液体表面张力课件.ppt

热 学讲 课 顺 序 ： 1、 按 照 竞 赛 真 题 题 型 来 讲 抓 住 重 点 、 突 破 难 点 2、 新 增 内 容 真 题 研 究 ： 1、 题 目 的 构 成 2、 包 含 的 概 念 、 规 律 、 方 法 3、 重 点 难 点 4、 易 错 点 5、 拓 展 点 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 （ 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 （ 2）橄 榄 油 滴 浮 在 同 密 度 的 水 和 酒 精的 混 合 液 体 中 ， 由 于 表 面 张 力 的作 用 ， 油 滴 形 成 完 美 的 球 形 。 一 、 表 面 张 力1.现 象 ：说 明 ： 液 面 上 存 在 沿 表 面 的 收 缩 力 作 用 ， 这 种 力只 存 在 于 液 体 表 面 。(2).液 面 像 紧 绷 的 弹 性 薄 膜 。(1).液 体 表 面 有 收 缩 到 最 小 的 趋 势 ；2.表 面 张 力(1)表 面 层 ： 在 液 体 与 气 体 交 界 面 ， 厚 度 等 于 分子 有 效 作 用 距 离 (=10-8 m) 的 一 层 液 体 。(2)表 面 张 力 ： 液 体 的 表 面 层 中 有 一 种 使 液 面 尽可 能 收 缩 成 最 小 的 宏 观 张 力 。 分 子 力 观 点 ：表 面 张 力 是 由 于 液 体 表 面 层 内 分 子 间 相 互作 用 与 液 体 内 部 分 子 间 相 互 作 用 不 同 。(3)表 面 张 力 产 生 的 微 观 本 质 任 何 系 统 的 势 能 越 小 越 稳 定 ， 所 以 表 面 层 内 的 分 子 有 尽量 挤 入 液 体 内 部 的 趋 势 ， 即 液 面 有 收 缩 的 趋 势 ， 使 液 面呈 紧 张 状 态 ， 宏 观 上 就 表 现 为 液 体 的 表 面 张 力 。 体 积 一 定 , 球 体 的 表 面 积 最 小 ; 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 f 作 功 ;外力 作 功 ,分 子 势 能 增 加 ,即 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 ; 设 想 在 液 面 上 画 一 条 直 线段 ， 线 段 两 侧 液 面 均 有 收 缩 的趋 势 ， 即 有 表 面 张 力 作 用 ， 该力 与 液 面 相 切 ,与 线 段 垂 直 ， 指向 各 自 的 一 方 ,分 别 用 F 和 F表示 ， 这 恰 为 一 对 作 用 力 与 反 作用 力 ， F = -F。(4). 表 面 张 力 系 数 （ 定 义 一 ） 为 表 面 张 力 系 数 ， 表 示 液 体 表 面 单 位 长 度 直 线 段上 的 表 面 张 力 ， 单 位 ： N / m 。 由 于 线 段 上 各 点 均 有 表 面 张 力 作 用 ,线 段 越 长 ,则合 力 越 大 。 设 线 段 长 为 l ,则 ： F = l 。F F 如 图 所 示 ， 铁 丝 框 上 挂 有 液 膜 ， 表 面张 力 系 数 为 ， 将 AB边 无 摩 擦 、 匀 速 、等 温 地 右 移 x， 在 AB边 上 加 的 力 为 ：F =2 l ， 则 在 这 个 过 程 中 外 力 F 所做 的 功 为 :其 中 S = 2l x ,是 AB 向 右 移 动 过 程 中 液 面 面 积 的 增 量 。 外力 克 服 分 子 间 引 力 做 功 ， 液 体 表 面 能 增 加 ， 若 用 E 表 示 表面 能 增 量 ， 则 ： SxlxFW 2 SWE SWSE 表 面 张 力 系 数 在 数 值 上 等 于 增 加 单 位 液 体 表 面 积 时 ， 外 力 所需 做 的 功 ， 或 增 加 单 位 液 体 表 面 积 时 ， 所 增 加 的 表 面 能 比 表 面 能 ；(5). 表 面 张 力 系 数 与 表 面 能 增 量 （ 定 义 二 ）f BA BAF 二 ： 附 加 压 强 的 产 生 在 液 体 表 面 上 取 一 小 面 积 S ,由 于 液 面 水 平 ，表 面 张 力 沿 水 平 方 向 ， S 平 衡 时 ， 其 边 界 表面 张 力 相 互 抵 消 , S 内 外 压 强 相 等 ： PB = PA 0P SPf fAB 1.平 液 面 2. 液 面 弯 曲1)凸 液 面 时 ， 如 图 S周 界 上表 面 张 力 沿 切 线 方 向 ， 合 力指 向 液 面 内 ， S好 象 紧 压 在液 体 上 ， 使 液 体 受 一 附 加 压强 ps， 由 力 平 衡 条 件 ， 液 面下 液 体 的 压 强 ： ps为 正 ;附 加 压 强 使 得 液 体 内 部 压 强 大 于 外 部 压 强 。 S0P sPPf fAB sp0B PP 2） 凹 液 面 时 ， 如 图 S周 界上 表 面 张 力 的 合 力 指 向 外部 ， S好 象 被 拉 出 ， 液 面内 部 压 强 小 于 外 部 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 ； 附 加 压 强 方 向 恒 指 向 弯 曲 液 面 的 曲 率 中 心 ； sp0B PP S 0P sPPf fA B 三 、 球 形 液 面 的 附 加 压 强 -拉 普 拉 斯 公 式设 有 一 半 径 为 R的 球 形 液 滴 ， 其 表面 张 力 系 数 为 ， 是 凸 液 面 ， 则 液滴 表 面 层 内 外 的 压 强 : sp外内 PP l p 内P外 r l R FF/Fn在 液 体 表 面 ， 取 微 小 球 冠 形 液体 元 ， 球 冠 的 边 缘 线 l存 在 表 面 张力 F， 沿 球 冠 表 面 切 线 方 向 。n由 于 球 冠 很 小 ， 忽 略 其 重 力 。n受 力 分 析 ：,P 2r内 ,P 2r外 表 面 张 力 F n沿 边 缘 线 一 周 ， F/相 互 抵 消 ， 作用 在 球 冠 边 缘 线 上 的 表 面 张 力 的 合力 为 ： sinsinsin llFFF rl 2n受 力 平 衡 ： Frr 22 PP 外内 r sin2PP 外内 R2PP 外内Rrsin 附 加 压 强 ： Rps 2 球 形 液 面 附 加 压 强 公 式Rpp Rpp ii 2200 凹 液 面 ：凸 液 面 ： l 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 。l 适 用 于 任 何 液 面 ： 球 面 、 半 球 面 、 凹 凸 面 ， R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 ；l 半 径 无 限 大 时 ， 附 加 压 强 等 于 零 ， 这 正 是 水 平 液 面 的 情 况 。R2PP 外内 拉 普 拉 斯 公 式 四 .球 形 液 泡 的 内 、 外 压 强 差 如 图 ,由 于 球 形 液 泡 很 薄 ， 有 内外 两 个 表 面 ， 内 外 膜 半 径 近 似 相等 ， 设 A、 B、 C 三 点 压 强 分 别 为PA 、 PB 、 PC ， 则 ： RPP AC 4l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 强差 越 大 ; R O AC BRPP A 2B RPP 2CB RPRP 22 CA 补 充 ： 向 带 有 活 塞 的 三 通 玻 璃 管吹 气 使 两 端 分 别 挂 上 大 小 不 一 的 肥皂 泡 ， 旋 转 活 塞 使 两 气 泡 连 通 ， 观察 气 泡 的 变 化 ?l 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 于大 泡 的 附 加 压 强 的 缘 故 。 补 充 例 4 如 图 ， 在 内 半 径 r 0.3mm的 细 玻 璃 管 中 注 水 ， 一 部分 水 在 管 的 下 端 形 成 一 凸 液 面 ， 其 半 径 为 3mm， 管 中 凹 液 面 的曲 率 半 径 与 毛 细 管 的 内 半 径 相 同 。 求 管 中 所 悬 水 柱 的 长 度 h。设 水 的 表 面 张 力 系 数 7310-3 N m.RA 2PP 0 r B 2PP 0 ghBA PP cmrRgh 4.5112 润 湿 : 液 体 沿 固 体 表 面延 展 的 现 象 ， 称 液 体 润湿 固 体 。 (水 玻 璃 )五 、 润 湿 与 不 润 湿1. 定 义不 润 湿 ： 液 体 在 固 体 表 面上 收 缩 的 现 象 ， 称 液 体 不润 湿 固 体 。 (水 石 蜡 ) 润 湿 、 不 润 湿 与 相 互 接 触 的 液 体 、 固 体 的 性 质 有 关 。 内 聚 力 ： 附 着 层 内 分 子 所 受 液 体 分 子 引 力 之 和 。2. 微 观 解 释润 湿 、 不 润 湿 是 由 于 分 子 力 不 对 称 而 引 起 。附 着 力 ： 附 着 层 内 分 子 所 受 固 体 分 子 引 力 之 和 。附 着 层 ： 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 （ 以 大 者 为 准 ） 的 一层 液 体 。 附f 内fA (2)当 f附 f内 ,A 分 子 所 受 合 力 f 垂 直于 附 着 层 指 向 固 体 ， 液 体 内 部 分 子 势能 大 于 附 着 层 中 分 子 势 能 ， 液 体 内 的分 子 尽 量 挤 进 附 着 层 ， 使 附 着 层 扩 展 ，宏 观 上 表 现 为 液 体 润 湿 固 体 。 f A 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 液 体 内 部 的 夹 角 称接 触 角 ， 用 表 示 。 3. 接 触 角 液 体 润 湿 固 体 ；,2 。液 体 完 全 润 湿 固 体，0 液 体 不 润 湿 固 体 ；,2 。液 体 完 全 不 润 湿 固 体， O O注 意 ：两 切 线 通 过 液 体 内 部 的 夹 角 称 接 触 角 六 、 毛 细 现 象 水 在 细 玻 璃 管 中 水 面 上 升 ；水 银 在 玻 璃 管 中 液 面 下 降 ；1.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 细管 里 下 降 的 现 象 。 原 因 ： 表 面 张 力 及 润 湿 、 不 润 湿 。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 2.管 内 液 面 上 升 （ 或 下 降 ） 的 高 度 (1)液 体 润 湿 管 壁 CBA半 径 为 r的 毛 细 管 刚 插 入 水 中 时 ， 为 锐 角 ,管 内 液 面 为 凹 液 面 ， PC = P0 ,PB P0 , B、C 为 等 高 点 ， 但 PB0, 液 面 上 升h0, 液 面 下 降 补 充 例 题 , 如 图 , 盛 有 水 的 U形 管 中 ， 细 管 的 内 半 径 rA=5.0 10-5m，粗 管 的 内 半 径 rB 2.0 10-4m。 设 水 能 完 全 润 湿 玻 璃 管 壁 ，且 巳 知 水 的 表 面 张 力 系 数 73 10-3N m, 试 求 左 右 两 管 水 面 的 高 度 差 h。； ； ghr B AB 0B A0A PP ;cos2PP rcos2PP cmrrgh BA 3.22112 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 物 体 内 的 微 血 管 及 植 物 体 内 的 导 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 如 图 ， 毛 细 管 中 有 一 段 液 体 ， 液 体 左 右 两 端 压 强 相 等 ,形 成 对 称 的 弯 液 面 ， 欲 使 液 柱 向 右 移 动 ， 则 在 左 侧 加 一 压强 P， 这 时 两 侧 液 面 形 状 改 变 ， 右 侧 曲 率 半 径 增 大 , 左侧 曲 率 半 径 减 小 ， 产 生 向 左 的 附 加 压 强 差 ps来 抵 抗 P ,当 P 达 到 一 定 程 度 时 ， 液 柱 才 能 移 动 。 当 毛 细 管 中 有 很 多 气 泡 ，则 外 加 几 个 大 气 压 都 不 能 使液 柱 移 动 ， 形 成 栓 塞 , 称 气体 栓 塞 现 象 。 p ppP+p （ 1） 肌 注 、 输 液 、 输 血 时 要 防 止 气 泡 进 入 。3、 要 注 意 避 免 气 体 栓 塞（ 2） 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 免 血 管 中 气 泡 形 成 。（ 3） 植 物 体 内 输 送 营 养 液 的 导 管 很 细 ， 若温 度 突 然 升 高 ， 溶 解 在 液 汁 中 的 气 体 会 析 出形 成 气 泡 ， 导 管 栓 塞 ， 一 部 分 枝 叶 因 缺 乏 营养 液 的 补 充 而 凋 萎 。 小 结一 、 表 面 张 力1. 表 面 张 力 : f =l 2. 表 面 能 : SE 二 、 弯 曲 液 面 的 附 加 压 强1. 平 液 面 : 0PP 2.凸 液 面 : sPPP 03.凹 液 面 : sPPP 04.单 球 形 液 面 : RPP RPP 2)()2( 2)()1( 00 ：如 液 中 气 泡凹 液 面 ：如 气 中 液 滴凸 液 面5.球 形 液 泡 : RPP 4 外内 三 、 润 湿 与 不 润 湿 液 体 润 湿 固 体 ；,2 。液 体 完 全 润 湿 固 体，0 液 体 不 润 湿 固 体 ；,2 。液 体 完 全 不 润 湿 固 体， 四 、 毛 细 现 象(1)液 体 润 湿 管 壁 : grgRh cos22 (2)液 体 不 润 湿 管 壁 : grgRh cos22 r2R2 ggh ，完 全 不 润 湿 ， r2R20 ggh ，完 全 润 湿 ， 2 、 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 个球 面 （ 实 为 超 过 半 球 面 的 部 分 球 面 ） 的 半径 均 为 R， 中 间 圆 膜 半 径 为 r， 圆 膜 边 缘 恰好 为 一 匀 质 柔 软 细 线 所 占 。 已 知 液 体 的 表面 张 力 系 数 为 ， 不 计 重 力 ， 试 求 细 线 中 的张 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 直截 面 如 图 所 示 ， 为 了 计 算 方 便 ， 水银 和 玻 璃 的 接 触 角 可 按 1 8 0 0 计 算 ， 已 知 水 银 的 密 度=1 3 .6 1 0 3 kg/m3 ， 水 银 的 表 面 张 力 系 数=0 .4 9 N/m， 当 圆 饼 的 半 径 很 大 时 ， 试 估 算 其 厚 度 h的 数值 大 约 是 多 少 ？ （ 取 1 为 有 效 数 字 ）