.

    + Thước kẹp có độ chia nhỏ nhất 0,05mm, giới hạn đo 150mm.

    + Giá treo có cơ cấu nâng hạ cốc đựng chất lỏng.

* Tiến trình thí nghiệm.

IV. Kết quả thí nghiệm

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

Lần thí nghiệm	Khối lượng m của các gia trọng được móc thêm (kg)	Hệ số căng bề mặt σ của nước xà phòng (N/m)
1	0,32.10-3	0,0314
2	0,34.10-3	0,0333
3	0,29.10-3	0,0284

Ta có:

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

Bảng 57.2

Lần thí nghiệm	Khối lượng m của các gia trọng được móc thêm (kg)	Hệ số căng bề mặt σ của nước xà phòng (N/m)
1	0,59.10-3	0,0289
2	0,62.10-3	0,0304
3	0,57.10-3	0,0279

Ta có:

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

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

Bảng 57.4: Kết quả đo lực căng bề mặt

Độ chia nhỏ nhất của lực kế: 0,001N
Lần đo	P (N)	F(N)	Fc = F – P (N)	ΔFc (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

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

 

2. Tính sai số tỉ đối của phép đo

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.