液體表面現(xiàn)象

1、關于液體的表面現(xiàn)象第一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 肥皂膜收縮把線拉成一個弧形，線被繃緊完整的肥皂膜刺破一邊后棉線第二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月打開閥門后?它們?yōu)槭裁纯梢云谒嫔系谌龔?，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4.1 液體的表面張力一、表面張力表面的厚度：分子有效作用距離, 10-9m現(xiàn)象：液面有收縮到最小的趨勢；液體的表面層中有一種使液面盡可能收縮成最小的宏觀張力。表面張力:說明：液面上存在沿表面的收縮力作用，這種力只存在于液體表面。 在液體與氣體的分界面處厚度等于分子有效作用半徑的那層液體稱為液體的表面。 第四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2

2、022年6月1.4.1 液體的表面張力表面的厚度：分子有效作用距離, 10-9m 在液體與氣體的分界面處厚度等于分子有效作用半徑的那層液體稱為液體的表面。 第五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、液體的表面現(xiàn)象 液體表面像張緊的彈性膜一樣，具有收縮的趨勢。 （1）毛筆尖入水散開，出水毛聚合；（2）蚊子能夠站在水面上；（3）鋼針能夠放在水面上；（4）荷花上的水珠呈球形；（5）肥皂膜的收縮； 液體表面具有收縮趨勢的力，這種存在于液體表面上的張力稱為表面張力。說明：力的作用是均勻分布的，力的方向與液面相切；液面收縮至最小。第六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表面張力系數(shù)從力的角度

3、定義AB(1)(2)ffAB(2)f(1)f 從做功的角度定義f fFF 做功為：S 指的是這一過程中液體表面積的增量，所以： 表示增加單位表面積時，外力所需做的功 稱為表面張力系數(shù)，表示單位長度直線兩旁液面的相互作用拉力，在國際單位制中的單位為 N m -1 。1、表面張力系數(shù)的定義Ff液膜二、表面張力 與分界線垂直并與液體表面相切。并且指向施力的液面一側。第七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月從表面能的角度定義 由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面張力，從而轉變?yōu)橐耗さ谋砻婺?E 儲存起來，即：所以： 表示增大液體單位表面積所增加的表面能2、影響表面張力系數(shù)的因素:（

4、1）不同液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、容易蒸發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。（2）同一種液體的表面張力系數(shù)與溫度有關，溫度越高，表面張力系數(shù)越小。（3）液體表面張力系數(shù)與相鄰物質的性質有關。（4）表面張力系數(shù)與液體中的雜質有關。 物質 水 水 水 汞 汞 界面物質 溫度 表面張力 空氣 20 72.8 空氣 40 69.6 醚 20 12.2 空氣 20 490 水 20 420 物質 菜油 乙醚 酒精 皂液 血液 界面物質 溫度 表面張力 空氣 20 27.3 空氣 20 17.0 空氣 20 22.3 空氣 20 25.2 空氣 37 40-50第八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月對于

5、肥皂膜，膜厚10-4 m ，肥皂膜有兩個表面的物理意義：數(shù)值上等于單位長度直線段兩側液面的表面張力表面張力系數(shù) 與分界線垂直并與液體表面相切。并且指向施力的液面一側。fAfBABlNM第九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月水的抗拉強度指水柱在斷裂前，單位面積上所承受的最大張力外力克服表面張力所需的功黏結功抗拉強度單位面積黏結力第十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表面張力微觀解釋液體表面是一個厚度等于分子引力的有效作用距離薄層表面張力是分子力所引起的表面層的分子比液體內部分子的勢能大第十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 表面張力的微觀本質是表面層分子之間相互作用力的

6、不對稱性引起的。 從能量的角度來解釋表面張力存在的原因。 分別以液體表面層分子A 和內部分子B為球心、分子有效作用距離為半徑作球（分子作用球）。 對于液體內部分子 B ，分子作用球內液體分子的分布是對稱的；ABB B 受力情況也是對稱的，所以沿各個方向運動的可能性相等。第十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 對于液體表面層的分子 A，分子作用球中有一部分在液體表面以外，分子作用球內下部液體分子密度大于上部； 當液體內部分子移動到表面層中時，就要克服上述指向液體內部的分子引力作功，這部分功將轉變?yōu)榉肿酉嗷プ饔玫膭菽?。所以液體表面層分子比液體內部分子的相互作用勢能大。 由勢能最小原則，在

7、沒有外力影響下，液體應處于表面積最小的狀態(tài)。宏觀上就表現(xiàn)為表面張力存在，與液面相切; A 所受合外力指向液體內部，因此有向液體內部運動的趨勢。AfL第十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 將質量為 m 的待測液體吸入移液管內，然后讓其緩慢地流出。 當液滴即將滴下時，表面層將在頸部發(fā)生斷裂。此時頸部表面層的表面張力均為豎直向上，且合力正好支持重力。 用附有目鏡測微尺的望遠鏡測得斷裂痕的直徑為 d ，移液管中液體全部滴盡時的總滴數(shù)為 n ，則每一滴液體的重量為：所受的表面張力為：則有即表面張力系數(shù)的測定（液滴測定法）第十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月則大水滴的面積為 例解設

8、小水滴數(shù)目為 n ，n 個小水滴的總面積為在融合過程中，小水滴的總體積與大水滴的體積相同，則 表面張力系數(shù) 求所釋放出的能量溶合過程中釋放的能量 半徑為r =210-3mm的許多小水滴融合成一半徑為R=2mm的大水滴時。(假設水滴呈球狀，水的表面張力系數(shù) =7310-3Nm-1在此過程中保持不變) 第十五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月與水接觸的油的表面張力系數(shù) a=1.810-2Nm-1 ，為了使 1.010-3 kg 的油滴在水內散布成半徑 r = 10-6m 小油滴，（散布過程可以認為是等溫的，油的密度為=900kgm-3）。 設一個半徑為R 的大油滴等溫地散布成N 個小油滴，

9、因而所需作的功為例解油的質量 m 不變，則求需要作多少功可得：第十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、彎曲液面下的附加壓強 （The additional pressure under a curved surface） 自然界中有許多情況下液面是彎曲的，彎曲液面內外存在一壓強差，稱為附加壓強, 用Ps 表示。附加壓強是由于表面張力存在而產生的。 rOORP外SP內S外部大氣壓力: P外S內部大氣壓力: P內S表面張力: f 球冠形液體元凸狀球形液面其中 為液面內側的壓強， 為液面外側的壓強。當球冠形液體元穩(wěn)定存在時第十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月df/dfdfrA

10、BCRdl球形液面的附加壓強公式推倒（附加壓強與表面張力系數(shù)、曲率半徑的定量關系）表面張力的合力為由于 ，所以第十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)ζ胶鈼l件，當球冠形液體元穩(wěn)定存在時整理得：即附加壓強表明： 球形彎曲液面的附加壓強與表面張力系數(shù)成正比， 與液面的曲率半徑成反比。 同理可以證明,對于凹形液面負號表示凹狀球形液面下液體內部壓強小于外部壓強。 rOORP外SP內S 球冠形液體元第十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月？對于水平液面，附加壓強為表面張力抵消第二十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 分析小薄層液片受力情況， 分析小薄層液片受力情況，表面張力的

11、合力 的方向與凸面法線方向相反，fsP0PsP內凹形液面：PsP內所以表面張力的合力方向不同，決定了 是 還是凸形液面：f所以表面張力的合力 的方向與凹面法線方向相反，ffP0s=P0+Ps=P0-Ps第二十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月RCAB【例】如圖所示球形液膜，內外半徑近似相等為R 。已知液體的表面張力系數(shù)為 ，求球形液泡內部壓強。（大氣壓為P0）解：液面外大氣壓為P0，在平衡狀態(tài)下，液膜外表面為凸液面，有液膜內表面為凹液面，有所以附加壓強為球形液泡內氣體的壓強為球形液膜，兩個球形面的半徑近似相等 第二十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 打開活塞后，兩肥皂泡將

12、如何變化？解:由肥皂泡內外氣體壓強差，有打開連通管后氣體將從B 流向 A。 由于 所以AB？（假設肥皂薄膜厚度為定值）那么形成 B 的肥皂薄膜最后會不會流經連通管，最后到達 A ？第二十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月在水下深度為h 處有一直徑d 的空氣泡。設水面壓強為大氣壓 P0、水密度 水、水的表面張力系數(shù)水。氣泡內空氣的壓強。解例求dhP0彎曲液面是如何形成的呢?第二十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月大小不同的所有肺泡維持正常呼吸的原因 由于大小氣泡是連通，按照拉普拉斯定律，如果肺泡內壁組織液層的表面張力系數(shù)不變，小氣泡附加壓強大，而大氣泡附加壓強小，小氣泡萎縮，

13、大氣泡則脹破。實際上這種現(xiàn)象并沒有發(fā)生，原因是肺泡內壁存在的表面活性物質，它調節(jié)大小肺泡的表面張力系數(shù)，從而使大小氣泡的壓強穩(wěn)定，使小氣泡不致萎縮，大氣泡不致過分膨脹，從而維持大小不同的所有肺泡進行正常呼吸。肺泡的表面張力系數(shù)的調節(jié)過程為：肺泡內壁上表面活性物質的量是不變的，吸氣時，肺泡擴張，表面積增大，表面活性物質的濃度相對減少，而使表面張力系數(shù)和附加壓強相應增大，對肺泡的擴大起抑制作用。呼氣時，肺泡收縮，表面積縮小，表面活性物質濃度相對增大，而使表面張力系數(shù)和附加壓強相應變小，對肺泡的收縮起抑制作用第二十五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、彎曲液面的附加壓強 表面張力的存在使彎

14、曲液面內外形成一個附加壓強。設液面為球面，圖上各量的意義導出附加壓強表面張力df分解df1和df2df1的合力表面張力對液體內部產生的附加壓強第二十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月凸液面氣液氣液氣液凹液面平液面肥皂泡 P0液 P PR第二十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、潤濕和不潤濕附著層：在液體與固體接觸面上厚度為液體分子有效作用半徑的液體層。是由附著層分子力引起的潤濕不潤濕內聚力：液體內部分子對附著層內液體分子的吸引力附著力：固體分子對附著層內液體分子的吸引力 潤濕和不潤濕決定于液體和固體的性質。1.4.2 毛細現(xiàn)象第二十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年

15、6月內聚力大于附著力A不潤濕內聚力小于附著力A潤濕 液體對固體的潤濕程度由接觸角來表示。接觸角：在液、固體接觸時，固體表面經過液體內部與液體表面所夾的角。 通常用q 來表示。液體潤濕固體；當 時，當 時，液體不潤濕固體；當 時，液體完全潤濕固體；當 時，液體完全不潤濕固體；q潤濕q不潤濕潤濕與不潤濕微觀解釋第二十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月從能量角度解釋不潤濕 對于附著層內任意一分子 A ，當內聚力大于附著力時， A 分子受到的合力 f 垂直于附著層指向液體內部。Af 液體固體 液體分子從液體內部運動到附著層內必須反抗 f 做功（即分子勢能增大），附著層內分子勢能比液體內部分子

16、勢能大。 根據平衡態(tài)勢能最小的原則，附著層內的分子要盡量擠入液體內（即盡量處于低勢能態(tài)），結果附著層收縮，表現(xiàn)為液體不潤濕固體。第三十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 當內聚力小于附著力時，附著層內的分子 A 受到的合力 f 垂直于附著層指向固體表面。從能量角度解釋潤濕Af 液體固體 液體分子從液體內部運動到附著層內分子間作用力做正功（即分子勢能減?。沟酶街鴮觾确肿觿菽鼙纫后w內部分子勢能小。 液體內部的分子要盡量擠入附著層，結果附著層擴展，表現(xiàn)為液體潤濕固體。第三十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、毛細現(xiàn)象 將細的管插入液體中，如果液體潤濕管壁，液面成凹液面，液體將

17、在管內升高；如果液體不潤濕管壁，液面成凸液面，液體將在管內下降。這種現(xiàn)象稱為毛細現(xiàn)象。hh能夠產生毛細現(xiàn)象的細管稱為毛細管。第三十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1、毛細現(xiàn)象產生的原因 毛細現(xiàn)象是由于潤濕或不潤濕現(xiàn)象和液體表面張力共同作用引起的。 固體液體如果液體對固體潤濕，則接觸角為銳角。 固體液體h如果液體對固體不潤濕，則接觸角為銳角。 h 容器口徑非常小，附加壓強的存在將使管內液面升高，產生毛細現(xiàn)象。 容器口徑很小，附加壓強的存在將使管內液面降低，產生毛細現(xiàn)象。第三十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2 管內液面上升（或下降）的高度 (1)液體潤濕管壁 毛細管剛插入

18、水中時，管內液面為凹液面，PD = P0 ,PC P0 , D、C 為等高點，但PC PD ，所以液體不能靜止，管內液面將上升，直至PD =PC 為止：第三十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月設管內液面為一半徑為 R 的凹球面附加壓強為：即2、毛細管中液面上升或下降的高度 如圖，一截面半徑為 r 的毛細圓管，液體潤濕管壁，接觸角為q 。由幾何關系可知：RCBAr又且得：h若液體不潤濕管壁，則可得： 潤濕管壁的液體在毛細管中上升的高度與液體的表面張力系數(shù)成正比，與毛細管的截面半徑成反比。管內液面下降。在完全潤濕或完全不潤濕的情況下， = 0 或 = ，則： 第三十五張，PPT共五十五頁

19、，創(chuàng)作于2022年6月F表面張力向上的分量與液柱重力平衡得第三十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月氣體拴塞現(xiàn)象 如果讓液體流動起來，表面會有什么變化呢？ 如圖所示的實驗裝置，當活塞不施加壓強（ 假設活塞下的氣柱中壓強為大氣壓P0 ）時，即 給活塞施加壓強并逐漸增大，發(fā)現(xiàn)當施加的壓強很小時，液面并不降低，只是液面的曲率半徑變小了。只有當壓強增加到一定程度液面才下降。 這是由于液體具有黏滯性，當給活塞施加一較小壓強時，只是凹形液面的曲率半徑變小了，附加壓強增大， 液面下壓強仍然能夠保持不變，即液面不下降。第三十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 逐漸增大右端的壓強，剛開始液滴并

20、不移動，只是右液面的曲率半徑減??；只有當壓強增量超過一定的限度 時，液滴才開始移動。這種現(xiàn)象對生物毛細管中液體的流動有影響。 如圖，PPPP PP如果毛細管中有 n 個液滴，根據上述討論，如果最左邊彎液面處壓強為 P ； 同理，要使第二個液滴移動，第二個氣泡中的壓強必須必須大于 P + 2P 。P +PP + 2P如果要使這 n 個液滴移動，則最右端必須施以大于P + nP 的壓強。P + 3PP + nP 當液體在毛細管中流動時，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體的流動會受阻，如果氣泡產生得多了，就會堵住毛細管，使液滴不能流動。這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞現(xiàn)象。第三十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月

21、氣體栓塞現(xiàn)象的危害舉例：（1）靜脈注射或肌肉注射時要將針管中得氣體排除后再注射；（2）當環(huán)境氣壓突然降低時，人體血管中溶解的氣體因為溶解度下降而析出形成氣泡；比如潛水員從深海迅速上升到水面時容易造成血栓而致命。（3）在溫度升高時，植物體內的水分也會析出氣體，形成氣泡堵塞毛細管，使部分枝葉的水分或營養(yǎng)缺乏而枯萎。土壤孔隙中的毛管水毛細永動機能否制造出來？植物水分的輸運機制第三十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月毛細永動機能否制造出來？由 可知： 液體沿毛細管（液體潤濕管壁）“自動地”上升的 如果毛細管的實際高度 h0 比液體上升的高度 h 小，液體能否自動從管子中流出來形成“毛細永動機

22、”？高度似乎與毛細管的實際高度沒有關系。h實際上，毛細永動機是不可能存在的。P0AP0液體潤濕管壁會產生一定的接觸角q ，形成凹形液面，從而產生一定的附加壓強，即 A 點的壓強為 ，在大氣壓的作用下，液面會上升；如果毛細管露出水面的長度足夠，液面會上升 。第四十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月hP0A 如果毛細管露出水面的長度 h0 第四十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 植物水分的運輸機制現(xiàn)在對植物水分向上運輸機制由三種觀點：1、毛細作用 植物體內的主要輸水管道木質部導管是一個典型的毛細管系統(tǒng)，它由許多喪失了原生質的死細胞構成，直徑約為 0.04mm 0.05mm。玉米

23、莖的橫切面構造多年生植物（朱槿）莖的橫切面構造第四十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 室溫條件下，水的表面張力系數(shù)約為a = 73103 Nm-1，取毛細管的半徑 r =0.02 mm ，假設水完全潤濕毛細管壁，得： 這個結論似乎說明對于低矮的植物靠毛細現(xiàn)象就可以滿足水分向上運輸?shù)男枰?實際上植物導管的上端并不是敞開的（與上述毛細管模型不同），導管中從上到下均充滿了水分，而且毛細現(xiàn)象無法滿足稍高的植物的輸水需要，更不要說參天大樹了。因此，植物水分上運輸應該還有別的機制。第四十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、滲透作用 在生命系統(tǒng)中有許多膜相結構都是半透膜，如細胞膜、

24、動物的膀胱、腸衣等，它們都存在滲透現(xiàn)象。 如圖所示的 U 形管底部有一半透膜 MN 將糖溶液分成兩個濃度不同的區(qū)域，左側濃度高，右側濃度低。 半透膜只允許小分子通過，而不允許糖類分子、蛋白質分子等大分子通過，這一特性將使左右兩邊水的濃度相等。MNH2O 溶質濃度低相當于水的濃度高，溶質濃度高相當于水的濃度低，所以水分子將通過半透膜向溶質濃度高的區(qū)域擴散，這種現(xiàn)象稱為滲透現(xiàn)象。由于滲透作用，U 形管左側液面將升高，右側液面將降低； 必須在左側液面施加一個壓強 P 才能使左右液面平齊，這個壓強稱為滲透壓。P第四十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月實驗證明，早春時節(jié)楓樹中糖溶液的向上運輸就是滲透壓造成的。 在早春，楓樹根系中積累了頭年夏天制造的高濃度糖溶液。土壤解凍時水分通過滲透作用進入根系，迫使樹液上升，直到滲透壓等于樹液液柱產生的壓強為止。滲透壓可以使樹液上升到 30m 以上的高