第2章 第4节 液体的表面张力-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（粤教版2019）

第四节　液体的表面张力 1．了解液体的表面张力现象，能解释液体表面张力产生的原因.2.了解浸润和不浸润现象及毛细现象产生的原因． 一　表面张力 1．定义：液体表面层单位体积内的分子数目相对液体内部会更少，分子间距相对更大一些，因而表面层分子间的分子力表现为引力．这种使液体表面收缩的相互作用的张力称为表面张力． 2．作用：表面张力使得液滴的表面积尽可能地减小．在体积一定的情况下，球形在所有几何体中的表面积最小，所以露珠的形状更接近于球形． 二　毛细现象 1．浸润和不浸润 (1)浸润：液体与固体的接触面有扩张的趋势，液体会附着在固体上，这种现象称为浸润． (2)不浸润：液体与固体的接触面有收缩的趋势，液体不会附着在固体上，这种现象称为不浸润． (3)附着层：在液体与固体接触的地方有薄薄的一层液体，其性质与液体内部不同，称其为附着层．附着层中的液体分子所受液体内分子力的作用与固体分子力的作用的大小不同，因而表现为浸润或不浸润． 2．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．管的内径越细，液体上升或下降得越高． 1．判一判 (1)表面张力的作用是使液面具有收缩的趋势，是分子力的宏观表现．(　　) (2)表面张力是液体内部各分子间的相互作用．(　　) (3)液体内部分子间距小于液体表面层的分子间距．(　　) (4)液体在细管中上升，是不浸润现象的体现．(　　) (5)水对所有固体都浸润．(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)× 2．想一想 雨伞伞面选择的是对水浸润还是不浸润的布料？小水珠落在伞面上为什么不会透过经纬线间的空隙？ 提示：要增强雨伞的防水作用，伞面要选择对水不浸润的布料；布料经纬线间空隙很小，小水珠落在伞面上由于表面张力的作用不能透过空隙． 课堂任务　表面张力 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：在日常生活中，有时会发现一些有趣的现象：挂在草叶尖的水珠是球状的(如图甲)，水黾可以停在水面上而不会沉入水里(如图乙)，硬币能浮在水面上……这些现象有什么共同特点？ 提示：都发生在液体的表面． 活动2：如图丙所示①和②、③和④两组实验：将棉线松弛地系在铁丝环上，在肥皂水里浸过后就留下一层肥皂水的薄膜(图①③)，用烧热的针刺破一侧的薄膜，剩下的薄膜会发生如图②④所示的变化，这说明液体表面有什么性质？ 提示：液体的表面就像绷紧的橡皮膜一样，总是有收缩的趋势． 活动3：从微观的角度来看，液体的表面并不是一个几何面，而是一个厚度为分子力有效作用距离(数量级为10－9 m)的薄层．我们可以把分子力的作用范围认为是一个半径等于分子力有效作用距离的球，这个球称为分子作用球．由于分子斥力的有效作用距离比分子引力的有效作用距离小得多，分子斥力作用球的半径远小于分子引力作用球的半径．据此，试利用图丁，从液体微观结构中分子力的角度来解释活动2中的现象． 提示：设液体内有一分子A，如图丁所示，由于分子A的分子作用球处于液体内部，液体内的分子均匀分布，对于分子A来说其分布是球对称的，因此液体内所有分子对分子A的斥力和引力的合力为零．设在液体表面层内有一分子B，如图丁所示，以分子B为中心的分子作用球一部分在液体外，由于分子斥力作用球的半径远小于分子引力作用球的半径，分子B的分子斥力作用球仍处于液体内，其受到的分子斥力仍是球对称的，但分子B所受的分子引力就不再是球对称的．由于缺少了液体表面层外这部分分子的引力，作用在分子B上的全部分子引力的合力f垂直液面指向液体内．由此，液体表面层单位体积内的分子数目相对液体内部会更少，分子间距相对更大一些．因而表面层分子间的分子力表现为引力，液体的表面总是有一种收缩的趋势，就好像被绷紧的橡皮膜． 1．表面张力的形成 (1)分子分布：液体表面层的分子分布比液体内部分子稀疏． (2)分子力特点：在液体内部，分子间平均距离r略小于r0，分子间的作用力表现为斥力；在表面层，分子比较稀疏，分子间距离r略大于r0，分子间的作用力表现为引力． (3)表面特性：表面层分子间的引力使液面产生了表面张力，液体表面好像绷紧的橡皮膜． (4)表面张力的方向：与液面相切，垂直于分界面．如图所示． 2．表面张力的作用 表面张力使液体表面具有收缩的趋势，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． 例如，吹出的肥皂泡呈球形，滴在洁净玻璃上的水银滴呈球形．(由于受重力的影响，往往呈扁球形，在失重条件下才呈球形) 例1　(多选)关于液体，下列说法正确的是(　　) A．液体的表面有收缩到最小表面积的趋势 B．液体表面层里的分子比液体内部的分子排得较紧密，是表面张力作用的结果 C．液体表面层里的分子间距离比平衡距离大些，是表面张力存在的原因 D．表面张力使液面具有收缩的趋势，所以表面张力的方向垂直于液面指向液体的内部 液体表面层的分子间距与内部的分子间距大小相同吗？ 提示：不同，表面层的分子间距较大． [规范解答]　液体内部分子间的平均距离略小于分子间的平衡距离(r0)，内部分子间作用力为斥力；液体表面层里的分子间平均距离比分子间的平衡距离(r0)大，分子间作用力表现为引力，所以，液体的表面均呈现表面张力现象．表面张力是液体表面各部分之间的吸引力，使液面具有收缩的趋势，表面张力的方向与液面相切．A、C正确，B、D错误． [答案]　AC 　解答液体表面张力问题的技巧 解答液体的表面张力问题，应熟练掌握液体的表面张力形成的原因、表面特性、表面张力的方向、表面张力的效果等． [变式训练1]　(多选)下面有关表面张力的说法中，正确的是(　　) A．表面张力的作用是使液体表面伸张 B．表面张力的作用是使液体表面收缩 C．有些小昆虫能在水面上自由行走，这是由于有表面张力的缘故 D．用滴管滴液滴，滴的液滴总是球形，这是由于表面张力的缘故 答案　BCD 解析　表面张力的作用效果是使液体表面收缩，B正确，A错误；由于表面张力，液面被压弯并收缩，使小昆虫浮在液面上，C正确；由于表面张力，液滴表面收缩成球形，D正确． 课堂任务　浸润和不浸润及毛细现象 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：如图甲，水珠会附着在玻璃面上，但是在蜡面上却可以滚来滚去，类似的还有：水银珠在玻璃板上可以滚来滚去，但是却能附着在铅板上，对此可以总结出什么？ 提示：水能润湿玻璃，但不能润湿蜡；水银能润湿铅板，但不能润湿玻璃，这说明一种液体能否润湿某种固体，与这两种物质的性质都有关． 活动2：观察图乙玻璃管中的水和水银，考虑能否用分子动理论解释水润湿玻璃与水银不润湿玻璃这类现象？ 提示：水银不润湿玻璃管，可能是玻璃管表面的分子对接触处水银分子的吸引力比水银内部分子对接触处水银分子的作用力弱，引起接触处的水银分子数密度减小，分子引力使水银表面收缩，与玻璃管分离．对比可知，水润湿玻璃，可能是玻璃管表面的分子对接触处水分子的吸引力比内部水分子对接触处水分子的作用力强，引起接触处的水分子数密度增大，分子斥力使水表面扩张，附着在玻璃管上． 活动3：如图丙所示，水能润湿玻璃，两端开口的玻璃管中的液面比水面高，水不能润湿塑料，两端开口的塑料笔芯管中的液面比水面低，图丁是水在玻璃管中上升的放大图，能否用液体的表面张力解释这类现象？ 提示：水能润湿玻璃，水的表面张力形成向上的拉力，促使液面上升，当管中液体上升到一定高度，液柱所受的重力与液面边缘使它向上的力平衡时，液面不再上升．水不能润湿塑料，水的表面张力形成向下的拉力，促使液面下降，当管中液体下降到一定高度，水面与管中液面的压力差与管中液面边缘使它向下的力平衡时，液面不再下降． 1．浸润和不浸润现象的理解 浸润与不浸润现象是分子力作用的表现．在液体与固体接触的地方有薄薄的一层液体，其性质与液体内部不同，我们称其为附着层．附着层的液体分子既要受液体内分子力的作用，也要受固体分子力的作用．若液体内分子的引力更大，则附着层中液体分子的密度变小，液体分子间距增大，相互间的分子力表现为引力，此时附着层有收缩的趋势，表现为不浸润．若固体分子的引力更强，则附着层中液体分子的密度更大，液体分子间距减小，相互间的分子力表现为斥力，此时附着层有扩张趋势，从而表现为浸润．液体能否浸润固体，取决于液体和固体两者的性质，而不单纯由液体或固体单方面性质决定．同一种液体，对一些固体是浸润的，对另一些固体是不浸润的，如水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡；水银不能浸润玻璃，但能浸润铅、锌等． 2．毛细现象的解释 当毛细管插入浸润液体中时(如图1)，液体表面张力形成向上的拉力，管内液体向上运动．直到表面张力向上的拉伸作用与管内升高的液体重力相等时，达到平衡，液体停止上升，稳定在一定的高度． 当毛细管插入不浸润液体中时(如图2)，液体表面张力形成向下的拉力，管内液体向下运动．当使液面弯曲下压的力与管内外液面的压力差相等时，管内液面不再下降． 　(1)毛细现象是表面张力作用的结果；浸润时表面张力产生的附加压强指向液体外，不浸润时产生的附加压强指向液体内． (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，即毛细现象越明显． 例2　一种液体不浸润某种固体的原因是(　　) A．附着层中液体分子对固体分子的吸引比固体分子之间的吸引弱 B．附着层中液体分子对固体分子的吸引比固体分子之间的吸引强 C．固体分子对附着层中液体分子的吸引比液体内部分子对附着层中液体分子的吸引弱 D．固体分子对附着层中液体分子的吸引比液体内部分子对附着层中液体分子的吸引强 (1)浸润与不浸润比较的是哪两个作用力？ 提示：比较固体分子对附着层中液体分子的作用力和液体内分子对附着层中液体分子的作用力． (2)不浸润时哪个作用力较强？ 提示：液体内分子的作用力较强． [规范解答]　液体不浸润固体，原因是附着层中液体分子和与之接触的固体分子之间的引力比附着层中液体分子与液体内分子之间的引力弱，故选C. [答案]　C [变式训练2]　(多选)把极细的玻璃管分别插入水中与水银中，如图所示，正确表示毛细现象的是(　　) 答案　AC 解析　因为水能浸润玻璃，所以A正确，B错误．水银不能浸润玻璃，C正确，D错误． 1．(液体的表面张力)做这样的实验：如图所示，先把一个棉线圈拴在铁丝环上，再把环在肥皂水里浸一下，使环上布满肥皂液的薄膜．如果用热针刺破棉线里那部分薄膜，则棉线圈将成为(　　) A．椭圆形 B．长方形 C．圆形 D．任意形状 答案　C 解析　液体在表面张力的作用下有收缩到最小表面积的趋势，因此棉线圈将成为圆形，故A、B、D错误，C正确． 2．(浸润和毛细现象)(多选)下列关于浸润(不浸润)现象与毛细现象的说法，正确的是(　　) A．水可以浸润玻璃但不能浸润蜂蜡 B．浸润液体和不浸润液体都有可能发生毛细现象 C．浸润液体都能发生毛细现象，不浸润液体都不能发生毛细现象 D．浸润液体和不浸润液体在细管中都上升 答案　AB 解析　水可以附着在玻璃表面上，也就是浸润玻璃，但不会附着在蜂蜡上，也就是说不浸润蜂蜡，所以同一液体对不同的固体，有的可能浸润，有的可能不浸润，这与液体和固体的分子作用力有关．浸润液体和不浸润液体都能发生毛细现象，在细管中沿管壁上升的是浸润液体，在细管中沿管壁下降的是不浸润液体．故A、B正确，C、D错误． 3．(毛细现象)(多选)水对玻璃是浸润液体，而水银对玻璃是不浸润液体．它们在毛细玻璃管中将发生上升或下降的现象．现把粗细不同的三根毛细玻璃管插入水和水银中，如图所示．其中正确的现象应是(　　) 答案　AD 解析　解答本题应把握以下两点：(1)浸润液体和不浸润液体具有不同的毛细现象．(2)毛细管越细，内、外液面的高度差越大．浸润液体在毛细管内上升，管越细，上升得越高；不浸润液体在毛细管内下降，管越细，下降得越多，故A、D正确，B、C错误． 4．(综合)对于液体在器壁附近的液面发生弯曲的现象，如图所示，对此有下列几种解释，其中正确的是(　　) ①Ⅰ图中表面层分子的分布比液体内部疏 ②Ⅱ图中表面层分子的分布比液体内部密 ③Ⅰ图中附着层分子的分布比液体内部密 ④Ⅱ图中附着层分子的分布比液体内部疏 A．只有①对 B．只有①③④对 C．只有③④对 D．全对 答案　B 解析　浸润的情况下，液体会沿着器壁上升，这是由于附着层中分子相互排斥，同时表面层中分子相互吸引的结果；不浸润的情况下，液体会沿着器壁下降，这是由于附着层中分子和表面层中分子均相互吸引的结果．由于液体内部分子力约为零，因此当附着层分子的分布比液体内部疏时，分子力表现为引力，当附着层分子的分布比液体内部密时，分子力表现为斥力，故选B. 5．(浸润和不浸润)下列对浸润与不浸润现象的认识正确的是(　　) A．水是浸润液体，水银是不浸润液体 B．浸润现象中，附着层里分子比液体内部稀疏 C．不浸润现象中，附着层中的分子受到固体分子的吸引较液体内部分子的吸引强 D．不浸润现象中，附着层分子间表现出吸引力；浸润现象中，附着层分子间表现出排斥力 答案　D 解析　一种液体是否浸润某种固体，与这两种物质的性质均有关，不能肯定哪种液体是浸润液体或不浸润液体，A错误；在浸润现象中，附着层中分子受到固体分子吸引力较液体内部分子吸引力大，分子分布比液体内部更密，因此在附着层液体分子表现出相互排斥的力，附着层有扩张的趋势，在不浸润现象中则相反，B、C错误，D正确． 6．(综合)下面说法正确的是(　　) A．鸭子从池塘中出来，羽毛并不湿——毛细现象 B．细玻璃棒尖端放在火焰上烧熔后尖端变成球形——表面张力 C．压紧土壤可以把地下水分引上来——不浸润现象 D．保存地下的水分就要把地面的土壤锄松——表面张力 答案　B 解析　鸭子从池塘中出来，羽毛并不湿，是不浸润现象，故A错误；细玻璃棒尖端放在火焰上烧熔后尖端变成球形，是因为表面张力具有使液体表面绷紧即减小表面积的作用，而体积相同情况下球的表面积最小，故呈球形，B正确；压紧土壤可以把地下水分引上来，是浸润液体在毛细管中上升的现象，故C错误；保存地下的水分就要把地面的土壤锄松，防止毛细现象的发生，故D错误． 7．(表面张力)(多选)下列说法正确的是(　　) A．竹筏漂在水面上是表面张力作用的结果 B．利用失重制造完美的金属球利用了表面张力 C．肥皂泡中气体的压强大于大气压 D．液体内部分子间作用力表现为零 答案　BC 解析　竹筏漂在水面上是浮力作用的结果，A错误；在表面张力的作用下，熔融金属液体的表面具有收缩到表面积最小的趋势，体积相等时，球形的表面积最小，B正确；在表面张力的作用下，肥皂泡中气体的压强大于大气压，C正确；在表面张力的作用下，液体的表面具有收缩到表面积最小的趋势，因此略微压缩液体，从而使液体内部分子间距略小于平衡距离r0，液体内部分子间作用力表现为斥力，D错误． 8．(毛细现象)用内径很细的玻璃管做成的水银气压计，其读数比实际气压(　　) A．偏高 B．偏低 C．相同 D．无法判断 答案　B 解析　水银对玻璃是不浸润的，由于玻璃管内径很细，则会产生毛细现象，对液柱起压低作用，所以水银柱高度降低，示数偏低，则B正确． 9．(综合)2022年3月23日，中国空间站第二次太空授课，演示了在失重环境下水的表面张力将两个塑料板连接起来的“液桥”实验．已知表面张力大小F＝σL，其中L为长度，σ为表面张力系数，表示不同液体表面张力大小的性质，则σ的单位用国际单位制中的基本单位可表示为(　　) A．kg/m B．kg/m2 C．kg/s D．kg/s2 答案　D 解析　设L＝x m时，对应表面张力大小F＝y N，根据F＝σL，可得σ＝＝＝＝ kg/s2，可知σ的单位用国际单位制中的基本单位可表示为kg/s2，D正确，A、B、C错误． 10．(综合)立方体玻璃容器内盛一定体积的水，盖上玻璃盖后置于完全失重环境下，则容器内水(图中阴影区域)的形状可能是(　　) 答案　A 解析　水处于完全失重状态，由于水对玻璃的浸润性，在表面张力的作用下，水应该吸附在容器的内表面呈现A的形状． 11．(综合)(多选)规范佩戴医用防护口罩是预防新冠肺炎的有效措施之一，合格的医用防护口罩内侧所用材料对水都是不浸润的，图甲为一水滴落在某防护口罩内侧的示意图，图乙为两个水分子的分子力曲线．以下说法正确的是(　　) A．图甲中的口罩为不合格产品 B．图甲中水滴形状的成因与液体表面张力有关 C．图甲中水滴和与之接触的口罩的相互作用比水分子间的相互作用强 D．水滴表面相邻两分子的间距可能对应图乙的C点 答案　BD 解析　根据题意，水对合格的医用防护口罩内侧所用材料不浸润，由题图甲可知水没有浸润口罩内侧，所以题图甲中的口罩为合格产品，故A错误；题图甲中小水滴为椭球形是液体表面张力造成的，故B正确；题图甲中水滴不浸润与口罩接触的部分，所以水滴和与之接触的口罩的相互作用比水分子间的相互作用弱，C错误；水滴表面相邻两分子间的作用力表现为引力，间距略大于平衡距离r0，可能对应题图乙的C点，故D正确． 10 学科网（北京）股份有限公司 $$