Xem toàn bộ tài liệu Lớp 10: tại đây
- Giải Vật Lí Lớp 10
- Sách Giáo Khoa Vật Lý 10
- Giải Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 10
- Sách Giáo Viên Vật Lí Lớp 10
- Sách giáo khoa vật lý 10 nâng cao
- Sách Giáo Viên Vật Lí Lớp 10 Nâng Cao
- Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 10
- Sách Bài Tập Vật Lí Lớp 10 Nâng Cao
Giải Bài Tập Vật Lí 10 – Bài 57: Thực hành: Xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng (Nâng Cao) giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:
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 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 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:
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
| 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:
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:
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:
2. Tính sai số tỉ đối của phép đo:
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
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 
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.
Câu 1 (trang 284 sgk Vật Lý 10 nâng cao): Ở phương án 1, có thể dùng lực kế ở phương án 2 thay cho cân đòn và các gia trọng được không? Vì sao?
Lời giải:
Ta có thể sử dụng lực kế nhạy để đo lực căng bề mặt và hệ số căng bề mặt của màng xà phòng thay cho cân đòn. Tuy nhiên kết quả thu được sẽ có sai số lớn hơn so với dùng cân đòn vì số chỉ lực kế khi đó bao gồm cả trọng lượng của khung dây, mà trọng lượng của khung là đáng kể nên sẽ gây sai số cho phép đo lực căng bề mặt. Trong phương pháp dùng cân đòn thì hai bên đều có khung dây giống nhau nên trọng lượng của khối gia trọng chính xác bằng lực căng bề mặt tác dụng lên thanh AB.
Câu 2 (trang 284 sgk Vật Lý 10 nâng cao): Ở phương án 2, có thể không dùng lực kế mà xác định các lực bằng cân đòn và các gia trọng được không? Vì sao?
Lời giải:
Ở phương án 2, ta hoàn toàn có thể không dùng lực kế mà vẫn có thể xác định các lực bằng cân đòn và các gia trọng. Vì mỗi gia trọng đều có khối lượng định trước nên dựa vào điều kiện cân bằng của đòn cân mà ta xác định được trọng lượng P của vòng nhôm và lực căng bề mặt.