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

Bài 57: Thực hàng: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng

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. 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.

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:

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.

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.

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.

    + 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.

* 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.

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

Ta có:

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

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

Bảng 57.2

Ta có:

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

Bảng 57.4: Kết quả đo lực căng bề mặt

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

2. Tính sai số tỉ đối của phép đo:

Trong đó:

ΔF_c = ΔF_c——+ 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)

→ 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

Như vậy trong trường hợp này ta phải lấy π = 3,1412 để cho , khi đó ta có thể bỏ qua .

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.