第2章 5. 液体-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 A. 石墨是晶体， 石墨烯是非晶体 B. 石墨是单质， 石墨烯是化合物 C. 石墨、 石墨烯与金刚石都是晶体 D. 他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的 拓 展 创 新 石 墨 烯 实际上石墨烯本来就存在于自然界， 只 是难以剥离出单层结构。 石墨烯一层层叠起 来就是石墨， 厚 1 mm 的石墨大约包含 300 万层石墨烯。 铅笔在纸上轻轻划过， 留下的 痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯 。 2004 年， 英国曼彻斯特大学的两位科学家 安德烈·盖姆 （ Andre K.Geim ） 和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫 （ Konstantin Novoselov ） 发现他 们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的 石墨薄片。 他们从高定向热解石墨中剥离出 石墨片， 然后将薄片的两面粘在一种特殊的 胶带上， 撕开胶带， 就能把石墨片一分为 二。 不断地这样操作， 于是薄片越来越薄。 2009 年， 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖 洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了 整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔 效应， 他们也因此获得 2010 年度诺贝尔物 理学奖。 在发现石墨烯以前， 大多数物理学 家认为， 热力学涨落不允许任何二维晶体在 有限温度下存在。 所以， 它的发现立即震撼 了凝聚体物理学学术界。 虽然理论和实验界 都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳 定存在， 但是单层石墨烯能够在实验中被制 备出来。 石墨烯是一种技术含量非常高， 应用潜 力非常广泛的碳材料， 具有优异的光学、 电 学、 力学特性， 在材料学、 微纳加工、 能 源、 生物医学和药物传递等方面具有重要的 应用前景， 被认为是一种未来革命性的材 料。 目前中国石墨烯产业进入快速成长期， 我国石墨烯相关企业多达 1.7 万家。 变式训练答案 1. D 2. CD 3. CD 石墨的微观结构 石墨烯的微观结构 变式训练 3 题图 知 识 梳 理 知识点 1 液体的表面张力 1. 表面层： 液体与气体接触的表面存在一个 薄层， 这个薄层叫表面层。 表面层里的分 子比液体内部稀疏， 分子间的相互作用力 表现为引力。 2. 表面张力： 液体表面各部分间存在的相互 吸引力， 使液体的表面具有收缩的趋势， 这个绷紧的力或者说促使液体表面收缩 的力就是表面张力。 5. 液 体 56 学 第二章 气体、 固体和液体 知识点 2 浸润和不浸润及毛细现象 1. 附着层： 液体和固体接触时， 在接触的位 置形成一个液体薄层， 这个薄层就叫附 着层。 2. 浸润和不浸润 （ 1 ） 浸润： 一种液体会润湿某种固体并附着 在固体表面上的现象。 （ 2 ） 不浸润： 一种液体不会润湿某种固体， 不会附着在这种固体表面上的现象。 3. 毛细现象 （ 1 ） 毛细现象： 浸润液体在细管中上升的现 象以及不浸润液体在细管中下降的现象 叫毛细现象。 （ 2 ） 毛细管内外液面的高度差与毛细管的内 径有关， 毛细管内径越小， 高度差越大。 知识点 3 液晶 1. 液晶的物理性质 （ 1 ） 液晶具有液体的流动性。 （ 2 ） 液晶具有晶体的光学各向异性。 2. 液晶分子的微观结构： 从某个方向分子排 列整齐有规则， 从另一方向分子排列杂乱 无章。 3. 液晶的用途： 液晶可以用作显示元件， 在 生物医学、 电子工业、 航空工业中都有重 要应用。 要 点 突 破 要点 1 液体的表面张力 对液体表面张力的理解。 例 1 （多选） 关于液体的表面张力， 下列 说法正确的是 （ ） A. 表面张力是液体内部各部分之间的相互 作用力 B. 液体表面层分子的分布比内部稀疏， 分 子力表现为引力 C. 不论是水还是水银， 表面张力都会使表 面收缩 D. 表面张力的方向与液面垂直 解析： 液体表面各部分间存在的相互吸引力 叫表面张力， A 错误； 液体表面层内分子较液 体内部稀疏， 故分子力表现为引力， B 正确； 定义 形成原因 表面层中分子间的距离比液体内部分子 间的距离大， 分子间的相互作用力表现 为引力 表面特性 表面层分子间的引力使液面产生了表面 张力， 使液体表面好像有一层绷紧的弹 性薄膜 方向 和液面相切， 垂直于液面上的各条分界 线 效果 表面张力使液体表面具有收缩趋势， 使 液体表面积趋于最小， 而在体积相同的 条件下， 球形的表面积最小 大小 跟边界线的长度、 液体的种类、 温度都 有关系 如果在液面任意画 一条线 ， 线两侧的 液体之间的作用力 是引力 ， 这个引力 叫表面张力 M N F 1 F 2 本题考查对液体表面张力的概念及 对表面张力成因的理解。 液体表面各部 分间存在的相互吸引力， 使液体的表面 具有收缩的趋势， 这个绷紧的力或者说 促使液体表面收缩的力就是表面张力。 思路点拨 57 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 表面张力的作用使液面具有收缩的趋势， 且 其方向沿液面的切线方向与分界线垂直， C 正 确， D 错误。 答案： BC 变式训练 1 关于液体的微观结构， 下列说法正确的 是 （ ） A. 液体分子间距离很大， 相互作用力很弱 B. 液体分子在杂乱无章地运动， 无任何规 律性 C. 液体分子在振动， 但无确定的平衡位置 D. 液体分子排列整齐， 在确定的平衡位置 附近振动 要点 2 浸润和不浸润、 毛细现象的分析 1. 浸润和不浸润 （ 1 ） 附着层内分子的受力情况： 液体和固体 接触时， 附着层的液体分子除受液体内 部的分子吸引外， 还受到固体分子的 吸引。 （ 2 ） 浸润的成因： 当固体分子吸引力大于液 体内部分子力时， 附着层内液体分子比 液体内部分子稠密， 附着层中分子之间 表现为斥力， 具有扩展的趋势， 这时表 现为液体浸润固体。 （ 3 ） 不浸润的成因： 当固体分子吸引力小于 液体内部分子力时， 附着层内液体分子 比液体内部分子稀疏， 附着层中分子之 间表现为引力， 具有收缩的趋势， 这时 表现为液体不浸润固体。 （ 4 ） 特别提醒： 同一种物质， 对有些液体浸 润， 对另一些液体不浸润； 同一种液 体， 对一些固体浸润， 对另一些固体不 浸润。 如水能浸润玻璃， 但不能浸润石 蜡； 水银不能浸润玻璃， 但能浸润锌。 2. 毛细现象 （ 1 ） 两种表现： 浸润液体在细管中上升及不 浸润液体在细管中下降。 （ 2 ） 微观解释： 毛细现象产生与表面张力及 浸润现象都有关系。 如图所示， 甲是浸 润情况， 附着层扩展， 表面层收缩， 此 时管内液面呈凹形， 液面与管壁接触的 附近的表面张力沿液面切线方向向上， 表面张力有使液面收缩的趋势， 造成管 内液面上升， 因而管内液面要比管外 高， 最终是表面张力的作用跟液柱因重 力而产生的作用相平衡； 乙是不浸润情 况， 管内液面呈凸形， 表面张力的作用 使液体受到一向下的力， 因而管内液面 比管外低， 管内外液面高度差产生压强 差， 这个压强差产生向上的压力， 当向 下和向上的两个力平衡时， 液面不再 下降。 （ 1 ） 理解液体分子微观结构时要和气体 分子、 固体分子进行对比， 才能理 解液体宏观上的特点。 （ 2 ） 液体表面张力是液体表面层内分子 间的作用力。 表面张力是根据效果 命名的力， 是液体表面层内分子力 的宏观表现。 （ 3 ） 表面张力的作用效果， 使液体表面 具有收缩的趋势 ， 使液体表面积 最小。 方法总结 58 学 第二章 气体、 固体和液体 （ 3 ） 毛细现象的应用： 棉花脱脂后能够吸水 的原因在于其内部有许多细小的孔道， 起到毛细管作用； 田间农作物的重要管 理措施是锄地松土， 防止土地板结， 其 目的是破坏土壤里的毛细管， 使地下水 分不会快速被吸引到地面而蒸发掉。 例 2 （多选） 把很细的玻璃管插入水中与 水银中， 如图所示， 正确表示毛细现 象的是 （ ） 解析： 因为水能浸润玻璃， A 正确； 水银不 浸润玻璃， C 正确； B 、 D 选项中管内外的 浸润情况不一致， 所以是不可能的。 答案： AC 变式训练 2 （多选） 同一种液体， 滴在固体 A 的表 面时， 出现如图甲所示的情况； 当把毛细管 B 插入这种液体时， 液面又出现图乙所示的 情况， 若 A 固体和 B 毛细管都很干净， 则 下列说法正确的是 （ ） A. 固体 A 和 B 管可能是同种材料 B. 固体 A 和 B 管一定是不同种材料 C. 固体 A 的分子对液体附着层内的分子的 引力比 B 管的分子对液体附着层内的分 子的引力小些 D. 液体对毛细管 B 有浸润现象 要点 3 液晶 1. 定义： 有些化合物像液体一样具有流动 乙甲 b F a F c d F F 水 水 BA DC 例 2 题图 水银 水银 本题考查对毛细现象的理解。 毛细 现象是液体表面张力和浸润、 不浸润共 同作用的结果， 宏观表现出浸润液体在 细管中上升及不浸润液体在细管中下降。 思路点拨 对浸润、 不浸润与毛细现象的理解要点： （ 1 ） 浸润与不浸润现象的实质都是分子 力作用的表现， 同一种物体， 对有 些液体浸润， 对另一些液体不浸润； 同一种液体， 对一些固体浸润， 对 另一些固体不浸润。 （ 2 ） 对于毛细现象， 是浸润和不浸润及 表面张力共同作用的结果， 表现出 浸润液体在毛细管内会上升， 不浸 润液体在毛细管内会下降。 方法总结 A B 变式训练 2 题图 甲 乙 59 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 性， 而其光学性质与某些晶体相似， 具有 各向异性， 处于这种状态的化合物叫作液 晶态。 2. 特点 （ 1 ） 液晶是一种介于固态和液态之间的物 质， 是有规则排列的有机化合物， 如果 把它加热则会呈现出透明的液体状态， 把它冷却则会出现结晶颗粒的浑浊固体 状态， 由于它的这种特性， 因而被称为 液晶。 （ 2 ） 液晶分子既保持排列有序性， 保持各向 异性， 又可以自由移动， 位置无序使它 像液体， 具有流动性， 而排列有序使它 像晶体， 所以液晶是有晶体结构的液体。 （ 3 ） 液晶在光照、 温度、 电场等外界作用 下， 会产生很多的光学性质。 目前使用 的液晶材料多数是人工合成的， 天然的 液晶材料很少。 （ 4 ） 液晶分子的排列从某个方向看比较整 齐， 但从另外一个方向看则是杂乱无 章的。 （ 5 ） 并不是所有物质都有液晶态， 通常棒状 分子、 碟状分子和平板状分子的物质容 易具有液晶态。 3. 应用 （ 1 ） 液晶显示器： 用于电子手表、 电子计算 器、 电脑等。 （ 2 ） 利用温度改变时液晶颜色会发生改变的 性质来探测温度。 （ 3 ） 液晶在电子工业、 航空工业、 生物医学 等领域有广泛的应用。 例 3 液晶电视在全球市场得到普遍接受。 关于液晶， 下列说法正确的是 （ ） A. 液晶是一种晶体 B. 液晶分子的空间排列是稳定的， 具有各 向异性 C. 液晶的光学性质随温度的变化而变化 D. 液晶的光学性质随外加电压的变化而变化 解析： 液晶不是晶体， 液晶是一种介于固态 和液态之间的物质， A 错误； 液晶分子的空 间排列并不稳定， 从某个方向看比较整齐， 但从另外一个方向看则是杂乱无章的， 液晶 具有各向异性， B 错误； 液晶在光照、 温 度、 电场等外界作用下， 会产生很多的光学 性质， C 、 D 正确。 答案： CD 思路点拨 注意理解液晶和晶体的共同点和不 同点。 液晶是一种介于固态和液态之间 的物质， 像液体一样具有流动性， 而其 光学性质与某些晶体相似， 具有各向异 性； 液晶分子的排列从某个方向看比较 整齐， 但从另外一个方向看则是杂乱无 章的； 外界条件的微小变化都会引起液 晶分子的排列变化， 从而改变液晶的某 些性质。 温度、 压力、 外加电压等因素 变化时， 都会改变液晶的光学性质。 方法总结 要注意对液晶的理解： （ 1 ） 液晶不是晶体， 是一种介于固态和 液态之间的物质。 （ 2 ） 液晶分子的排列是不稳定的， 外界条 件的微小变化都会引起液晶分子的 排列变化， 从而改变液晶的某些性 60 学 第二章 气体、 固体和液体 质。 温度、 压力、 外加电压等因素 变化时， 都会改变液晶的光学性质。 变式训练 3 关于液晶， 下列说法正确的是 （ ） A. 液晶是液体和晶体的混合物 B. 液晶分子在特定方向排列比较整齐， 但 不稳定 C. 电子手表中的液晶在外加电压的影响下， 能够发光 D. 所有物质在一定条件下都能成为液晶 拓 展 创 新 表面张力系数 设在液面上有一分界线， 长度为 l ， 实 验表明， 通过这一分界线相互作用的表面张 力 F 的大小与分界线的长度 l 成正比： F= σl 。 式中 σ 叫作表面张力系数， 数值等于液 体表面单位长度分界线上的表面张力。 （ 1 ） 表面张力系数 σ 与液体特性有关。 密度小、 容易蒸发的液体 （如乙醚、 酒精） 的 σ 值较小， 特别是液氢和液氦的 σ 值很 小； 不易蒸发的液体 （如水银） 的 σ 值较 大， 熔化了的金属的 σ 值很大。 （ 2 ） 温度升高时， σ 值减小。 （ 3 ） σ 值与相邻物质的化学性质有关。 如在 20 ℃ 时， 在水与苯为界的情形下， 水 的 σ 值为 33.6×10 -3 N/m ， 在与乙醚为界时 为 12.2×10 -3 N/m 。 （ 4 ） σ 值与物质中所含杂质有关， 加入 杂质能显著改变液体的 σ 值， 有的杂质能使 σ 值减小， 有的杂质能使 σ 值增大。 能使 σ 值减小的物质称为表面活性物质， 肥皂就是 最常见的能使水的 σ 值显著减小的表面活性 物质。 变式训练答案 1. C 2. BCD 3. B 61