1液体的表面张力.ppt

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1、热热学学讲课顺序：讲课顺序：1、按照竞赛真题题型来讲、按照竞赛真题题型来讲 抓住重点、突破难点抓住重点、突破难点 2、新增内容、新增内容 真题研究：真题研究：1、题目的构成、题目的构成 2、包含的概念、规律、方法、包含的概念、规律、方法 3、重点难点、重点难点 4、易错点、易错点 5、拓展点、拓展点表面张力现象表面张力现象为什么水面上的小昆虫能在水面上行走，而不会沉入水中？牛奶滴落在盘中的瞬间飞溅情形，呈现球状，在盘上方的牛奶呈现近乎完美的球形？表面张力的演示实验（表面张力的演示实验（1）圆形金属框上沾有肥皂泡沫，若将膜面上的棉线圈内部的圆形金属框上沾有肥皂泡沫，若将膜面上的棉线圈内部的膜戳破

2、，那么棉线圈将被液体的表面张力拉成圆形；膜戳破，那么棉线圈将被液体的表面张力拉成圆形；表面张力的演示实验（表面张力的演示实验（2）橄橄榄榄油油滴滴浮浮在在同同密密度度的的水水和和酒酒精精的的混混合合液液体体中中，由由于于表表面面张张力力的的作用，油滴形成作用，油滴形成完美的球形完美的球形。一、表面张力一、表面张力1.1.现象：现象：说说明明：液液面面上上存存在在沿沿表表面面的的收收缩缩力力作作用用，这这种种力力只存在于液体表面。只存在于液体表面。(2).(2).液面像紧绷的弹性薄膜。液面像紧绷的弹性薄膜。(1).(1).液体表面有收缩到最小的趋势；液体表面有收缩到最小的趋势；2.2.表面张力表

3、面张力(1)(1)表表面面层层：在在液液体体与与气气体体交交界界面面，厚厚度度等等于于分分子有效作用距离子有效作用距离(=10-8 m)的一层液体。的一层液体。(2)(2)表表面面张张力力：液液体体的的表表面面层层中中有有一一种种使使液液面面尽尽可能收缩成最小的宏观张力。可能收缩成最小的宏观张力。分子力观点：分子力观点：表表面面张张力力是是由由于于液液体体表表面面层层内内分分子子间间相相互互作用与液体内部分子间相互作用不同。作用与液体内部分子间相互作用不同。(3)(3)表面张力产生的微观本质表面张力产生的微观本质任任何何系系统统的的势势能能越越小小越越稳稳定定，所所以以表表面面层层内内的的分分

4、子子有有尽尽量量挤挤入入液液体体内内部部的的趋趋势势，即即液液面面有有收收缩缩的的趋趋势势，使使液液面面呈紧张状态，宏观上就表现为液体的表面张力。呈紧张状态，宏观上就表现为液体的表面张力。体积一定体积一定,球体的表面积最小球体的表面积最小;从能量观点来分析从能量观点来分析u把分子从液体内部移到表面层，需克服把分子从液体内部移到表面层，需克服 f 作功作功;外力外力作功作功,分子势能增加分子势能增加,即即表面层内分子的势能比液体内表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大，表面层为高势能区部分子的势能大，表面层为高势能区;设设想想在在液液面面上上画画一一条条直直线线段段，线线段段两两侧侧液液面面均

5、均有有收收缩缩的的趋趋势势，即即有有表表面面张张力力作作用用，该该力力与与液液面面相相切切,与与线线段段垂垂直直，指指向向各各自自的的一一方方,分分别别用用F 和和F表表示示，这这恰恰为为一一对对作作用用力力与与反反作作用力，用力，F=-F。(4).(4).表面张力系数（定义一）表面张力系数（定义一）为为表表面面张张力力系系数数，表表示示液液体体表表面面单单位位长长度度直直线线段段上的表面张力，单位：上的表面张力，单位：N/m 。由由于于线线段段上上各各点点均均有有表表面面张张力力作作用用,线线段段越越长长,则合力越大。设线段长为则合力越大。设线段长为 l,则：则：F =l。如如图图所所示示，

6、铁铁丝丝框框上上挂挂有有液液膜膜，表表面面张张力力系系数数为为 ，将将AB边边无无摩摩擦擦、匀匀速速、等等温温地地右右移移x，在在AB边边上上加加的的力力为为：F=2=2 l ，则则在在这这个个过过程程中中外外力力F 所所做的功为做的功为:其其中中S S=2lx ,是是AB 向向右右移移动动过过程程中中液液面面面面积积的的增增量量。外外力力克克服服分分子子间间引引力力做做功功，液液体体表表面面能能增增加加，若若用用E 表表示示表表面能增量，则：面能增量，则：表表面面张张力力系系数数在在数数值值上上等等于于增增加加单单位位液液体体表表面面积积时时，外外力力所所需需做做的的功功，或或增增加加单单位

7、位液液体体表表面面积积时时，所所增增加加的的表表面面能能比比表表面能面能；(5).(5).表面张力系数与表面能增量（定义二）表面张力系数与表面能增量（定义二）二：附加压强的产生二：附加压强的产生 在在液液体体表表面面上上取取一一小小面面积积S,由由于于液液面面水水平平，表表面面张张力力沿沿水水平平方方向向，S 平平衡衡时时，其其边边界界表表面面张张力相互抵消力相互抵消,S 内外压强相等：内外压强相等：PB=PAAB 1.1.平液面平液面2.2.液面弯曲液面弯曲1)凸凸液液面面时时，如如图图 S周周界界上上表表面面张张力力沿沿切切线线方方向向，合合力力指指向向液液面面内内，S好好象象紧紧压压在在

8、液液体体上上，使使液液体体受受一一附附加加压压强强ps，由由力力平平衡衡条条件件，液液面面下液体的压强：下液体的压强：ps为正为正;附加压强使得液体内部压强大于外部压强。附加压强使得液体内部压强大于外部压强。AB 2）凹凹液面液面时，如图时，如图 S周界周界上表面张力的合力指向外上表面张力的合力指向外部，部，S好象被拉出，液面好象被拉出，液面内部压强小于外部压强，内部压强小于外部压强，液面下压强：液面下压强：总之：附加压强使弯曲液面内外压强不等，与液面总之：附加压强使弯曲液面内外压强不等，与液面曲率中心同侧的压强恒大于另一侧，曲率中心同侧的压强恒大于另一侧，任何弯曲液面都对液体产生附加压强；任

9、何弯曲液面都对液体产生附加压强；附加压强方向恒指向弯曲液面的曲率中心；附加压强方向恒指向弯曲液面的曲率中心；A B 三、球形液面的附加压强三、球形液面的附加压强-拉普拉斯公式拉普拉斯公式设设有有一一半半径径为为R的的球球形形液液滴滴，其其表表面面张张力力系系数数为为，是是凸凸液液面面，则则液液滴表面层内外的压强滴表面层内外的压强:lp内内P外外r l R F F/F n在在液液体体表表面面，取取微微小小球球冠冠形形液液体体元元，球球冠冠的的边边缘缘线线l存存在在表表面面张张力力F，沿球冠表面切线方向。，沿球冠表面切线方向。n由于球冠很小，忽略其重力。由于球冠很小，忽略其重力。n受力分析：受力分

10、析：表面张力Fn沿沿边边缘缘线线一一周周，F/相相互互抵抵消消，作作用用在在球球冠冠边边缘缘线线上上 的的表表面面张张力力的的合合力为：力为：n受力平衡受力平衡：附加压强：附加压强：球形液面附加压强公式球形液面附加压强公式l球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与球面半径球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与球面半径R成反比。成反比。l适用于适用于任何液面任何液面：球面、半球面、凹凸面，：球面、半球面、凹凸面，R是液面处的曲率半径；是液面处的曲率半径；l半径越小，附加压强越大；半径越大，附加压强越小；半径越小，附加压强越大；半径越大，附加压强越小；l半径无限大时，附加压强等于零，这正是半径无

11、限大时，附加压强等于零，这正是水平液面水平液面的情况。的情况。拉普拉斯公式拉普拉斯公式四四.球形液泡的球形液泡的内、外压强差内、外压强差 如图如图,由于球形由于球形液泡液泡很薄，有内很薄，有内外两个表面，内外膜半径近似相外两个表面，内外膜半径近似相等，设等，设A、B、C 三点压强分别为三点压强分别为PA、PB、PC ，则，则：l液泡内压强大于液泡外压强，并与半径成反比。液泡内压强大于液泡外压强，并与半径成反比。l同样处在大气压下，液泡半径越小，内外的压强同样处在大气压下，液泡半径越小，内外的压强差越大差越大;补补充充：向向带带有有活活塞塞的的三三通通玻玻璃璃管管吹吹气气使使两两端端分分别别挂挂

12、上上大大小小不不一一的的肥肥皂皂泡泡，旋旋转转活活塞塞使使两两气气泡泡连连通通，观观察气泡的变化察气泡的变化?l 发现小泡将越来越小，大泡越胀发现小泡将越来越小，大泡越胀越大。这就是小泡的附加压强大于越大。这就是小泡的附加压强大于大泡的附加压强的缘故。大泡的附加压强的缘故。补补充充例例4 如如图图，在在内内半半径径r0.3mm的的细细玻玻璃璃管管中中注注水水，一一部部分分水水在在管管的的下下端端形形成成一一凸凸液液面面，其其半半径径为为3mm，管管中中凹凹液液面面的的曲曲率率半半径径与与毛毛细细管管的的内内半半径径相相同同。求求管管中中所所悬悬水水柱柱的的长长度度h。设水的表面张力系数设水的表

13、面张力系数 73 10-3 Nm.润湿润湿:液体沿固体表面液体沿固体表面延展的现象，称延展的现象，称液体润液体润湿固体湿固体。(水水玻璃玻璃)五、润湿与不润湿五、润湿与不润湿1.定义定义不润湿：不润湿：液体在固体表面液体在固体表面上收缩的现象，称上收缩的现象，称液体不液体不润湿固体润湿固体。(水水石蜡石蜡)润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。内聚力内聚力：附着层内分子所受附着层内分子所受液体液体 分子引力之和。分子引力之和。2.微观解释微观解释润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。附着力：附着力：附着

14、层内分子所受附着层内分子所受固体固体 分子引力之和。分子引力之和。附着层：附着层：在固体与液体接触处，厚度等于液体在固体与液体接触处，厚度等于液体 或固体分子有效作用半径或固体分子有效作用半径（以大者为准）的一（以大者为准）的一层液体。层液体。(2)(2)当当 f附附 f内内,A 分子所受合力分子所受合力 f 垂直垂直于附着层指向固体，于附着层指向固体，液体内部分子势液体内部分子势能大于附着层中分子势能，能大于附着层中分子势能，液体内的液体内的分子尽量挤进附着层，使附着层扩展，分子尽量挤进附着层，使附着层扩展，宏观上表现为宏观上表现为液体润湿固体液体润湿固体。在液体与固体接触面的边界处，作液体

15、表面及在液体与固体接触面的边界处，作液体表面及固体表面的切线，这两切线通过固体表面的切线，这两切线通过液体内部液体内部的夹角称的夹角称接触角接触角，用，用 表示。表示。3.接触角接触角 OO注意：注意：两切线通过两切线通过液体内部液体内部的夹角称的夹角称接触角接触角 六、毛细现象六、毛细现象水在细玻璃管中水面上升；水在细玻璃管中水面上升；水银在玻璃管中液面下降；水银在玻璃管中液面下降；1.1.毛细现象毛细现象润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体在细润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体在细管里下降的现象。管里下降的现象。原因：表面张力及润湿、不润湿。原因：表面张力及润湿、不润湿。

16、细管称毛细管。细管称毛细管。毛细管：纸张、灯芯、纱布中的纤维、土壤、植物的根茎等毛细管：纸张、灯芯、纱布中的纤维、土壤、植物的根茎等2.2.管内液面上升（或下降）的高度管内液面上升（或下降）的高度 (1)1)液体润湿管壁液体润湿管壁半径为半径为r的毛细管刚插入水中时，的毛细管刚插入水中时，为锐角为锐角,管内液面为凹液面，管内液面为凹液面，PC=P0 ,PB P0 ,B、C 为等高点，但为等高点，但PB0,液面上升液面上升h0,液面下降液面下降补充例题补充例题,如如图图,盛盛有有水水的的U形形管管中中，细细管管的的内内半半径径rA=5.0 10-5m，粗粗管管的的内内半半径径rB2.0 10-4

17、m。设设水水能能完完全全润润湿湿玻玻璃璃管管壁壁，且巳知水的表面张力系数且巳知水的表面张力系数73 10-3Nm,试求左右两管水面的高度差试求左右两管水面的高度差h。气体栓塞现象和悬着水气体栓塞现象和悬着水毛细现象在科学技术和日常生活中都有着重要作用。l在工程技术中利用毛细管现象可使润滑油通过孔隙进入机器零件中润滑机器；l动动物物体体内内的的微微血血管管及及植植物物体体内内的的导导管管都可视为很细的毛细管，故毛细现象在生理学的研究中亦起着很重要的作用。一、毛细管的气体栓塞现象一、毛细管的气体栓塞现象 如图，毛细管中有一段液体，液体左右两端压强相等如图，毛细管中有一段液体，液体左右两端压强相等,

18、形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动，形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动，则在左侧加一压则在左侧加一压强强P，这时两侧液面形状改变，右侧曲率半径增大，这时两侧液面形状改变，右侧曲率半径增大,左侧左侧曲率半径减小，产生向左的附加压强差曲率半径减小，产生向左的附加压强差 ps来抵抗来抵抗P ,当当P 达到一定程度时，液柱才能移动。达到一定程度时，液柱才能移动。当当毛毛细细管管中中有有很很多多气气泡泡，则则外外加加几几个个大大气气压压都都不不能能使使液液柱柱移移动动，形形成成栓栓塞塞,称称气气体栓塞现象体栓塞现象。pppP+p（1 1）肌注、输液、输血时要防止气泡进入。）肌注、输液、输血时要防止气泡进

19、入。3 3、要注意避免气体栓塞、要注意避免气体栓塞（2 2）人员从高压环境中脱离时（如：潜水）人员从高压环境中脱离时（如：潜水员由深水上浮），应采取减压缓冲措施，避员由深水上浮），应采取减压缓冲措施，避免血管中气泡形成。免血管中气泡形成。（3 3）植植物物体体内内输输送送营营养养液液的的导导管管很很细细，若若温温度度突突然然升升高高，溶溶解解在在液液汁汁中中的的气气体体会会析析出出形形成成气气泡泡，导导管管栓栓塞塞，一一部部分分枝枝叶叶因因缺缺乏乏营营养养液的补充而凋萎。液的补充而凋萎。小小 结结一、表面张力一、表面张力1.表面张力表面张力:f =l 2.表面能表面能:二、弯曲液面的附加压强二

20、、弯曲液面的附加压强1.平液面平液面:2.2.凸液面凸液面:3.3.凹液面凹液面:4.4.单球形液面单球形液面:5.5.球形液泡球形液泡:三、润湿与不润湿三、润湿与不润湿四、毛细现象四、毛细现象(1)1)液体润湿管壁液体润湿管壁:(2(2)液体不润湿管壁液体不润湿管壁:2、同一液体的两个球形膜碰在一起后形、同一液体的两个球形膜碰在一起后形成如图所示的对称连体膜，连体膜的两个成如图所示的对称连体膜，连体膜的两个球面（实为超过半球面的部分球面）的半球面（实为超过半球面的部分球面）的半径均为径均为R，中间圆膜半径为，中间圆膜半径为r，圆膜边缘恰，圆膜边缘恰好为一匀质柔软细线所占。已知液体的表好为一匀

21、质柔软细线所占。已知液体的表面张力系数为面张力系数为，不计重力，试求细线中的，不计重力，试求细线中的张力张力T。3、在水平放置的洁净的平玻璃板上倒入一些水银，由在水平放置的洁净的平玻璃板上倒入一些水银，由于重力与表面张力的影响，水银于重力与表面张力的影响，水银近似呈圆饼形状（侧面向外突出），过圆饼轴线的竖直近似呈圆饼形状（侧面向外突出），过圆饼轴线的竖直截面如图所示，为了计算方便，水截面如图所示，为了计算方便，水银和玻璃的接触角可按银和玻璃的接触角可按1800计算，已知水银的密度计算，已知水银的密度=13.6103kg/m3，水银的表面张力系数，水银的表面张力系数=0.49N/m，当圆饼的半径很大时，试估算其厚度，当圆饼的半径很大时，试估算其厚度h的数的数值大约是多少？（取值大约是多少？（取1为有效数字）为有效数字）