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1、第第3 3章章 液体的表面现象液体的表面现象也许你曾经留意也许你曾有所思为什么毛笔出水自聚合植物叶面水成滴蚊子站立水面上钢针水上不沉落气球越吹越省力肥皂溶水起泡膜秋冬多有雾弥漫清晨常见地潮湿上述现象皆有因本章内容道根底毛细管中水升位纸张见水便润湿1 与与固体固体接触的液体表面存在接触的液体表面存在润湿和不润湿现象润湿和不润湿现象；上述两种现象使得细管（即上述两种现象使得细管（即毛细管毛细管）中的液体有）中的液体有毛细现象毛细现象。 与与气体气体接触的液体表面存在接触的液体表面存在表面张力现象表面张力现象，从而使弯曲液，从而使弯曲液面内外有面内外有附加压强差附加压强差；液体的表面液体的表面表面层
2、表面层液体与气体的分界面液体与气体的分界面液体与另一种液体的分界面液体与另一种液体的分界面附着层附着层液体与固体的分界面液体与固体的分界面23.1 液体的表面液体的表面张张力力3.2 弯曲液面的附加弯曲液面的附加压压强强3.3 毛毛细现细现象象3.4 蒸蒸发发与凝与凝结结 本章内容：本章内容：33.1 液体的表面张力液体的表面张力一、液体的微观结构一、液体的微观结构 液体液体分子间作用力分子间作用力显著。显著。宏观上表现为宏观上表现为不易压缩性不易压缩性。液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动。液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动。 液体分子在每一个平衡位置上振动的时间。液体分子在每
3、一个平衡位置上振动的时间。分子的定居时间：分子的定居时间：不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同。不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同。 在液体与气体的在液体与气体的分界面处分界面处厚度等于厚度等于分子有效作用半径分子有效作用半径的那的那层液体称为层液体称为液体的表面层液体的表面层。 当外力作用时间当外力作用时间 定居时间定居时间表现为液体的流动性表现为液体的流动性 当外力作用时间当外力作用时间 0 还是还是 Ps 0凸形液面：凸形液面：s s所以所以表面张力的合力表面张力的合力 s s合合 的方向与凹面法线的方向与凹面法线方向相反，方向相反，s ss sP0s=P0+Ps=P0
4、-Ps即即18二、球形液面的附加压强二、球形液面的附加压强ds s/ds sds sr（附加压强与表面张力的定量关系）（附加压强与表面张力的定量关系）作用在作用在 dl 液块上的表面张力液块上的表面张力表面张力的合力为表面张力的合力为由于由于 ，所以所以得得 球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。曲率半径成反比。 同理可以证明同理可以证明,对于凹形液面对于凹形液面如图，如图，dlABCRO19如果液面外大气压为如果液面外大气压为 P0 ，在平衡状态下，在平衡状态下，凸球形凸球形液面内液体压强为液面内液体压强为凹球
5、形凹球形液面内液体压强为液面内液体压强为弯曲液面的附加压强为作用在弯曲液面的附加压强为作用在单位面积上单位面积上的表面张力的合力。的表面张力的合力。R球形液膜球形液膜，两个球形面的半径近似相等，两个球形面的半径近似相等 CAB液膜外表面为凸液面，有液膜外表面为凸液面，有液膜内表面为凹液面，有液膜内表面为凹液面，有附加压强为：附加压强为：球形液滴球形液滴内液体的压强为内液体的压强为则则球形液膜球形液膜内气体的压强为内气体的压强为20一肥皂泡的直径为一肥皂泡的直径为 5 cm，其表面张力系数为，其表面张力系数为 2510-3Nm-1。解解P内内P外外 由题意，得：由题意，得：则则例例试计算肥皂泡内
6、的试计算肥皂泡内的计示压强计示压强。( (即泡内压强与大气压强之差即泡内压强与大气压强之差) ) 求求21解解例例求求 如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一小两个液泡。（假设肥皂薄膜厚度为定值）一小两个液泡。（假设肥皂薄膜厚度为定值）如果打开连通管，气体会怎么运动？如果打开连通管，气体会怎么运动？肥皂泡内气体压强为肥皂泡内气体压强为打开连通管后打开连通管后气体将从气体将从B 流向流向 A 。 由于由于 所以所以那么形成那么形成 B 的肥皂薄膜最后会不会流经连通管，完全到达的肥皂薄膜最后会不会流经连通管，完全到达 A?22已已知知
7、直直径径d = 0.01 mm 的的空空气气泡泡在在水水下下的的深深度度 h = 20 cm 处处，设设水水面面压压强强为为大大气气压压 P0 = 1.013105 Pa ，已已知知水水的的密密度度 r r = 103 kgm-3 ，水的表面张力系数，水的表面张力系数 a a = 7210-3 Nm-1 。解解h气气水水由题意得：由题意得：而而所以所以例例求求气泡内空气的压强。气泡内空气的压强。233.3 毛细现象毛细现象一、润湿和不润湿一、润湿和不润湿附着层：附着层：在液体与固体接触面上厚度为在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径液体分子有效作用半径的的液体层。液体层。取决液体和固体
8、的性质取决液体和固体的性质润湿润湿不润湿不润湿内聚力：内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：附着力：固体分子对附着层内液体分子的吸引力固体分子对附着层内液体分子的吸引力 润湿和不润湿是由润湿和不润湿是由附着层附着层分子力引起的分子力引起的。24内聚力内聚力大于大于附着力附着力A不润湿不润湿内聚力内聚力小于小于附着力附着力A润湿润湿 液体对固体的润湿程度由液体对固体的润湿程度由接触角接触角来表示。来表示。接触角：接触角：在液、固体接触时，固体表面在液、固体接触时，固体表面经过液体内部经过液体内部与液体表与液体表面所夹的角。面所夹的角。通常用通
9、常用 来表示。来表示。液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，当当 时，时，液体液体不润湿不润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全润湿完全润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全不润湿完全不润湿固体；固体； 润湿润湿 不润湿不润湿附着层附着层附着层附着层25二、毛细现象二、毛细现象 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为将在管内下降。这种现象称为毛细现象毛细现象。hh能够产生毛细现象的
10、细管称为能够产生毛细现象的细管称为毛细管。毛细管。261、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因 毛细现象毛细现象是由于是由于润湿或不润湿现象润湿或不润湿现象和和液体表面张力液体表面张力共同作共同作用引起的。用引起的。 固固体体液体液体如果如果液体对固体润湿液体对固体润湿，则接触角为则接触角为锐角锐角。 固固体体液体液体h如果如果液体对固体不润湿液体对固体不润湿，则接触角为则接触角为钝角钝角。 h 容器口径很小，附加压强的存在将容器口径很小，附加压强的存在将使使管内液面升高管内液面升高，产生，产生毛细现象毛细现象。 容器口径很小，附加压强的存在容器口径很小，附加压强的存在将使将使管内液面降低管
11、内液面降低，产生，产生毛细现象毛细现象。27设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面的凹球面附加压强为：附加压强为：即即2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面上升或下降的高度 如图，一截面半径为如图，一截面半径为 r 的毛细圆管，液的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为体润湿管壁，接触角为 。由几何关系可知：由几何关系可知：RCBAr又又且且得：得：h 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。28讨论讨论(1) 若液体不润湿管壁，则若液体不润
12、湿管壁，则可得可得：管内液面管内液面下降下降。h(2) 在完全润湿或完全不润湿的情况下，在完全润湿或完全不润湿的情况下， = 0 或或 = ，则：，则： (3) 毛细管内径越小，毛细管内径越小， a a 越大，越大，h 的绝对值越大。的绝对值越大。 毛细管能提升水位到一定高度，其不可毛细管能提升水位到一定高度，其不可以用从毛细管流出的水做功而设计出毛以用从毛细管流出的水做功而设计出毛细管永动机吗？细管永动机吗？唉！唉！29三、三、 毛细作用的典型实例毛细作用的典型实例(1) 土壤毛细水土壤毛细水ABh 土壤颗粒对水的吸附作用而使水润湿土粒并在表土壤颗粒对水的吸附作用而使水润湿土粒并在表面形成一
13、层水膜，称为面形成一层水膜，称为吸附水吸附水，难以被植物吸收；，难以被植物吸收； 由于毛细管作用而在空隙中形成由于毛细管作用而在空隙中形成“楔形楔形”弯液面，处在空隙中的弯液面，处在空隙中的“楔形楔形”水称为水称为毛管水毛管水，不易流失而且容易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义。，不易流失而且容易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义。h0，悬浮水。，悬浮水。中午中午A减小，毛细水下降。减小，毛细水下降。清晨清晨A增加，毛细水上升。增加，毛细水上升。30 夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；而在土壤较深层温度较高，水的表面张力系数较小，而在土壤较
14、深层温度较高，水的表面张力系数较小，水分会沿毛细管上移。所以水分会沿毛细管上移。所以拂晓时分土壤表层水分拂晓时分土壤表层水分含量高于正常水平含量高于正常水平。保持土壤水分保持土壤水分是农业增产的一个重要问题。是农业增产的一个重要问题。 对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。为了保持土壤中气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。为了保持土壤中适当的含水量：适当的含水量： (1) 增加腐殖质增加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管
15、不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管水的贮量；水的贮量；(2) 温室中通常以温室中通常以渗流灌溉渗流灌溉并对土壤含水量进行适时监控；并对土壤含水量进行适时监控； (3) 对于田间耕种，对于田间耕种，旱田播种后把地表压实旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之间形成较好可以使土壤颗粒之间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天则应把土壤翻松冬天则应把土壤翻松，破坏土壤的毛细，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。31(2) 毛细永动机能否制造出来？毛细永动机能否制造出来？由由 可知：可知： 液体沿毛细管
16、（液体润湿管壁）液体沿毛细管（液体润湿管壁）“自动地自动地”上升上升的的 如果毛细管的实际高度如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小，小，液体能否自动从管子中流出来形成液体能否自动从管子中流出来形成“毛细永动机毛细永动机”？高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。h实际上，实际上，毛细永动机是不可能存在的毛细永动机是不可能存在的。P0AP0液体润湿管壁会产生一定的接触角液体润湿管壁会产生一定的接触角 ，形成凹形液面，形成凹形液面，从而产生一定的附加压强，即从而产生一定的附加压强，即 A 点的压强为点的压强为 ，在大气压的作，在大气压
17、的作用下，液面会上升；用下，液面会上升；如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升 。32hP0A 如果毛细管露出水面的长度如果毛细管露出水面的长度 h0 n时，宏观上则表现为时，宏观上则表现为蒸发蒸发；当当 n n，直到液直到液体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停止。止。 而在而在密闭容器密闭容器中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液体中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液体的分子数也不断增多，的分子数也不断增多，当当 n = n时，液时，液气达到动态平衡，此气达到动态平衡，此时时的蒸汽叫做的蒸汽叫做饱和蒸汽饱和蒸汽，由它而产生的
18、压强叫做，由它而产生的压强叫做饱和蒸汽压。饱和蒸汽压。二、饱和蒸汽压二、饱和蒸汽压 在一定温度下，饱和蒸汽压具有恒定的值，与其在一定温度下，饱和蒸汽压具有恒定的值，与其体积的大体积的大小小以及以及有无其它气体存在有无其它气体存在无关。无关。45 对于容易挥发的液体，表面层内的分子受对于容易挥发的液体，表面层内的分子受液体内部分子束缚较小，饱和蒸汽压较大。液体内部分子束缚较小，饱和蒸汽压较大。三、影响饱和蒸汽压的因素三、影响饱和蒸汽压的因素(1) 液体本身的性质液体本身的性质:(2) 温度温度: 温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面层的分子温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面层的分子越容易摆
19、脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。(3) 液面的弯曲情况：液面的弯曲情况：如图所示如图所示 当容器内液体和蒸汽达到平衡时当容器内液体和蒸汽达到平衡时, , 水平水平液面上方饱和蒸汽压为液面上方饱和蒸汽压为 PC ，而毛细管内弯，而毛细管内弯曲液面上方饱和蒸汽压为曲液面上方饱和蒸汽压为 PC ，液体和饱，液体和饱和蒸汽的密度分别为和蒸汽的密度分别为 r r 和和 r r 。hAB毛细管半径毛细管半径为为 r ，接触角为，接触角为。 46hAB则则即即得得 由于由于 ，所以，所以 ，即，即凹形液面上的饱和蒸汽压小凹形液面上的饱和蒸汽压小于水平液面上
20、的饱和蒸汽压于水平液面上的饱和蒸汽压，蒸汽容易发生凝结现象。，蒸汽容易发生凝结现象。如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分。如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分。47 同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压 和水平液面上的饱和水平液面上的饱和蒸汽压和蒸汽压 PC 之差的计算公式之差的计算公式凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸液面上凝结凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸液面上凝结 。有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形成液滴。这种蒸汽称为成液滴。这种蒸汽称为过饱和蒸汽过饱和蒸汽。因为因为所以所以48四
21、、典型实例四、典型实例人工降雨人工降雨小水滴小水滴凝结凝结大水滴大水滴雨或雪雨或雪凝结核凝结核蒸汽中的蒸汽中的杂质微粒杂质微粒被水润湿被水润湿碘化银、氯化钠、硫化物等碘化银、氯化钠、硫化物等 秋冬季节温度降低时，地面上空的蒸汽秋冬季节温度降低时，地面上空的蒸汽密度超过了该温度下饱和蒸汽的密度，蒸汽密度超过了该温度下饱和蒸汽的密度，蒸汽凝结成水珠，形成霜露、雾。凝结成水珠，形成霜露、雾。秋、冬季节的霜露、雾现象秋、冬季节的霜露、雾现象49第第3章章 液体的表面现象液体的表面现象主要内容主要内容 ： 液体的表面张力、表面能、液体与固体接触处的液体的表面张力、表面能、液体与固体接触处的表面现象，弯曲
22、液面的附加压强，生物组织和土壤中表面现象，弯曲液面的附加压强，生物组织和土壤中的毛细现象。的毛细现象。基本要求基本要求 ： 理解理解液体表面张力、液体表面张力、表面张力系数的三个定义表面张力系数的三个定义，能求解弯曲液面的能求解弯曲液面的附加压强附加压强、毛细管内液面上升或下毛细管内液面上升或下降的高度降的高度，了解了解液体表面张力、毛细现象在生物组织液体表面张力、毛细现象在生物组织和土壤中的应用。和土壤中的应用。50课堂作业 判断题判断题: :(1) 表面张力系数与液面的大小有关。表面张力系数与液面的大小有关。(2) 表面张力是由于液面层分子受力不对称引起的。表面张力是由于液面层分子受力不对
23、称引起的。(3) 液体的表面能与表面积成正比。液体的表面能与表面积成正比。(4) 对于凸形液面，液内压强小于液外压强。对于凸形液面，液内压强小于液外压强。(5) 毛细现象完全是由表面张力引起的。毛细现象完全是由表面张力引起的。51填空题填空题: :(1) 液体具有特殊的表面性质，在与空气接触处形成的液体具有特殊的表面性质，在与空气接触处形成的表面表现出表面表现出 ，而在与固体接触处形成的表面，而在与固体接触处形成的表面出现出现 现象。现象。(2) 当附着力大于内聚力时，液体当附着力大于内聚力时，液体 固体表面；固体表面；而当内聚力大于附着力时，液体而当内聚力大于附着力时，液体 固体表面。固体表
24、面。(3) 液体对固体的润湿程度可用接触角液体对固体的润湿程度可用接触角来说明，当来说明，当为为 角时，液体润湿固体；而当角时，液体润湿固体；而当为为 角时，液体不润角时，液体不润湿固体。湿固体。(4) 随着温度的升高，液体的表面张力系数随着温度的升高，液体的表面张力系数 （减（减小，增大，不变）。小，增大，不变）。52 单选题单选题: :(1) 两个大、小不同的肥皂泡用玻璃管相连，说法正确的是：两个大、小不同的肥皂泡用玻璃管相连，说法正确的是：A、大泡内的压强大于小泡内的压强；、大泡内的压强大于小泡内的压强；B、相通后，大泡越来越大，小泡越来越小；、相通后，大泡越来越大，小泡越来越小；C、相
25、通后，大泡逐渐减小，小泡逐渐增大；、相通后，大泡逐渐减小，小泡逐渐增大；D、相通后，大泡和小泡保持原大小不变；、相通后，大泡和小泡保持原大小不变；(2) 对于水平液面、凸液面、凹液面，附加压强最大的是：对于水平液面、凸液面、凹液面，附加压强最大的是： A、水平液面；、水平液面；B、凸液面；、凸液面；C、凹液面；、凹液面；D、无法比较；、无法比较；(3) 在水平放置的毛细管内有一润湿管壁的小液滴，该液滴左在水平放置的毛细管内有一润湿管壁的小液滴，该液滴左右两端是对称的凹形液面，今在左端稍加一压强，则会看到：右两端是对称的凹形液面，今在左端稍加一压强，则会看到： A、液滴右移；、液滴右移； B、右端曲面形状变化；、右端曲面形状变化； C、左端曲面形状变化；、左端曲面形状变化；D、液滴不移动且曲面形状不变化；、液滴不移动且曲面形状不变化；53
