CÁC HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT CỦA CHẤT LỎNG
A: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
I. Hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng.
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. Lực căng bề mặt.
Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng luôn 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 của chất lỏng và có độ lớn tỉ lệ thuận với độ dài của đoạn đường đó : \[f=\sigma l\] .
Với \[\sigma \] là hệ số căng mặt ngoài, có đơn vị là N/m.
Hệ số \[\sigma \]phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của chất lỏng : \[\sigma \] giảm khi nhiệt độ tăng.
3. Ứng dụng.
Nhờ có lực căng mặt ngoài nên nước mưa không thể lọt qua các lổ nhỏ giữa các sợi vải căng trên ô dù hoặc trên các mui bạt ôtô.
Hoà tan xà phòng 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, …
Lực căng mặt ngoài tác dụng lên vòng chỉ trong thí nghiệm 37.2 : \[{{F}_{c}}=\sigma .2\pi d\]
Với d là đường kính của vòng dây, pd 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 :
Số chỉ của lực kế khi bắt đầu nâng được vòng nhôm lên : F = Fc + P
=> Fc = F – P.
Mà \[{{F}_{c}}=\sigma \pi (D+d)\Rightarrow \sigma =\frac{{{F}_{c}}}{\pi (D+d)}\]
II. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt.
1. Thí nghiệm.
Giọt nước nhỏ lên bản thuỷ tinh sẽ bị lan rộng ra thành một hình dạng bất kỳ, vì nước dính ướt thuỷ tinh.
Giọt nước nhỏ lên bản thuỷ tinh phủ một lớp nilon sẽ vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực, vì nước không dính ướt với nilon.
Bề mặt chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lỏm khi thành bình bị dính ướt và có dạng mặt khum lồi khi thành bình không bị dính ướt.
2. Ứng dụng.
Hiện tượng mặt vật rắn bị dính ướt chất lỏng được ứng dụng để làm giàu quặng theo phương pháp “tuyển nổi”.
III. Hiện tượng mao dẫn.
1. Thí nghiệm.
Nhúng các ống thuỷ tinh có đường kính trong nhỏ vào trong chất lỏng ta thấy:
+ Nếu thành ống bị dính ướt, mức chất lỏng bên trong ống sẽ dâng cao hơn bề mặt chất lỏng ở ngoài ống và bề mặt chất lỏng trong ống có dạng mặt khum lỏm.
+ Nếu thành ống không bị dính ướt, mức chất lỏng bên trong ống sẽ hạ thấp hơn bề mặt chất lỏng ở ngoài ống và bề mặt chất lỏng trong ống có dạng mặt khum lồi.
+ Nếu có đường kính trong càng nhỏ, thì mức độ dâng cao hoặc hạ thấp của mức chất lỏng bên trong ống so với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống càng lớn.
Hiện tượng mức chất lỏng ở bên trong các ống có đường kính nhỏ luôn dâng cao hơn, hoặc hạ thấp hơn so với bề mặt chất lỏng ở bên ngoài ống gọi là hiện tượng mao dẫn.
Các ống trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn gọi là ống mao dẫn.
Hệ số căng mặt ngoài s càng lớn, đường kính trong của ống càng nhỏ mức chênh lệch chất lỏng trong ống và ngoài ống càng lớn.
2. Ứng dụng.
Các ống mao dẫn trong bộ rễ và thân cây dẫn nước hoà tan khoáng chất lên nuôi cây.
Dầu hoả có thể ngấm theo các sợi nhỏ trong bấc đèn đến ngọn bấc để cháy.
B: BÀI TẬP MẪU
Bài 1: Một vòng nhôm mỏng có đường kính ngoài và trong là 50mm và có trọng lượng 68.10-3N được treo vào một lực kế lò xo sao cho đáy của vòng nhôm tiếp xúc với mặt nước. Lực để kéo bứt vòng nhôm ra khỏi mặt nước bằng bao nhiêu? nếu biết hệ số căng bề mặt của nước là 72.10-3N.
Hướng dẫn
Fc = F – P = $\sigma .2.\pi .D$
$\Rightarrow $ F = P + $\sigma .2.\pi .D$ = 0,0906N
Bài 2: 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? $\sigma =0,04N/m$.
Hướng dẫn
A = Fc. S = $2.\sigma .L.S$ = 4.10-4 J
Bài 3: Cho rượu vào ống nhỏ giọt, đường kính miệng d = 2mm, khối lượng của mỗi giọt rượu là 0,0151g, g = 10m/s2. Suất căng mặt ngoài của rượu là?
Hướng dẫn
Trọng lượng của giọt rượu bằng lực căng bề mặt: Fc = P = m.g = 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
Bài 4: Cho 15,7g rượu vào ống nhỏ giọt, rượu chảy ra ngoài qua ống thành 1000 giọt, g = 10m/s2. Suất căng mặt ngoài của rượu là 0,025 N/m. Tính đường kính miệng ống.
Hướng dẫn
Khối lượng mỗi giọt rượu: $m=\frac{15,7}{1000}=0,0157g={{1,57.10}^{-5}}kg$
$\Rightarrow {{F}_{c}}=P=m.g={{1,57.10}^{-4}}N$
${{F}_{c}}=\sigma .l=\sigma .\pi .d\Rightarrow d={{2.10}^{-3}}m$
Bài 5: Nước từ trong một pipette chảy ra ngoài thành từng giọt, đường kính đầu ông là 0,5mm. Tính xem 10cm3 nước chảy hết ra ngoài thành bao nhiêu giọt? Biết rằng $\sigma ={{7,3.10}^{-2}}N/m$.
Hướng dẫn
Lực căng: ${{F}_{c}}=\sigma .l=\sigma .\pi .d={{114,6.10}^{-6}}N$
F = P = m.g $\Rightarrow m=\frac{F}{g}={{1,146.10}^{-5}}kg$
Số giọt nước: $n=\frac{0,01}{{{1,146.10}^{-5}}}=873$ giọt
Bài 6: 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 khôi 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 = 4,75.10-4N = Fc
$\Rightarrow \sigma =\frac{{{F}_{c}}}{\pi .d}$= 7,56.10-2 N/m
Bài 7: Một vòng xuyến có đường kính trong là 4,5cm và đường kính ngoài là 5cm. Biết hệ số căng bề mặt ngoài của glyxêrin ở 200C là 65,2.10-3N/m. Tính lực bứt vòng xuyến này ra khỏi mặt thoáng của glyxêrin?.
Hướng dẫn
${{F}_{c}}=\sigma .l=\sigma .\pi .(d+D)={{19,4.10}^{-3}}N$
Bài 8: Một vòng dây có đường kính 10cm được nhúng chìm nằm ngang trong một mẫu dầu. Khi kéo vòng dây khỏi dầu, người ta đo được lực phải tác dụng thêm do lực căng mặt ngoài là 1,4.10-2N. Hãy tính hệ số căng mặt ngoài của dầu.
Hướng dẫn
Chu vi của vòng dây: l = C = $\pi .d$ = 0,314m
C: BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu 1: Hịên 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 đinh ghim nhờn mỡ nỗi trên mặt nước.
C. Nước chảy từ trong vòi ra ngoài.
D. Giọt nước động trên lá sen.
Câu 2: 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.
Câu 3: 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.
Câu 4: Hiện tượng dính ướt của chất lỏng được ứng dụng để:
A. Làm giàu quặng (loại bẩn quặng) theo phương pháp tuyển nổi.
B. Dẫn nước từ nhà máy đến các gia đình bằng ống nhựa.
C. Thấm vết mực loang trên mặt giấy bằng giấy thấm.
D. Chuyển chất lỏng từ bình nọ sang bình kia bằng ống xi phông.
Câu 5: Chọn những câu đúng trong các câu sau:
A. Nếu lực tương tác giữa các phân tử chất rằn với chất lỏng mạnh hơn lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì có hiện tượng dính ướt.
B. Nếu lực tương tác giữa các phân tử chất rằn với chất lỏng mạnh hơn lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì có hiện tượng không dính ướt.
C. Sự dính ướt hay không dính ướt là hệ quả của tương tác rắn lỏng
D. Khi lực hút cỉua các phân tử chất lỏng với nhau hớn hơn lực hút của các phân tử chất khí với chất lỏng thì có hiện tượng không dính ướt.
Câu 6: Chọn những câu đúng trong các câu sau:
A. Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng nước trong các ống có tiết diện nhỏ (hoặc các khe nhỏ) được dâng lên hay hạ xuống so với mực nước trong bình chứa.
B. Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng trong các ống có tiết diện nhỏ (hoặc các khe nhỏ) được dâng lên so với mực chất lỏng trong bình chứa.
C. Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng trong các ống mao quản (hoặc các khe nhỏ) được dâng lên hay hạ xuống so với mực chất lỏng trong bình chứa.
D. Nếu ống mao dẫn có tiết diện rất nhỏ thì xảy ra hiện tượng mao dẫn.
Câu 7:Chọn những câu đúng trong các câu sau:
A. Người ta chỉ dựa vào hiện tượng căng mặt ngòai của chất lỏng để giải thích hiện tượng mao dẫn.
B. Hiện tượng dính ướt hay không dính ướt là yếu tố gây nên hiện tượng mao dẫn.
C. Khi lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng với nhau và lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng với chất rắn , có sự chênh lệch với nhau là một trong những yếu tố gây nên hiện tượng mao dẫn.
D. Độ dâng lên hay hạ xuống của mực chất lỏng trong ống mao dẫn phụ thuộc vào tiết diện ống mao dẫn , khối lượng riêng của chất lỏng và bản chất của chất lỏng.
Câu 8: Mức chất lỏng trong ống mao dẫn so với bề mặt chất lỏng bên ngoài ống phụ thuộc những yếu tố nào?
A. Đường kính trong của ống, tính chất của chất lỏng.
C.Tính chất của chất lỏng và của thành ống.
B.Đường kính trong của ống và tính chất của thành ống.
D.Đường kính trong của ống, tính chất lỏng và của thành ống.
Câu 9: Trong trường hợp nào độ dâng lên của chất lỏng trong ống mao dẫn tăng?
A.Gia tốc trọng trường tăng.
B.Trọng lượng riêng của chất lỏng tăng.
C.Tăng đường kính trong của ống mao dẫn.
D.Giảm đường kính trong của ống mao dẫn.
Câu 10: Hiện tượng mao dẫn :
A. Chỉ xảy ra khi ống mao dẫn đặt vuông góc với chậu chất lỏng B. Chỉ xảy ra khi chất lỏng không làm dính ướt ống mao dẫn
C. Là hiện tượng mực chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong ống có tiết diện nhỏ so với chất lỏng bên ngoài ống
D. Chỉ xảy ra khi ống mao dẫn là ống thẳng
Câu 11: 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 = s.l
Câu 12: Hiện tượng nào sau đây không liên quan tới hiện tượng mao dẫn ?
A. Cốc nước đá có nước đọng trên thành cốc
B. Mực ngấm theo rãnh ngòi bút
C. Bấc đèn hút dầu
D. Giấy thấm hút mực
Câu 13: Một ống mao dẫn có đường kính trong là 1mm nhúng thẳng đứng trong rượu. Rượu dâng lên trong ống một đoạn 12mm. Khối lượng riêng của rượu là D= 800 kg/m3, g= 10m/s2. Suất căng mặt ngoài của rượu có giá trị nào sau đây?
A. 0,24 N/m B. 0,024 N/m C. 0,012 N/m D. Đáp án khác
Câu 14: Một vòng xuyến có đường kính ngoài là 44mm và đường kính trong là 40mm. Trọng lượng của vòng xuyến là 45mN. Lực tối thiểu để bứt vòng xuyến ra khỏi bề mặt của Glixerin ở 200C là 64,3 mN. Hệ số căng bề mặt của glixerin ở nhiệt độ này là?
A. 730.10-3 N/m
B. 73.10-3 N/m
C. 0,73.10-3 N/m
D. Đáp án khác
Câu 15: Một ống mao dẫn có đường kính trong là d= 2,5mm hở hai đầu được nhúng chìm trong nước rồi rút khỏi nước ở vị trí thẳng đứng. Khối lượng riêng và suất căng mặt ngoài của nước lần lượt là 103 kg/m3 và 0,075 N/m. Độ cao còn lại của nước trong ống là:
A. 12mm
B. 15mm
C. 24mm
D.32mm
Câu 16: Một ống mao dẫn có đường kính trong là d=0,2mm ban đầu chứa đầy rượu sau đó dựng ống thẳng đứng và để hở hai đầu. Suất căng mặt ngoài của rượu là 0,025N/m. Trọng lượng của phần rượu còn lại là?
A. 3,14.10-5 N
B. 3,14.10-4 N
C. 1,57.10-5 N
D. 1,57.10-4 N
Câu 17: Cho nước vào ống nhỏ giọt có đường kính miệng là d= 0,8mm. Suất căng mặt ngoài của nước là 0,0781 N/m ; g= 9,8 m/s2. Khối lượng của mỗi giọt rượu rơi khỏi ống là:
A. 0,01 g
B. 0,1 g
C. 0,02 g
D. 0,2g.
Câu 18: Một vòng dây kim loại có đường kính 8cm được dìm nằm ngang trong một chậu dầu thô. Khi kéo vòng dây ra khỏi dầu, người ta đo được lực phải tác dụng thêm do lực căng bề mặt là 9,2.10-3N. Hệ số căng bề mặt của dầu trong chậu là giá trị nào sau đây:
A. 18,4.10-3 N/m
B. 18,4.10-4 N/m
C. 18,4.10-5 N/m
D. 18,4.10-6 N/m
Câu 19: Một quả cầu mặt ngoài hoàn toàn không bị nước làm dính ướt. Biết bán kính của quả cầu là 0,1mm, suất căng bề mặt của nước là 0,073N/m.Khi quả cầu được đặt lên mặt nước, lực căng bề mặt lớn nhất tác dụng lên nó nhận giá trị nào sau đây:
A. Fmax = 4,6N.
B. Fmax = 4,5.10-2 N.
C. Fmax = 4,5.10-3 N.
D. Fmax = 4,5.10-4 N.
Câu 20: 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.
Câu 21: Nhận xét nào sau đây là SAI liên quan đến lực căng bề mặt của chấ lỏng?
A. Lực căng bề mặt có chiều luôn hướng ra ngòai mặt thóang.
B. Lực căng bề mặt có phương vuông góc với đường giới hạn của mặt thóang
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 thóang.
Câu 22: Nguyên nhân của tượng dính ướt và không dính ướt giữa giọt nước và thuỷ tinh là do
A. Lực tương tác giữa các phân tử chất lỏng và chất rắn.
B. Bề mặt tiếp xúc.
C. Bề mặt khum lồi của chất lỏng.
D. Bề mặt khum lõm của chất lỏng.
Câu 23: Tại sao chiếc kim khâu có thể nổi trên mặt nước khi đặt nằm ngang?
A. Vì chiếc kim không bị dính ướt nước.
B. Vì khối lượng riêng của chiếc kim nhỏ hơn khối lượng của nước.
C. Vì trọng lượng của chiếc kim đè lên mặt nước khi nằm ngang không thẳng nổi lực đẩy Ác si mét.
D. Vì trọng lượng của chiếc kim đè lên mặt nước khi nằm ngang không thắng nổi lực căng bề mặt của nước tác dụng lên nó.
Câu 24: Lực căng mặt ngoài tác dụng lên một vòng kim loại đồng dài 50 mm được nhúng vào nước xà phòng là bao nhiêu? Biết hệ số căng bề mặt s = 0,040 N/m.
A. f = 0,001 N.
B. f = 0,002 N.
C. f = 0,003 N.
D. f = 0,004 N.
Câu 25: Một vòng nhôm mỏng có đường kính là 50mm và có trọng lượng P = 68.10-3N được treo vào một lực kế lò xo sao cho đáy của vòng nhôm tiếp xúc với mặt nước. Lực tác dụng để kéo bứt vòng nhôm ra khỏi mặt nước là bao nhiêu? biết hệ số căng bề mặt của nước là 72.10-3N/m và có hai mặt căng của chất lỏng.
A. 1,13.10-2N.
B. 2,26.10-2N.
C. 22,6.10-2N.
D. 10.10-2N.
