– Mô tả hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng: Thanh kẽm gấp thành khung. Que tăm AB có thể trượt trên khung. Nhúng toàn bộ vào nước xà phòng. Nhấc nhẹ khung lên sao cho màng nước xà phòng lấp đầy diện tích khung – que tăm.
– Hiện tượng: Màng nước xà phòng luôn co lại, đẩy que tăm AB chuyển động theo hướng làm giảm diện tích bề mặt nước xà phòng đến mức nhỏ nhất. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
– Phương, chiều, độ lớn lực căng:
+ Phương: Vuông góc với đoạn đường trên bề mặt, tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng.
+ Chiều: Có chiều sao cho làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng.
+ Độ lớn: f = δ với δ: hệ số căng bề mặt [N/m]
Giá trị của δ phụ thuộc nhiệt độ: δ giảm khi nhiệt độ tăng.
HIỆN TƯỢNG CĂNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG
A]Tóm tắt lý thuyết:
1,Thí nghiệm:
Chọc thủng màng xà phòng bên trong vòng dây chỉ ta thấy vòng dây chỉ được căng tròn.
Hiện tượng cho thấy trên bề mặt màng xà phòng đã có các lực nằm tiếp tuyến với bề mặt màng và kéo nó căng đều theo mọi phương vuông góc với vòng dây chỉ.
Những lực kéo căng bề mặt chất lỏng gọi là lực căng bề mặt chất lỏng.
2,Định nghĩa:
Hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng là hiện tượng xảy ra tại bề mặt của chất lỏng, tại đó xuất hiện lực căng bề mặt của chất lỏng có xu hướng giữ cho diện tích của bề mặt chất lỏng là nhỏ nhất có thể.
3,Giải thích hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng:
-Sự hình thành lực căng bề mặt chất lỏng là do lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng.
+Bên trong lòng chất lỏng, các phân tử chất lỏng ở cạnh nhau theo mọi hướng nên lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng bị chia nhỏ cho các phân tử chất lỏng xung quanh.
+Đối với các phân tử chất lỏng ở bề mặt, do các phân tử chất lỏng xung quanh bị ít đi nên lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng không bị chia quá nhỏ cho các phân tử xung quanh từ đó hình thành nên lực căng bề mặt của chất lỏng giữ cho mặt chất lỏng luôn “căng”.
4,Lực căng bề mặt:
Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng và có độ lớn: F = $\sigma $l.
Trong đó:
+ F: lực căng bề mặt chất lỏng [N]
+ $\sigma $ : hệ số căng bề mặt của chất lỏng [N/m]
+ l: độ dài đường giới hạn của chất lỏng [m]
Chú ý: Giá trị của $\sigma $ phụ thuộc bản chất và nhiệt độ của chất lỏng, $\sigma $ giảm khi nhiệt độ tăng.
*Vận dụng để xác định lực căng mặt ngoài và hệ số căng mặt ngoài.
-Lực căng mặt ngoài tác dụng lên vòng chỉ trong thí nghiệm: ${{F}_{C}}=\sigma .2\pi d$
-Với d là đường kính của vòng dây, $\pi $d là chu vi của vòng dây. Vì màng xà phòng có hai mặt trên và dưới phải nhân đôi.
-Xác định hệ số căng mặt ngoài bằng thí nghiệm.
5,Ứng dụng:
-Nhờ có lực căng mặt ngoài nên nước mưa không thể lọt qua các lỗ nhỏ giữa các sợi vải căng trên ô dù hoặc trên các mui bạt ôtô.
-Hòa tan xà phỏng vào nước sẽ làm giảm đáng kể lực căng mặt ngoài của nước, nên nước xà phòng dễ thấm vào các sợi vải khi giặt để làm sạch các sợi vải,..
B]Bài tập minh họa:
Câu 1: Chất lỏng không có đặc điểm nào sau đây?
A.Chất lỏng có thể tích xác định còn hình dạng không xác định.
B.Chất lỏng có thể tích và hình dạng phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa.
C.Chất lỏng có dạng hình cầu khi ở trạng thái không trọng lượng.
D.Chất lỏng khi ở gần mặt đất có hình dạng bình chứa là do tác dụng của trọng lực.
Hướng dẫn
A,C,D – đúng
B – sai vì chất lỏng có thể tích xác định không phụ thuộc vào hình dạng bình chứa.
Chọn đáp án B.
Câu 2: Hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng:
A.là hiện tượng xảy ra tại bề mặt của chất lỏng, tại đó xuất hiện lực căng bề mặt của chất lỏng có xu hướng giữ cho diện tích của bề mặt chất lỏng là lớn nhất có thể.
B.là hiện tượng xảy ra tại bề mặt của chất lỏng, tại đó xuất hiện lực căng bề mặt của chất lỏng có xu hướng giữ cho thể tích chất lỏng là nhỏ nhất có thể.
C.là hiện tượng xảy ra tại bề mặt của chất lỏng, tại đó xuất hiện lực căng bề mặt của chất lỏng có xu hướng giữ cho diện tích của bề mặt chất lỏng là nhỏ nhất có thể.
D.là hiện tượng xảy ra tại bề mặt của chất lỏng, tại đó xuất hiện lực căng bề mặt của chất lỏng có xu hướng giữ cho thể tích chất lỏng là lớn nhất có thể.
Hướng dẫn
Sử dụng định nghĩa về hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
Chọn đáp án C.
Câu 3: Hiện tượng nào sau đây không liên quan đến hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng?
A.Bong bóng xà phòng lơ lửng trong không khí.
B.Chiếc định ghim nhờn mỡ nổi trên mặt nước.
C.Nước chảy từ trong vòi ra ngoài.
D.Giọt nước đọng trên lá sen.
Hướng dẫn
Hiện tượng nước chảy trong vòi ra ngoài không liên quan đến hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
Chọn đáp án C.
Câu 4: Chiều của lực căng bề mặt chất lỏng có tác dụng:
A.Làm tăng diện tích mặt thoáng của chất lỏng.
B.Làm giảm diện tích mặt thoáng của chất lỏng.
C.Giữ cho mặt thoáng của chất lỏng luôn ổn định.
D.Giữ cho mặt thoáng của chất lỏng luôn nằm ngang.
Hướng dẫn
Áp dụng công thức lực căng bề mặt: F = $\sigma $l
Chọn đáp án B.
Câu 5: Chọn phương án sai khi nói về hệ số căng bề mặt của chất lỏng:
A.Phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng.
B.Phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng.
C.Tăng khi nhiệt độ tăng.
D.Có giá trị bằng $\frac{F}{l}$.
Hướng dẫn
A,B,D – đúng
C – sai vì hệ số căng bề mặt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng.
Chọn đáp án C.
Câu 6: Điều nào sau đây là sai khi nói về lực căng bề mặt của chất lỏng?
A.Độ lớn lực căng bề mặt tỉ lệ với độ dài đường giới hạn l mặt thoáng của chất lỏng.
B.Hệ số căng bề mặt của chất lỏng phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng.
C.Hệ số căng bề mặt không phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng.
D.Lực căng bề mặt có phương tiếp tuyến với mặt thoáng của chất lỏng và vuông góc với đường giới hạn của mặt thoáng.
Hướng dẫn
A,B,D – đúng
C – sai vì hệ số căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng, nó giảm khi nhiệt độ tăng.
Chọn đáp án C.
Câu 7: Tìm câu sai. Độ lớn của lực căng bề mặt của chất lỏng luôn:
A.Tỉ lệ với độ dài đường giới hạn bề mặt chất lỏng.
B.Phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng.
C.Phụ thuộc vào hình dạng chất lỏng.
D.Tính bằng công thức: F = $\sigma $l.
Hướng dẫn
A,B,D – đúng.
C – sai vì độ lớn của lực căng bề mặt của chất lỏng: F =$\sigma $l không phụ thuộc hình dạng chất lỏng.
Chọn đáp án C.
Câu 8: Nhận xét nào sau đây là sai liên quan đến lực căng bề mặt của chất lỏng?
A.Lực căng bề mặt có chiều luôn hướng ra ngoài mặt thoáng.
B.Lực căng bề mặt có phương vuông góc với đường giới hạn của mặt thoáng.
C.Độ lớn của lực căng bề mặt phụ thuộc bản chất của chất lỏng.
D.Độ lớn của lực căng bề mặt tỉ lệ thuận với chiều dài của đường giới hạn của mặt thoáng.
Hướng dẫn
B,C,D – đúng
A – sai vì lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng, có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng.
Chọn đáp án A.
Câu 9: Một màng xà phòng được căng trên mặt khung dây đồng hình chữ nhật treo thẳng đứng, đoạn dây dài AB 500mm và có thể trượt dễ dàng trên khung. Tính trọng lượng P của đoạn dây AB để nó cân bằng. Màng xà phòng có hệ số căng có hệ số căng mặt ngoài $\sigma $ = 0,04 N/m.
Hướng dẫn
Lực căng bề mặt của xà phòng là: F = $\sigma $l.
Để dây nằm ngang cân bằng thì: F = P.
$\Leftrightarrow P=\sigma l={{2.10}^{-3}}$N
Câu 10: Màn xà phòng tạo ra trên khung dây thép hình chữ nhật có cạnh MN = 10cm di chuyển được. Cần thực hiện công bao nhiêu để kéo cạnh MN di chuyển 5cm để làm tăng diện tích màn xà phòng? Biết $\sigma $ = 0,04 N/m.
Hướng dẫn
$A={{F}_{C}}.S=2.\sigma .l.S={{4.10}^{-4}}$ [J]
Câu 11: Để xác định hệ số căng bề mặt của rượu người ta làm như sau: Cho rượu vào cái bình chảy nhỏ giọt ra ngoài theo một ống nhỏ, đường kính miệng ống là d = 4mm, đặt thẳng đứng. Thời gian giọt này rơi sau giọt kia là 2s. Sau 65 phút có 100g rượu chảy ra. Lấy g = 10 m/s$^{2}$. Hệ số căng bề mặt của rượu là:
A.0,04 N/m B.0,13 N/m C.0,06 N/m D.0,02 N/m
Hướng dẫn
Vận dụng biểu thức tính chu vi đường tròn: C = 2$\pi $r = $\pi $d.
Vận dụng biểu thức tính lực căng bề mặt của chất lỏng: F = $\sigma $l.
Chọn đáp án A.
Câu 12: Để xác định hệ số căng bề mặt của nước, người ta dùng ống nhỏ giọt mà đầu dưới của ống có đường kính trong 2mm. Biết khối lượng 20 giọt nước nhỏ xuống là 0,95g. Xác định hệ số căng bề mặt, coi trọng lượng giọt nước đúng bằng lực căng bề mặt lên giọt nước.
Hướng dẫn
Khối lượng mỗi giọt nước: m = $\frac{0,{{95.10}^{-3}}}{20}=4,{{75.10}^{-5}}$kg
P = m.g = F$_{C}=4,{{75.10}^{-4}}$ N
$\Rightarrow \sigma =\frac{{{F}_{C}}}{\pi d}=7,{{56.10}^{-2}}$N/m
Câu 13: Cho rượu vào ống nhỏ giọt, đường kính miệng d = 2mm, khối lượng của mỗi giọt rượu là 0,0151g, g = 10 m/s$^{2}$. Hệ số căng bề mặt ngoài của rượu là:
Hướng dẫn
Trọng lượng của giọt rượu bằng lực căng bề mặt: ${{F}_{C}}=P=mg=1,{{51.10}^{-4}}$N
${{F}_{C}}=\sigma .l=\sigma .\pi .d$
$\Rightarrow \sigma =\frac{{{F}_{C}}}{\pi .d}=24,{{04.10}^{-3}}$ N/m
Câu 14: Cho 15,7g rượu vào ống nhỏ giọt, rượu chảy ra ngoài qua ống thành 1000 giọt, g = 10 m/s$^{2}$. Hệ số căng mặt ngoài của rượu là 0,025 N/m. Tính đường kính miệng ống.
Hướng dẫn
Khối lượng mỗi giọt rượu : $m=\frac{15,7}{1000}=0,0157g=1,{{57.10}^{-5}}$ kg
$\Rightarrow {{F}_{C}}=P=mg=1,{{57.10}^{-4}}$ N
${{F}_{C}}=\sigma .l=\sigma .\pi .d\Rightarrow d={{2.10}^{-3}}$m
Câu 15: Một vòng dây kim loại có đường kính 8cm được dìm nằm ngang trong một chậu dầu thô. Khi kéo vòng dây khỏi dầu, người ta đo được lực phải tác dụng thêm do lực căng bề mặt là 9,2.10$^{-3}$N. Hệ số căng bề mặt của dầu trong chậu là ?
Hướng dẫn
Lực căng bề mặt của dầu là: F = S.l = S.$\pi $.d
$\Leftrightarrow S=\frac{F}{\pi d}=36,{{6.10}^{-3}}$ N/m.