液体的表面现象 大学物理

液体的表面现象液体是物质的三种状态之一，与固体和气体相比，液体具有较高的密度和较低的流动性。

由于液体的分子之间有所谓的“凝聚力”，它们表面会出现一些有趣的现象。

这些现象被称为液体的表面现象，包括表面张力、毛细现象等。

本文将对液体表面现象进行介绍。

1.表面张力表面张力是指液体表面上分子间的相互作用力，使得液体表面能够收缩成一定形状的趋势。

液体的分子间互相吸引，因此在液体内部分子间距离较小。

但是，在液体的表面，分子只能受到内部和液体外部分子的吸引力，这使得表面分子排列紧密，比内部分子间距离要小。

表面分子向内部分子受到的吸引力较大，而向表面和外部分子受到的吸引力较小。

这种不平衡的效应导致了表面分子紧密地附着在一起，形成了所谓的“表面膜”。

因此，液体的表面不趋向平坦，而是减少表面积至最小化。

表面张力是由于表面膜的存在而产生的力，其大小与表面积和表面膜的形状有关。

表面张力的单位是“牛/米（N/m）”，是指当液体表面积为1平方米时，要克服液体表面张力的力量。

2.毛细现象毛细现象是液面在物体上升降不同高度的现象。

液体在将毛细管或细小通道中上升或下降的过程中就会出现毛细现象。

液体分子会被相互吸引而塞进一个毛细管或细小通道中，当管道非常细小时，液体分子就会塞进其中，并且分子外面的表面能量就要比里面的表面能量更多。

因此，在这种情况下就会发生毛细现象。

当管道越细时，液体上升的高度将增加，这是因为表面张力使液体分子的吸引力更加强大（因为液体表面的面积越小，分子之间的吸引力就越强）。

因此，液体分子在管道内被塞进的尺寸越小，液面就会上升得更高。

3.珠形（球形液滴）形状当液体表面张力作用于液滴时，液滴的形状呈现出球形。

这是因为液体表面分子对瓶子、盘子等容器的内部不附着，但对自身和外界的不附着。

由于表面张力，液体分子会倾向于把自己塑造成一个球体，从而减少液体表面积至最小化。

无论容器是什么形状，液滴都会尽可能地缩小表面积并形成一个球形，这就是珠形的形状。

第3章 液体的表面性质3.1 内容提要（一）基本概念1. 表面张力：液体的表面犹如张紧的弹性薄膜，具有收缩的趋势，即液体表面存在着张力，称为表面张力。

它是液体表面层内分子力作用的结果。

2.表面张力系数：用于反映液体表面性质的物理量，三种定义如下：（1）表面张力系数表示在单位长度直线两旁液面的相互拉力。

由L f α=得 Lf =α （3.1） 在国际单位制中，α的单位用N ·m -1表示。

（2）表面张力系数α等于增加单位表面积时，外力所做的功。

由△A=α·△S 得SA ∆∆=α （3.2） （3）表面张力系数α在数值等于增大液体单位表面积所增加的表面能,由△E ＝△A ＝α△S 得 SE ∆∆=α （3.3） 严格说来，表面能是在温度不变的条件下可转变为机械能的那部分表面能。

3.影响表面张力系数的几个因素(1) 不同液体的表面张力系数不同，它与液体的成分有关，取决于液体分子的性质。

(2) 同一种液体的表面张力系数与温度有关。

温度越高，α就越小。

(3) 液体表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关。

(4) 液体表面张力系数还与液体中的杂质有关。

加入杂质能显著改变液体的表面张力系数。

4.表面张力的微观本质微观理论认为，液体的表面张力是由于液体表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。

所谓液体的表面层是指位于液体表面处，与表面平行、厚度等于液体分子有效作用半径(一般不超过6×10-7cm)的那层液体。

从能量的角度出发，分子处于液体表面层时，分子的相互作用热能要比处于液体内部的分子的相互作用热能大，而且越靠近液面，分子的相互作用热能就越大。

而液体处于稳定平衡时，分子的相互作用热能最小，因此，液体表面层中的分子都有挤进液体内部的趋势，结果液体的表面就会尽量地收缩。

从力的观点来看，就是在液体表面内存在一种使其收缩的力，这种力就称为表面张力。

所谓表面张力，无论从力或是从能量的角度来解释，都是表面层内分子相互作用的不对称性所引起的。

第五章 液体表面现象习题答案8、 如图所示。

用金属框测定肥皂液的表面张力系数时，测得重物A 和滑动横杆B 的重量共0.64克，横杆长8厘米，试计算肥皂液的表面张力系数。

【解】：α=F/2ι= 0.64×10-3×10/(2×8×10-2)=0.040N/m(注:肥皂液膜为二层液面)9、已知水的表面张力系数α＝7.3×10-2牛顿/米，大气压强Po ＝1.0×105帕。

(1) 计算空气中直径为2.0×10-5米的水滴内的压强。

(2) 计算湖面下10米深处直径为2.0×10-5米的气泡的压强。

(取g=l0米／秒2)【解】：（1）P =P O +2α/R = 1.0×105+2×7.3×10-2/(1.0×10-5)=1.15×105 Pa（2）P =P O +ρgh + 2α/R= 1×105 + 103×10×10 + 2×7.3×10-2/(1.0×10-5)=2.146×105 Pal0、试计算将一肥皂泡从半径为R 吹到2R 所需的功。

(肥皂液的表面张力系数为α) 。

【解】： ΔW = ΔE =αΔS = α×2×4π[(2R)2 -R 2]= 24παR 211、 在内半径r ＝0.3毫米的毛细管中注水(如图所示)，水在管下端形成向外凸的球面。

其曲率半径R ＝3毫米，如管中水的上表面的曲率半径等于管的内半径，水的表面张力系数α＝7.3×10-2牛顿／米。

求管中水柱的高度h 。

【解】： P O - 2α/r +ρgh = P O + 2α/Rρgh = 2α/r + 2α/R = 2α(1/r + 1/R)h = 2α(1/r + 1/R)/ρg= 2×7.3×10-2×[1/(0.3×10-3 )+1/(3×10-3)]/ 103 ×9.8= 5.45×10-2 m12、把一个半径为R 的液滴，分散成8个半径相同的小液滴，需作功多少？（设液体表面张力系数为α）3334834r R ππ⨯= 2R r = 2224]4)2(84[R R R S W παππαα=-⋅=∆⋅=13、 一个半径为1×10-4米,长为0.2米的玻璃管,一端封闭,水平浸在水的表面下, 管中空气全部保留在管内，浸入的深度可忽略,水面上的气压为1.12×105牛顿／米2,水的表面张力系数为7.3×l0-2牛顿／米，问水进入管内的长度为多少?管中空气的压强为多大？【解】： P 1 =P O + 2α/R= 1.12×105 +2×7.3×10-2/(1.0×10-4)= 1.135×105 Pa设：液体进入管内长度为X,管的横截面积为SP1V1 = P O V0 1.12×105×S×0.2 = 1.135×105×S×(0.2 - X)X =2.57×10-3 m14、水平桌面上有两个相同的器皿，分别放入水银和水，并使两液面同高。

常见液体表面张力现象
液体表面张力是指液体表面上的分子间吸引力，是液体特有的物理性质。

在生活中，我们可以观察到许多液体表面张力现象，这些现象不仅美丽，而且蕴含着丰富的科学知识。

1. 水滴在叶片上的珠形现象
当水滴滴在叶片上时，我们可以看到水滴呈现出珠形，这是因为水滴分子间的相互吸引力使得水滴表面张力趋于最小，形成了一个尽可能小的表面积。

在叶片表面，水滴会受到叶片表面分子间的吸引力，这会使得水滴表面张力受到影响，进而形成珠形。

2. 水滴在蜡烛火焰上的跳动现象
将水滴滴在蜡烛火焰上，我们可以观察到水滴在火焰上跳动的现象。

这是因为水滴表面张力的作用，使得水滴在火焰上形成了一个蒸汽层，而这个蒸汽层会受到水滴的重力作用，从而形成跳动现象。

3. 水滴在荷叶上的滑落现象
荷叶表面有微小的凸起，这些凸起会形成许多微小的气泡，从而使荷叶表面呈现出一定的疏水性。

当水滴滴在荷叶表面上时，水滴分子间的相互吸引力会使得水滴形成一个球形，进而在荷叶表面上滑落。

这是因为水滴表面张力趋于最小的原因。

4. 水中的水虫行走现象
在水中观察水虫行走时，我们可以看到水虫表面会形成一层空气膜，使得水虫在水中行走时更加轻松。

这是因为水虫的表面张力使得水在水虫表面形成一个凸起，进而使得水虫周围的水形成一个空气膜，从而减小了水虫与水间的摩擦力。

液体表面张力是一种重要的物理性质，不仅在生活中表现出许多美丽的现象，而且在科研中也有着广泛的应用。

深入研究液体表面张力的机制，对于我们深入理解物理学、化学等学科，都有着重要的意义。

第七章 液体的表面现象本章教学要点1.重点掌握液体的表面张力及附加压强。

2.了解液体与固体接触处的表面现象及毛细现象。

习题7－1 . 为了测定液体的表面张力，可称量自毛细管脱离的液滴重量，并测量在脱离的瞬间液滴颈的直径d ，观测得318滴液体质量为5.0g 重，d ＝0.7mm ，求此液体的表面张力系数。

解： 表面张力 d L f παα==mg f =Θ 式中 g nM m =g nM d =∴απ m N g n d M /07.0318107.014.38.910533=⨯⨯⨯⨯⨯==∴--πα 7－2. 把一液滴从液体中移出，且将其举到距液面高h 处。

证明：形成此液滴所需要作的功W 与举高这液滴所需要作的功W ’之比为ραrgh W W 3'= 证明：形成液滴需要作的功即为液滴表面能增量S E W α==απ24r W =∴而 gh r mgh W ρπ334'==ραρπαπrgh gh r r W W 3344'32== 7－3 . 在内半径r ＝0.3mm 的毛细管中注水，一部分在管的下端形成一水滴，其形状可以看作是半径R ＝3mm 的球的一部分（如图），试求管中水柱的高度h （设接触角12103.70--⨯==Nm αθ，）解：A 为凹液面，0P P A <rP P P P S Aα200-=-=∴ (1)B 为凸面，0P P B >RP P P P S B α200+=+=∴ (2) 又A B P gh P +=ρΘgh P P A B ρ=-∴(2)-(1) r R P P A Bαα2 2+=-∴ rR gh ααρ2 2 +=∴ m rR g h 2105.5)2 2(1 -⨯=+=∴ααρ 7－4. 气压计由于水银的表面效应而读数不准。

已知水银的表面张力系数149.0-=Nm α，气压计玻璃管内径d ＝2.0mm ，接触角为︒180。