Giải bài tập SGK Vật lý 10 Bài 37 : Các hiện tượng bề mặt của chất lỏng

Mô tả hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng. Nói rõ phương, chiều của lực căng bề mặt.

Phương pháp giải

- Kết quả của hiện tượng căng bề mặt là làm cho vòng dây có dạng hình tròn. 

- Lực căng bề mặt có phương, chiều và độ lớn xác định

Hướng dẫn giải

- Khi phần màng xà phòng bên trong vòng dây chỉ bị chọc thủng

⇒ phần còn lại đã tự co lại để giảm diện tích tới mức nhỏ nhất, tác dụng lên vòng dây những lực kéo căng 

⇒ làm cho vòng dây có dạng hình tròn.

- Những lực kéo căng này gọi là lực căng bề mặt của chất lỏng.

- Lực căng bề mặt của chất lỏng có:

+ phương tiếp tuyến với mặt thoáng

+ chiều làm giảm diện tích mặt thoáng của chất lỏng

+ độ lớn: f = σ.l với σ là hệ số căng bề mặt (N/m)

Trình bày thí nghiệm xác định hệ số căng bề mặt của chất lỏng theo phương pháp kéo vòng kim loại bứt ra khỏi bề mặt của chất lỏng đó.

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được nội dung thí nghiệm theo phương pháp kéo vòng kim loại bứt ra khỏi bề mặt của chất lỏng

Hướng dẫn giải

- Nhúng một khung dây thép mảnh có buộc một vòng dây chỉ  vào trong nước xà phòng.

⇒ nhấc nhẹ khung dây thép ra ngoài

⇒ chọc thủng phần màng xà phòng ở giữa vòng dây chỉ

⇒ quan sát hình dạng của vòng dây này.

- Kết quả của thí nghiệm trên và nhiều thí nghiệm chứng tỏ: 

Lực căng bề mặt của chất lỏng có phương tiếp tuyến với mặt thoáng và vuông góc với đường giới hạn của mặt thoáng, có chiều sao cho tác dụng của lực này làm giảm diện tích mặt thoáng của chất lỏng.

Viết công thức xác định độ lớn của lực căng bề mặt của chất lỏng. Hệ số căng bề mặt phụ thuộc những yếu tố nào của chất lỏng?

Phương pháp giải

- Công thức: f = σl

- Hệ số căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ

Hướng dẫn giải

Lực căng bề mặt chất lỏng có:

- 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 = σl

Với σ hệ số căng bề mặt (N/m)

- Giá trị của σ phụ thuộc nhiệt độ: σ giảm khi nhiệt độ tăng.

Mô tả hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt chất lỏng. Bề mặt của chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có hình dạng như thế nào khi thành bình bị dính ướt?

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được định nghĩa và biểu hiện thực tế của hiện tượng dính ướt 

Hướng dẫn giải

- Nhỏ giọt nước lên tấm thủy tinh ta thấy nước bị lan rộng ra làm ướt bề mặt tấm thủy tinh

⇒ Ta nói nước làm dính ướt thủy tinh

- Nhỏ giọt nước lên lá khoai môn, giọt nước co tròn, dẹt xuống do sức nặng

⇒ Ta nói nước không làm dính ướt lá khoai môn.

- Bề mặt của chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lõm khi thành bình bị dính ướt.

Mô tả hiện tượng mao dẫn.

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được đặc điểm của hiện tượng ma dẫn

Hướng dẫn giải

- Nhúng ba ống thủy tinh có đường kính trong nhỏ khác nhau vào chậu nước.

- Kết quả: mực nước trong ống dâng cao hơn so với bề mặt nước ngoài ống . Ống có đường kính càng nhỏ. cột nước dâng lên càng cao hơn. Nếu nhúng vào chậu thủy ngân thì mực thủy ngân trong ống hạ thấp hơn so với bề mặt thủy ngân ngoài ống. Ống càng nhỏ, mực thủy ngân càng hạ thấp.

Câu nào dưới đây là không đúng khi nói về lực căng bề mặt của chất lỏng ?

A. Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt của chất lỏng.

B. Lực căng bề mặt luôn có phương vuông góc với bề mặt chất lỏng.

C. Lực căng bề mặt có chiều làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng.

D. Lực căng bề mặt tác dụng lên một đoạn đường nhỏ bất kì trên bề mặt chất lỏng có độ lớn f tỉ lệ với độ dài l của đoạn đường đó.

Phương pháp giải

Lực căng bề mặt của chất lỏng có phương vuông góc với đoạn đường này và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng

Hướng dẫn giải

- 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.

- Đáp án B.

Tại sao chiếc kim khâu có thể nổi trên mặt nước khi đặt nằm ngang?

A. Vì chiếc kim không bị dính nước.

B. Vì khối lượng riêng của chiếc kim nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.

C. Vì trọng lượng của chiếc kim đè lên mặt nước khi nằm ngang không thắng 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.

Phương pháp giải

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 nên kim nổi trên mặt nước

Hướng dẫn giải

- Chiếc kim khâu đặt nằm ngang trên mặt nước sẽ tạo ra một đoạn đường nhỏ trên bề mặt nước ⇒ lực căng mặt ngoài xuất hiện, có phương vuông góc với đường dọc biên cây kim, chiều hướng lên.

- Đồng thời trọng lực cây kim nhỏ, nên không thắng được lực căng bề mặt của nước

⇒ kim nổi trên mặt nước.

- Chọn D.

Câu nào dưới đây là không đúng khi nói về hiện tượng dính ướt và hiện tượng không dính ướt của chất lỏng?

A. Vì thủy tinh bị nước dính ướt, nên giọt nước nhỏ trên mặt bản thủy tinh lan rộng thành một hình có dạng bất kì.

B. Vì thủy tinh bị nước dính ướt, nên bề mặt của nước ở sát thành bình thủy tinh có dạng mặt khum lõm.

C. Vì thủy tinh không bị thủy ngân dính ướt, nên giọt thủy ngân nhỏ trên mặt bản thủy tinh vo tròn lại và bị dẹt xuống do tác dụng của trọng lực.

D. Vì thủy tinh không bị thủy ngân dính ướt, nên bề mặt của thủy ngân ở sát thành bình thủy tinh có dạng mặt khum lõm.

Phương pháp giải

Để trả lời câu này cần nắm được đặc điểm của hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Hướng dẫn giải

Bề mặt chất lỏng ở sát thành bình chứa nó có dạng mặt khum lõm khi thành bình bị dính ướt và có dạng mặt khum lồi khi thành bình bị dính ướt

=> Chọn D

Tại sao nước mưa không lọt qua được các lỗ nhỏ trên tấm vải bạt?

A. Vì tấm vải bạt bị dính ướt nước

B. Vì vải bạt không bị dính ướt nước

C. Vì lực căng bề mặt của nước ngăn cản không cho nước lọt qua các lỗ nhỏ của tấm bạt.

D. Vì hiện tượng mao dẫn ngăn cản không cho nước lọt qua các lỗ trên tấm bạt.

Phương pháp giải

Vì lực căng bề mặt của nước ngăn cản nên nước không lọt qua các lỗ nhỏ của tấm bạt

Hướng dẫn giải

- Nước mưa không bị lọt qua được các lỗ nhỏ trên tấm vải bạt vì lực căng bề mặt của nước ngăn cản không cho nước lọt qua các lỗ nhỏ của tấm bạt.

- Đáp án C.

Tại sao giọt dầu lại có dạng khối cầu nằm lơ lửng trong dung dịch rượu có cùng khối lượng riêng với nó?

A. Vì hợp lực tác dụng lên giọt dầu bằng không, nên do hiện tượng căng bề mặt , làm cho diện tích bề mặt của giọt dầu co lại đến giá trị nhỏ nhất ứng với diện tích mặt cầu và nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.

B. Vì giọt dầu không chịu tác dụng của lực nào cả, nên do hiện tượng căng bề mặt, diện tích bề mặt giọt dầu co lại đến giá trị nhỏ nhất ứng với diện tích của mặt hình cầu và nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.

C. Vì giọt dầu không bị dung dịch rượu dính ướt, nên nó nằm lơ lửng trong dung dịch.

D. Vì lực căng bề mặt của dầu lớn hơn lực căng bề mặt của dung dịch rượu, nên ón nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.

Phương pháp giải

Vì hợp lực tác dụng lên giọt dầu bằng không nên do hiện tượng căng bề mặt nó sẽ nằm lơ lửng trong dung dịch rượu.

Hướng dẫn giải

- Hai khối cùng thể tích, khối dạng hình cầu có diện tích mặt ngoài là nhỏ nhất.

- Vì vậy khi hợp lực tác dụng lên chất lỏng bằng không thì lực căng bề mặt làm cho khối chất có dạng hình cầu để giảm tối đa diện tích bề mặt thoáng.

- Chọn A.

Một vòng xuyến có đường kính ngoài là 44 mm và đường kính trong là 40 mm. Trọng lượng của vòng xuyến là 45 mN. Lực bứt vòng xuyến này ra khỏi bề mặt của glixerin ở 20^oC là 64,3 mN. Tính hệ số căng bề mặt của glixerin ở nhiệt độ này.

Phương pháp giải

- Lực bứt vòng xuyến tính theo công thức là:

\({F_b} = {f_c} + P\)

- Công thức tính lực căng bề mặt là: 

\({f_c} = {F_b} - P \)

- Đường giới hạn được tính bằng công thức:

\(l = \pi d + \pi D = \pi \left( {d + D} \right)\)

- Áp dụng công thức:

\({f_c} = \sigma l\) để tính hệ số căng bề mặt

Hướng dẫn giải

- Khi nhấc vòng xuyến lên, lực căng bề mặt của glixerin hướng xuống cùng hướng trọng lực P của vòng xuyến, do đó ta có lực bứt vòng xuyến này ra khỏi bề mặt của glixerin là: 

\({F_b} = {f_c} + P\)

=> Lực căng bề mặt của glixerin tác dụng lên vòng xuyến: 

\({f_c} = {F_b} - P = 64,3 - 45 = 19,3mN\) \( = {19,3.10^{ - 3}}N\)

- Đường giới hạn bằng tổng chu vi ngoài và chu vi trong của vòng xuyến:

\(l = \pi d + \pi D = \pi \left( {d + D} \right)\)

\(= 3,14.\left( {{{40.10}^{ - 3}} + {{44.10}^{ - 3}}} \right) = 0,26376\left( m \right)\)

- Áp dụng công thức tính lực căng bề mặt: 

\({f_c} = \sigma l\)

Ta có hệ số căng bề mặt của glixerin:

\(\sigma = \frac{{{f_c}}}{l} = \frac{{{{19,3.10}^{ - 3}}}}{{0,26376}} = 0,073\left( {N/m} \right)\)\( = {73.10^{ - 3}}\left( {N/m} \right)\)

Một màng xà phòng được căng trên mặt khung dây đồng mảnh hình chữ nhật treo thẳng đứng, đoạn dây đồng ab dài 50 mm và có thể trượt dễ dàng dọc theo chiều dài của khung (Hình 37.8).Tính trọng lượng P của đoạn dây ab để nó nằm cân bằng. Màng xà phòng có hệ số căng bề mặt σ = 0,040 N/m.

Phương pháp giải

Áp dụng công thức:

\(\begin{array}{l} P = {f_c}\: = \sigma l = \sigma .2.ab\\ \end{array}\) để tính trọng lượng P

Hướng dẫn giải

ab = 50 mm; σ = 0,04 N/m.

Đoạn dây ab nằm cân bằng khi trọng lượng của đoạn dây có độ lớn bằng lực căng bề mặt F_c của màng xà phòng tác dụng lên nó:

\(\begin{array}{l} P = {f_c}\: = \sigma l = \sigma .2.ab\\ = {0,04.2.50.10^{ - 3}} = {4.10^{ - 3}}N \end{array}\)