Bài 40. Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

Đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng
I. Mục đích
1. Khảo sát hiện tương căng bề mặt của chất lỏng
2. Đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng.

II. Dông cô thÝ nghiÖm
1. Lực kế 0,1N có độ chia nhỏ nhất 0,001N.
2. Vòng kim loại (nhôm) có dây treo.
3. Hai cốc nhựa A, B đựng nước nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon.
4. Thước kẹp 0 - 150 mm, độ chia nhỏ nhất 0,02 mm.
5. Giá treo lực kế .


III. C¬ së lý thuyÕt
Phương pháp đo lực căng bề mặt và hệ số căng bề mặt:
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 hương 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 trong của vòng, có khuynh hướng kéo vòng vào chất lỏng.
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.
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 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.


Giá trị lực căng bề mặt tác dụng lên một đơn vị dài của chu vi gọi là hệ số căng bề mặt � của chất lỏng. Gọi L1 là chu vi ngoài và L2 là chu vi trong của chiếc vòng, ta tính được hệ số căng bề mặt của chất lỏng ở nhiệt độ nghiên cứu:


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

IV. Giới thiệu dụng cụ đo
1. Chiếc vòng kim loại (nhôm) dùng trong thí nghiệm bài 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 là loại dụng cụ đo chiều dài chính xác hơn thước milimét. Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp, tuỳ loại, có thể đại tới 0,1; 0,05 hoặc 0,02 mm.


Trình tự thí nghiệm
A. Đo lực căng Fc
1. Lau sạch chiếc vòng bằng giấy mềm. Móc dây treo vòng vào lực kế 0,1N, rồi treo lực kế vào thanh ngangcủa 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.

2. 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. 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, nâng cốc B cho nước chảy sang cốc A, đến khi mặt nước tiếp xúc với mặt đáy của vòng nhôm thì dừng lại.

3. 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 đáy vòng như bị "dính" vào mặt nước nên khi mặt nước trong cốc A hạ xuống thì 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.
5. Đặt lại cốc B lên mặt tấm đế và lặp lại thêm 4 lần các bước 3 và 4. ghi các giá trị lực F đo được vào bảng 40.1.


B. Đo đường kính ngoài và đường kính trong của vòng.
1. Dùng thước kẹp đo 5 lần đường kính ngoài D và đường kính trong d của vòng, ghi vào bảng 40.2.
Ghi chú : Tromg 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 2?.D. Như vậy ta chỉ cần đo đường kính ngoài D của chiếc vòng.
2. Kết thúc thí nghiệm : Nhấc vòng ra khỏi lực kế, lau khô và cất trong hộp nhựa sạch.

Báo cáo thực hành

Họ và tên.....................Lớp............Ngày.............
Tên bài thực hành...............................................
I Trả lời câu hỏi
* Nêu ví dụ về hiện tượng dính ướt và không dính ướt của chất lỏng?
* 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?


Kết quả thực hành
Bảng 40.2
Tính giá trị trung bình, sai số tuyệt đối và sai số tuyệt đối trung bình của các lực P, F, đường kính D, d và ghi vào bảng 40.1 và bảng 40.2.
Tính giá trị trung bình của hệ số căng mặt ngoài của nước :
Tính sai số tỷ đối của phép đo:


trong đó :

( ?F` là sai số dụng cụ của lực kế, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của lực kế)


(?D` và ?d` 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:

Chú ý: Giá trị của phụ thuộc nhiệt độ và độ tinh khiết của nước. Với nước cất ở 200C người ta đo được = 73,0.10-3 N/m.