Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 7)

Báo cáo thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt 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

– 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.

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).

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

Hình 40.1

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 2)

Hình 40.2

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.

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

Khi có màng xà phòng nằm giữa thanh AB có chiều dài l và mặt thoáng khối nước xà phòng, do tác dụng của lực căng bề mặt lên thanh, đòn cân đang nằm thăng bằng sẽ bị lệch về phía khung dây thép. Để thanh cân bằng ta móc các gia trọng có khối lượng m lên quang treo. Khi đó hệ số căng bề mặt của nước xà phòng được xác định theo công thức:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 3)

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 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.

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 4)

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 5)

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:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 6)

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

IV. 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.

+ Đặt cốc nước xà phòng lên khúc gỗ và sau đó treo khung có chiều dài cạnh AB l1 = 5cm vào đầu bên trái đòn cân sao cho một phần ngập trong nước và thanh AB cách mặt thoáng khối nước từ 1 đến 2 cm.

+ Móc các gia trọng lên quang treo và vặn các ốc vi chỉnh thăng bằng ở hai đầu đòn cân để đòn cân nằm thăng bằng.

+ Nâng cốc lên sao cho thanh AB ngập trong xà phòng, rồi hạ cốc về vị trí ban đầu để tạo một màng xà phòng nằm giữa thanh AB và mặt thoáng khối nước.

+ Móc thêm các gia trọng lên quang treo để đưa đòn cân trở về nằm thăng bằng. Ghi các giá trị khối lượng m1 của các gia trọng đã móc thêm vào bảng số liệu.’

+ Lặp lại thêm các bước thí nghiệm trên hai lần

+ Lấy g = 9,8m/s2, tính σ, σ− và Δσ.

+ Lặp lại các bước thí nghiệm với khung có chiều dài thanh AB là l2 = 10 cm.

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.

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 7)

* Tiến trình thí nghiệm.

+ Dùng thước kẹp đo 3 lần đường kính ngoài và trong, rồi tính chu vi ngoài L1, chu vi trong L2 của đáy vòng và ghi vào bảng số liệu các giá trị tính được. Tính L1—, ΔL1 và L2—, ΔL2.

+ Treo lực kế vào thanh ngang của giá đỡ và móc nó vào đầu dây treo vòng để xác định trọng lượng P của vòng.

+ Hạ lực kế xuống thấp dần sao cho đáy vòng nằm trên mặt thoáng khối nước ở cốc A. Hạ từ từ cốc nước B xuống phía dưới cho tới khi vòng bị bứt ra khỏi mặt thoáng khối nước ở cốc A. Đọc trên lực kế và ghi các giá trị F1.

+ Nâng cốc nước B sao cho đáy vòng lại nằm trên mặt thoáng khối nước ở cốc A.

+ Lặp lại thêm bước thí nghiệm hai lần.

+ Tính và ghi vào bảng số liệu các giá trị lực căng bề mặt.

+ Tính σ− và Δσ.

V. 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:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 8)

Vậy: σ = σ− ± Δσ = 0,0310 ± 0,00245 N/m2.

* 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:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 9)

Vậy: σ = σ− ± Δσ = 0,0290 ± 0,00125 N/m2.

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:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 10)

2. Tính sai số tỉ đối của phép đo:

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 11)

Trong đó:

ΔFc = ΔFc——+ 2ΔF’ (ΔF’ là sai số dụng cụ của lực kế, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của lực kế → ΔF’ = 0,001/2 = 0,0005)

ΔD = ΔD——+ ΔD’; Δd = Δd——+ Δd’ (ΔD’ và Δd’ là sai số dụng cụ của thước kẹp, lấy bằng một nửa độ chia nhỏ nhất của thước kẹp → ΔD’ = Δd’ = 0,05/2 = 0,025 mm)

→ ΔFc = 0,0006 + 2. 0,0005 = 0,0016

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 12)

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

Báo cáo thí nghiệm xác định hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (ảnh 13)

3. Tính sai số tuyệt đối của phép đo:

Δσ = σ−.δσ = 0,0468.10,6833% = 0,005.

4. Viết kết quả xác định hệ số căng bề mặt của nước:

σ = σ− ± Δσ = 0,0468 ± 0,005 (N/m).

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.

Một số câu hỏi sau thí nghiệm:

Câu 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 như phương pháp nêu trong bài không?

Câu 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?

Câu 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 σ của nước cất ở 20 độ C ghi trong bảng 37.1, SGK? Nếu có sai lệch thì nguyên nhân từ đâu?

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

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *