CĂNG MẶT NGỒI
Mục đích I.
- Xác định hệ số nở dài của thanh kim loại.
- Khảo sát hiện tượng căng mặt ngồi, hiện tượng dính ướt, khơng dính ướt. - Khảo sát hình dạng của giọt chất lỏng trong dung dịch rượu etylic.
- Xác định giá trị suất căng mặt ngoài của chất lỏng (nước). Chuẩn bị
II.
Nghiên cứu phần lí thuyết liên quan đến nội dung các thí nghiệm (ở SGK vật lí lớp 11 và sách “Vật lí phân tử và nhiệt học”).
Thí nghiệm: III.
1) Thí nghiệm 1- Xác định hệ số nở dài của thanh kim loại
a) Dụng cụ
- Thanh sắt có chiều dài ở nhiệt độ 00C là l0 = 60 cm được bọc bên ngồi bởi một ống kim loại rỗng và kín.
- Bình thủy tinh để đun nước.
- Thước đo chiều dài có gắn cầu kế (mỗi vạch ứng với 0,01 mm)
- Bếp điện 220 V-AC. - Nhiệt kế bách phân. - Nguồn 6 V-DC.
- Bóng điện 6 V-3 W, dây nối.
b) Tiến hành thí nghiệm
- Lắp ráp thí nghiệm theo sơ đồ.
- Đổ nước vào bình thủy tinh (tới 2/3 thể tích bình).
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
47
- Vặn cầu kế cho tới khi đèn bắt đầu sáng (sao cho mũi nhọn vừa chạm nhẹ thanh kim loại, không siết chặt).
- Đọc nhiệt độ t1 và chỉ số của cầu kế. Tiến hành thí nghiệm 3 lần để tính giá trị trung bình của chiều dài thanh sắt.
- Nới cầu kế ra xa (khoảng 3 mm).
- Bật công tắc bếp điện đun nước cho tới sôi tương đối lâu.
- Theo dõi để ống chứa thanh kim loại nóng đều và ổn định. Đọc nhiệt độ t2 và chỉ số của cầu kế tương tự như lần trên.
- Nới và vặn cầu kế, lấy 3 giá trị khi nhiệt độ t2 ổn định để tính giá trị trung bình. - Tính độ gia tăng chiều dài l của thanh sắt và xác định hệ số nở dài theo công
thức: - Hệ số nở dài 0(2 1) l l t t c) Kết quả thí nghiệm
Nhiệt độ và chiều dài ở 00C của thanh sắt: t1= ......0C; t2 = .....0C; l0 = 60 cm Kết quả:
Chiều dài trung bình của thanh sắt ở nhiệt độ t1: l1 = l0.(1+α.t1) = l0 + x Chiều dài trung bình của thanh sắt ở nhiệt độ t2: l2 = l0.(1+α.t2) = l0 + y Với x và y lần lượt là độ tăng chiều dài ở t1 và t2 so với ở 00, đọc từ cầu kế.
Độ gia tăng chiều dài trung bình: l = l2 – l1 = y - x Hệ số nở dài: 0(2 1) 0( 2 1) l y x l t t l t t
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
48 2) Thí nghiệm 2 - Hình dạng tự nhiên của giọt chất lỏng
a) Dụng cụ
- Một bình thủy tinh hình trụ nhỏ. - Rượu etylic.
- Dầu ăn.
b) Tiến hành
- Nhỏ một giọt dầu ăn vào bình đã đổ sẵn nước đến độ cao khoảng 0,5 cm
- Từ từ nhỏ rượu etylic vào bình (hơi nghiêng bình để rượu chảy theo thành bình xuống dưới)
- Quan sát hình dạng và vị trí giọt dầu từ lúc đầu cho tới khi lơ lửng trong hỗn hợp chất lỏng.
- Giải thích hiện tượng quan sát được.
3) Thí nghiệm 3 - Kiểm nghiệm sự tồn tại của lực căng mặt ngoài
a) Dụng cụ
- Kim khâu, lưỡi lam.
- Một số khung kim loại có buộc các sợi chỉ theo các kiểu khác nhau, - Dung dịch xà phòng, nước, khay.
b) Tiến hành
- Thả nhẹ nhàng lần lượt cây kim và lưỡi lam (đã lau khô và thoa một lớp dầu mỏng) nằm ngang cân bằng trên mặt nước. (Hoặc lót dưới cây kim và lưỡi lam chưa thoa dầu một mẩu giấy thấm nước mỏng, rồi đặt nhẹ nhàng mẩu giấy để chúng nằm ngang trên mặt nước). Đợi giấy thấm nước rã ra quan sát hiện tượng và giải thích.
- Nhúng ngập các khung kim loại vào dung dịch xà phòng rồi nhấc lên nhẹ nhàng theo phương thẳng đứng sao cho chúng tạo thành một màng xà phịng kín.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
49 - Lấy mẫu giấy vo tròn rồi nhẹ nhàng chọc thủng màng xà phòng ở một bên hoặc giữa vòng chỉ. Quan sát hiện tượng và chỉ ra phương, chiều của lực căng mặt ngồi trong mỗi trường hợp.
4) Thí nghiệm 4 – Xác định suất căng mặt ngoài của chất lỏng
Đo suất căng mặt ngoài của nước bằng lực kế nhạy
a) Dụng cụ
- Lực kế 0,1 N có độ chính xác 0,001 N. - Vịng kim loại bằng nhơm có dây treo.
- Hai cốc nhựa A, B nối thông nhau bằng một ống cao su Silicon. - Thước kẹp.
- Giá treo lực kế. b) Cơ sở lý thuyết
- Bộ thiết bị thí nghiệm cho phép đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng bằng phương pháp bứt vòng kim loại ra khỏi bề mặt chất lỏng.
- Khi treo một vịng kim loại có tính dính ướt hồn tồn đối với chất lỏng (nước) vào một lực kế và nhúng vòng kim loại vào chất lỏng rồi kéo lên mặt thống thì vịng kim loại không bị bứt ngay ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng. Lúc này xuất hiện một màng chất lỏng bám quanh chu vi trong và chu vi ngoài của vịng kim loại và có khuynh hướng kéo vịng kim loại trở vào chất lỏng. Lực căng bề
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
50 mặt Fc do chất lỏng tác dụng vào vòng kim loại đúng bằng tổng lực căng bề mặt của chất lỏng tác dụng lên chu vi trong và chu vi ngồi của vịng kim loại. Do vịng kim loại bị chất lỏng dính ướt hồn tồn nên khi kéo vòng bứt ra khỏi mặt chất lỏng thì lực căng Fc có cùng hướng với trọng lực P tác dụng vào vịng (xem hình). Khi đó giá trị của lực F đo được trên lực kế bằng tổng của hai lực này. Như vậy, lực căng mặt ngồi Fc tác dụng lên chiếc vịng có độ lớn bằng: Fc = F – P
- Gọi σ là hệ số căng bề mặt của nước, d và D là đường kính trong và đường kính ngồi của chiếc vịng thì lực căng mà màng nước tác dụng lên mặt trong và mặt ngồi của chiếc vịng tương ứng là F1 = σ.π.d, F2 = σ.π D. Do đó, lực căng bề mặt tổng hợp tác dụng lên chiếc vòng là Fc = σ.π.(d + D). - Từ đó suy ra: ( ) F P D d .
- Đo Fc, d và D, ta xác định hệ số căng bề mặt của nước.
c) Tiến hành thí nghiệm Đo lực căng Fc
- Lau sạch chiếc vịng bằng giấy mềm. Móc dây treo vịng vào lực kế, rồi treo lực kế vào thanh ngang của giá đỡ để đo trọng lượng P của vòng. Lặp lại phép đo P thêm 4 lần và ghi các giá trị đo được vào bảng 1.
- Đặt hai cốc A, B có ống cao su nối với nhau lên mặt bàn. Đổ chất lỏng cần đo hệ số căng bề mặt (nước cất hoặc nước sạch) vào hai cốc sao cho lượng nước chiếm khoảng 50% dung tích mỗi cốc. Đặt cốc A ngay dưới vịng kim loại đang treo trên lực kế (xem hình). Đặt cốc B lên mặt một tấm đế (mặt tấm đế cao hơn mặt đỡ cốc A khoảng 30 mm). Sau khi mực nước trong hai cốc ngang nhau, nới vít hãm khớp đa năng để hạ lực kế xuống thấp dần sao cho mặt đáy của chiếc vòng nằm cách mặt nước khoảng 0,5 cm. Điều chỉnh dây treo vòng sao cho mặt đáy của vịng song song với mặt nước.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thông 2017
51 - Kéo nhẹ móc treo vật của lực kế để cho đáy vòng chạm đều vào mặt nước rồi buông tay ra. Dưới tác dụng của lực căng bề mặt, vòng kim loại bị màng nước bám quanh đáy vòng giữ lại.
- Hạ cốc B xuống mặt bàn để nước trong cốc A lại từ từ chảy sang cốc B. Quan sát chiếc vòng và lực kế, ta thấy mặt nước trong cốc A hạ dần xuống và chiếc 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 chiếc vòng ở vị trí cao hơn mặt thống thì số chỉ trên lực kế không tăng nữa, mặc dù mặt chất lỏng tiếp tục hạ xuống và màng chất lỏng bám quanh chiếc vòng tiếp tục bị kéo dài ra, trước khi nó bị đứt. Đọc giá trị của lực F trên lực kế ở thời điểm ngay trước khi màng mỏng bị đứt và ghi vào bảng 1.
- Đặt lại cốc B lên mặt tấm đế và lặp lại thêm 4 lần các bước 3 và 4 để lấy được các giá trị của lực F trong các lần đo này và ghi kết quả vào bảng 2.
Đo đường kính ngồi và đường kính trong của vịng kim loại
- Dùng thước kẹp đo 5 lần đường kính ngồi D và đường kính trong d của chiếc
vòng. Ghi kết quả vào bảng 3.
- Trong thí nghiệm này, đường kính ngồi và đường kính trong của vịng kim loại được đo bằng thước kẹp. Thước kẹp là dụng cụ đo chiều dài chính xác hơn thước milimet. Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp có thể đạt tới 0,1; 0,05 hoặc 0,02 mm tùy loại.
- Thước kẹp dùng trong thí nghiệm này có thể đo chiều dài từ 0 đến 150 mm. Nó gồm một thân thước chính dạng chữ T (xem hình), trên thân thước khắc từ 0 đến 150,
mỗi vạch cách nhau 1 mm. Có một thước D nhỏ hơn ơm lấy thân thước chính, có thể
trượt dọc theo thân thước chính, gọi là du xích.
- Thước nhỏ trên du xích được chia đều ra N vạch, sao cho độ dài của N vạch thước này đúng bằng độ dài của (kN – 1) vạch trên thước chính ( k = 1, 2).
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017 52 Ví dụ: N = 10 thì ∆ = 0,10 mm. N = 20 thì ∆ = 0,05 mm. N = 50 thì ∆ = 0,02 mm.
- Đầu đo thước chính T có hai hàm kẹp 1, 2 cố định. Hai hàm kẹp di động 1’ – 2’ gắn với hai đầu của du xích. Hai đầu 1 – 1’dùng đo kích thước ngồi, cịn hai đầu 2 – 2’dùng đo kích thước trong của các vật.
- Khi cần đo đường kính D của vịng kim loại, ta nới nhẹ vít 3 để có thể kéo du
xích trượt trên thân thước T, rồi kẹp vịng giữa hai kẹp 1 – 1’ (xem hình). Xiết nhẹ vít
3 để cố định vị trí du xích. Cách đọc giá trị độ dài đường kính D như sau:
- Ban đầu, khi chưa có vịng, hàm kẹp di động1, nằm sát với hàm kẹp cố định 1, thì vạch số 0 trên thước chính T trùng với vạch số 0 của du xích. Sau khi kẹp vịng,
vạch 0 của du xích trượt sang phải, vượt qua vạch thứ n trên thước chính. Như vậy, ta xác định được phần nguyên của độ dài đường kính D bằng n mm. Cách đọc phần lẻ của D như sau: Quan sát hai dãy vạch đối diệnnhau trên du xích và trên thước chính,
tìm xem có cặp vạch nào trùng nhau hoặc nằm đối diện sát nhau nhất, giả sử là vạch
thứ m trên du xích. Phần lẻ của độ dài đường kính D được tính bằng m.∆(mm), trong
đó ∆ là giá trị độ chia nhỏ nhất của thước kẹp được ghi ngay trên thước kẹp. Kết quả:
D = n + m.∆(mm)
- Ở hình duới, kich thước con ốc đo được là:
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
53
Chú ý :
- Trong trường hợp đáy chiếc vịng được vát mỏng sao cho D ≈ d thì tổng chu vi trong và ngoài của đáy chiếc vịng có thể xác định theo cơng thức:
L1 + L2 ≈ 2π D.
Như vậy, ta chỉ cần đo đường kính ngồi D của chiếc vịng.
- Khi vặn vít để giữ gắn thanh ngang vào giá đỡ không nên vặn quá chặt dễ làm trợt gen trên đinh vít và trên lỗ cắm.
- Khi kẹp vòng kim loại trên thước kẹp cũng không nên kẹp quá chặt dễ làm biến dạng vịng kim loại.
- Khi vặn vít 7 trên thước kẹp cũng khơng nên vặn quá chặt dễ làm trợt gen trên đinh vít và lỗ cắm. Mặt khác, cũng khơng nên nới vít 7 q nhiều dễ làm tuột vít 7 sẽ mất cơng lắp lại.
- Khi làm xong thí nghiệm, nhấc chiếc vòng ra khỏi lực kế, lau khô và cất vào trong hộp nhựa; rửa sạch các cốc A, B và ống cao su; gỡ lực kế ra khỏi thanh ngang rồi sắp xếp các dụng cụ vào hộp cho đúng vị trí như lúc ban đầu.
- Khơng dùng lực kế để đo những lực có độ lớn vượt quá giới hạn đo của lực kế.
Đo suất căng mặt ngoài của nước bằng ống Pipet:
a) Dụng cụ
- Cân đòn. - Ống Pipet. - Lọ thủy tinh nhỏ.
b) Tiến hành
- Tìm hiểu cách sử dụng cân đòn (giá trị và độ chia từng thang đo, cách điều chỉnh...)
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
54 - Dùng cân xác định khối lượng của lọ rỗng, khô.
- Dùng pipet, cầm thẳng đứng nhỏ từ từ từng giọt nước nhỏ vào lọ rổng 20 giọt nước rồi tiến hành cân lọ nước. Ghi lại khối lượng của lọ và 20 giọt, suy ra khối lượng 20 giọt và khối lượng trung bình của một giọt vào bảng 4.
- Lặp lại phép cân với 30 giọt, 40 giọt nước (bằng cách thêm vào lọ đã có nước lần lượt 10 giọt, 20 giọt). Ghi lại giá trị vào bảng 4.
- Xác định giá trị trung bình của khối lượng một giọt nước. - Xác định suất căng mặt ngồi theo cơng thức:
P d
- Với d = 3 mm là đường kính trong của miệng ống pipet, g = 9,8 m/s2.
IV. Câu hỏi
1. Vì sao phải cầm ống pipet thẳng đứng và nhỏ từ từ từng giọt nước?
2. So sánh giá trị suất căng mặt ngồi xác định từ 2 thí nghiệm trên. Nhận xét. --------
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
55
Báo cáo thực hành theo mẫu sau
BÀI 4: SỰ NỞ DÀI CỦA THANH KIM LOẠI. HIỆN TƯỢNG CĂNG MẶT NGOÀI
Họ và tên: ................................................................................................................... Lớp: ....................... Nhóm: ......................................
Ngày thực hành: ....................................................... Ngày nộp báo cáo: ....................................................
Mục đích I.
.................................................................................................................................... Cơ sở lí thuyết
II.
Trình bày tóm tắt các nội dung sau: - Hiện tượng nở dài của thanh kim loại.
- Hiện tượng căng mặt ngoài: định nghĩa, suất căng mặt ngoài của chất lỏng. - Hiện tượng dính ướt, khơng dính ướt. Ví dụ về các hiện tượng trong tự nhiên.
Kết quả III.
1) Thí nghiệm 1- Xác định hệ số nở dài của thanh kim loại
Nhiệt độ và chiều dài ở 00C của thanh sắt: t1= ......0C; t2 = .....0C; l0 = 60 cm.
Bảng 1: Lần đo l1 = l0 + x l2 = l0 + y 1 2 3 Giá trị trung bình
Tính: Độ gia tăng chiều dài trung bình l = l2 – l1 = y – x; Hệ số nở dài 0(2 1) 0(2 1) l y x l t t l t t
2) Thí nghiệm 2 - Hình dạng tự nhiên của giọt chất lỏng Miêu tả và giải thích hiện tượng. Miêu tả và giải thích hiện tượng.
Thí nghiệm Vật Lí phổ thơng 2017
56 3) Thí nghiệm 3 - Kiểm nghiệm sự tồn tại của lực căng mặt ngoài
Miêu tả và giải thích hiện tượng chỉ ra phương chiều của lực căn mặt ngồi trong từng trường hợp.
4) Thí nghiệm 4 - Xác định suất căng mặt ngoài của chất lỏng
a) Đo suất căng mặt ngoài của nước bằng lực kế nhạy
Bảng 2: Độ chia nhỏ nhất của lực kế: 0,001 N Lần đo P (N) F (N) Fc (N) = F – P ∆Fc (N) 1 2 3 4 5 TB Bảng 3:
Độ chia nhỏ nhất của thước kẹp: 0,02 mm
Lần đo D (mm) ∆D (mm) d (mm) ∆d (mm) 1 2 3 4 5 TB
- Tính các giá trị trung bình, sai số tuyệt đối của mỗi lần đo, sai số tuyệt đối trung