第2章 第2、3节 表面张力和毛细现象　材料及其应用（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版 福建专用）

第2、3节　表面张力和毛细现象　材料及其应用 (赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.观察液体的表面张力现象，了解表面张力产生的原因，知道毛细现象。 2.了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。 3.了解材料科学的有关知识及应用，体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响。 1.知道表面张力产生的原因及浸润和不浸润现象。 2.会用对比法解释液体的微观特性。 3.能探究液体表面张力的收缩趋势。 4.了解材料在工农业生产中的应用，用毛细现象解释生活中常见的有关现象。 一、表面张力 1.表面层 (1)定义：液体与气体接触的表面存在的一个薄层。 (2)特点：表面层分子的分布比液体内部稀疏。 2.表面张力 (1)定义：液体表面各部分间相互吸引的力。 (2)作用效果：因为表面张力的作用，液体表面总有要收缩到表面积最小的趋势，而体积相等的各种形状中，球形的表面积最小，因此小雨滴、小露珠等近似呈现球形；若液滴过大，重力的影响明显，则呈椭球形；在完全失重环境下，可形成标准的球形。 [质疑辨析] 　　把一枚缝衣针在手上蹭一蹭，然后放到一张棉纸上。用手托着棉纸，放入水中，棉纸浸湿下沉，而缝衣针会停在水面。请对以下结论作出判断。 (1)缝衣针会停在水面上，是针受浮力作用的结果。 (×) (2)缝衣针会停在水面上，是水表面张力作用的结果。 (√) (3)缝衣针会停在水面上，是浮力和水表面张力的共同作用结果。 (×) 二、浸润与不浸润　毛细现象 1.浸润与不浸润及相关的概念 (1)浸润：液体润湿并附着在固体表面上的现象。 (2)不浸润：液体不润湿也不附着在固体表面上的现象。 (3)附着层：液体跟固体接触时，在接触处会形成一液体薄层。 (4)内聚力：附着层中的液体分子受到的液体内部分子的吸引力。 (5)附着力：附着层中的液体分子受到的固体分子的吸引力。 (6)如果内聚力大于附着力，这时跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润现象。反之，则形成浸润现象。 2.毛细现象的定义和特点 (1)定义：浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象。 (2)毛细管：能够发生毛细现象的管。 (3)特点：水在玻璃管中会出现凹面；水银在玻璃管中则会出现凸面。且管的内径越小，前者水面越高，后者水银面越低。 [情境思考] 　　把一块玻璃分别浸入水和水银里再取出来，观察到从水银中取出来的玻璃上没有附着水银，从水中取出的玻璃上沾着一层水。为什么会出现上述两种不同的现象呢? 提示：玻璃和水发生了浸润，玻璃和水银不浸润。 三、液晶 1.定义：既具有像液体那样的流动性和连续性，又具有像晶体那样的各向异性特点的流体。 2.性质：外界条件的微小变化，会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质。例如温度、压力、摩擦、电磁作用、容器的表面差异等，都可能改变液晶的光学性质。 3.应用：(1)彩色液晶显示屏； (2)液晶测温。 [情境思考] 　　如图所示的液晶既具有液体的特性，又具有晶体的特性，那么，液晶是液体和晶体的混合物吗? 提示：不是。 四、材料及其应用 1.材料的种类 (1)按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料两类。 (2)按照材料的应用领域，可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。 (3)按照习惯，把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。 2.材料的应用 (1)半导体：是一种具有优异特性的微电子材料，主要是硅和砷化镓，其中硅是制造晶体管和集成电路的主要材料。 (2)纳米材料：纳米是长度单位，1 nm=10-9 m，粒度在1~100 nm 的材料称为纳米材料。 (3)石墨烯：由单层碳原子构成的材料，具有优异的光学、电学、力学特性，可制作传感器和晶体管。 强化点(一)　液体表面张力的理解及应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　为什么曲别针没有沉入到烧杯的底部?为什么水黾可以停在水面上? 提示：曲别针和水黾可以在水面上静止是由于液体表面存在表面张力的作用。 [要点释解明] 1.液体表面张力的形成原因 液体表面层分子比较稀疏，分子间的作用力表现为引力，使液体产生了表面张力，就像液体表面有一层绷紧的弹性膜。 2.表面张力的方向 表面张力的方向和液面相切，垂直于液面上的各条分界线，如图所示。 3.表面张力的大小 除了跟分界线长度有关外，还跟液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力就越小。另外，杂质也会明显地改变液体的表面张力大小。比如洁净的水有很大的表面张力，而肥皂液的表面张力就比较小。 4.表面张力的作用 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。 　　[典例]　关于液体的表面张力，下列说法正确的是 (　　) A.液体表面张力是液体各部分之间的相互吸引力 B.液体表面层分子的分布比内部稀疏，分子间作用力表现为零 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相垂直 [解析]　液体表面张力是液体表面各部分之间相互吸引的力，选项A错误；液体的表面层分子要比内部稀疏些，分子间的距离较内部分子间距离大，表面层分子间作用力表现为引力，选项B错误；液体的表面张力总使液面具有收缩的趋势，选项C正确；液体表面张力的方向总是与液面相切，跟液面分界线相垂直，选项D错误。 [答案]　C [思维建模] 表面张力的特点 (1)表面张力是液体表面层分子间的作用力的宏观表现。 (2)表面张力的方向与液面相切，垂直于分界线。 (3)表面张力的大小由分界线的长度、液体的种类、纯净度和温度等因素来决定。 (4)表面张力的作用是使液体表面积有收缩到最小的趋势。 [题点全练清] 1.液体表面具有收缩的趋势，其原因是 (　　) A.由于液体表面分子间距离小于平衡距离r0，液面分子间作用力表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势 B.由于液体表面分子间的距离大于平衡距离r0，液面分子间作用力表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势 C.由于液体表面的分子受到外部空气分子的吸引力，所以液体表面具有收缩的趋势 D.因液体具有流动性，所以液体表面具有收缩的趋势 解析：选B　液体表面之所以具有收缩的趋势，与其结构密不可分。在液体的表面层中，液体分子的分布比较稀疏，因此分子间的距离大于平衡距离r0，故液面分子间作用力表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势，故B正确，A、C、D错误。 2.如图所示，先把一个棉线圈拴在铁丝环上，再把铁丝环在肥皂液里浸一下，使铁丝环上布满肥皂液薄膜。如果用热针刺破棉线圈里那部分薄膜，则棉线圈将成为圆形，主要原因是 (　　) A.液体表面层分子间的斥力作用 B.液体表面受重力作用 C.液体表面的张力作用 D.棉线圈的张力作用 解析：选C　由于液体表面层内分子间距离比较大，分子间的作用力表现为引力，液体产生了表面张力，使得液体表面具有收缩的趋势，故松弛的棉线圈变为圆形，C正确。 3.(2025·晋江高二月考)航天员在“太空课堂”中，演示了一精彩的实验——水球实验。航天员往水膜内注入纯净水，让它变成一个“完美”的大水球。产生这种现象的主要原因是水球表面层分子相对液体内部分子较　　　　(填“稀疏”或“密集”)，表面层分子间的相互作用力表现为引力，正因为这个表面张力的作用，使得液体表面积尽可能地　　　　　　(填“缩至最小”或“扩至最大”)，于是在失重环境下形成“完美”的大水球。  解析：失重的情况下，形成一个完美的大水球的主要原因是水球表面层分子相对液体内部分子较稀疏，表面层分子间的相互作用力表现为引力，正因为这个表面张力的作用，使得液体表面积尽可能地缩至最小。 答案：稀疏　缩至最小 强化点(二)　浸润、不浸润和毛细现象分析 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　如图所示，几根内径粗细不同的细玻璃管插入一浅水槽和水银槽中，出现了图中的几种现象。 (1)可以看到什么现象发生? (2)这是什么物理现象?从以上实验中可以看出这种现象的明显程度与什么因素有关呢? 提示：(1)管内水面高出水槽内水面，而且越细的管，水面上升得越高。管内水银面低于水银槽内水银面，而且越细的管，水银面下降得越多。 (2)浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象，叫作毛细现象。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。 [要点释解明] 1.浸润和不浸润现象成因 (1)附着层内分子受力情况：液体和固体接触时，接触的位置形成一个液体薄层，叫作附着层，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吸引力时，附着层内液体分子比液体内部分子稠密，附着层中分子间作用力表现为斥力，具有扩张的趋势，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吸引力时，附着层内液体分子比液体内部分子稀疏，附着层中分子间作用力表现为引力，具有收缩的趋势，这时表现为液体不浸润固体。 2.毛细现象成因 (1)两种表现：浸润液体在细管中上升，以及不浸润液体在细管中下降。 (2)产生原因：毛细现象的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，此时管内液面呈凹形，因为水的表面张力作用，液体会受到一向上的作用力，因而管内液面要比管外高；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。 　　[典例]　关于浸润和不浸润及毛细现象，下列说法中正确的是 (　　) A.水银是浸润液体，水是不浸润液体 B.在内径小的容器里，如果液体能浸润容器壁，则液面成凹形，且液体在容器内上升 C.如果固体分子对液体分子的引力较弱，就会形成浸润现象 D.两端开口、内径不同的几支细玻璃管竖直插入水中，管内水柱高度相同 [解析]　 液体对固体是否发生浸润现象，是由液体和固体共同决定的，A错误；如果液体浸润容器壁就会形成凹面，且液体在容器中上升，B正确；如果固体分子对液体附着层分子的引力小于液体内部分子间的引力，会看到液体的不浸润现象，C错误；内径不同的几支细玻璃管竖直插入水中，管内水柱的高度不同，管越细，高度越高，毛细现象越明显，D错误。 [答案]　B [思维建模] (1)对同一种固体，有些液体浸润，有些液体不浸润；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。例如，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。 (2)浸润情况下，管内液面呈凹形，管内液面要比管外高；不浸润情况下，管内液面呈凸形，管内液面比管外低。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。 [题点全练清] 1.(2025·龙岩高二检测)(双选)如图所示的现象中，下列说法正确的是 (　　) A.图甲为浸润现象，图乙为不浸润现象 B.图甲中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏 C.图乙中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏 D.图甲中表面层分子比液体内部稀疏，而图乙中表面层分子比液体内部密集 解析：选AC　由题图可知，题图甲为浸润现象，题图乙为不浸润现象，A正确；题图甲中附着层的液体分子比液体内部的分子密集，B错误；题图乙中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏，C正确；题图甲和题图乙中表面层的分子都比液体内部的分子稀疏，D错误。 2.两端开口、粗细相同的洁净玻璃管A和塑料管B竖直插入水中，管中液面的高度如图所示，则 (　　) A.A中是毛细现象，B中不是毛细现象 B.A中是不浸润现象，B中是浸润现象 C.B管壁附近水分子间的作用力表现为引力 D.只减小两管的直径，管中的液面均上升 解析：选C　管A中浸润液体在细管中上升和管B中不浸润液体在细管中下降的现象都是毛细现象，A、B错误；B管壁附近水分子间距大，表现为引力，C正确；细管越细，毛细现象越明显，只减小两管的直径，A管液面上升，B管液面下降，D错误。 3.(2025·福建建瓯高二检测)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，液面又出现图乙的情况。若A固体和B毛细管都很干净，则A固体和B管一定　　　　(选填“是”或“不是”)同种材料，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　　　　(选填“大”或“小”)。  解析：该液体不能附着在A的表面，所以对A是不浸润的；当把毛细管B插入这种液体时，液面呈现凹形说明液体对B是浸润的，所以A与B一定不是同种材料。根据浸润与不浸润的特点可知，浸润时，附着层内的分子引力小于固体对分子的引力；而不浸润时，附着层内的分子引力大于固体对分子的引力，所以固体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。 答案：不是　小 强化点(三)　液晶的特点及应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 随着人们对物质状态认识的深入，发现物质除了通常呈现的固态、液态和气态外，还存在着一些其他的状态，如等离子态、液晶态、超导态、中子态等。其中的液晶态具有的一些独特的光学性质，被人们不断地认识和应用。液晶可以作为显示元件，这利用了液晶的什么性质? 提示：液晶可用作显示元件是利用了其光学性质的各向异性。液晶受外加电压的影响，会由透明状态变成混浊状态而不再透明，去掉电压，又恢复透明，当输入电信号，加上适当电压，透明的液晶变得混浊，从而显示出设定的文字或图像。 [要点释解明] 1.液晶的主要性质 (1)液晶具有晶体的各向异性的特点 原因是在微观结构上，从某个方向看，液晶的分子排列比较整齐，有特殊的取向。 (2)液晶具有液体的流动性 原因是从另一方向看，液晶分子排列是杂乱的，因而液晶又具有液体的性质，具有一定的流动性。 (3)液晶的物理性质情况 液晶的物理性质很容易受外界的影响(如电场、压力、光照、温度)而发生改变。 2.液晶的主要应用 (1)制成各种液晶显示器。 (2)利用温度效应探测温度、探查肿瘤。 　　[典例]　液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器，由于机身薄、省电、辐射低等优点深受用户的青睐。下列关于液晶的说法正确的是 (　　) A.液晶都是人工合成的，天然的液晶并不存在 B.液晶既有液体的流动性，又有晶体的各向同性 C.当某些液晶中渗入少量多色性染料后，在不同的电场强度下，对不同颜色的光的吸收强度不一样，这样就能显示各种颜色 D.液晶的结构与液体的结构相同 [解析]　液晶有人工合成的，也有天然的，例如液晶也存在于生物结构中，故A错误；液晶既有液体的流动性，又有晶体的各向异性，故B错误；当某些液晶中渗入少量多色性染料后，在不同的电场强度下，对不同颜色的光的吸收强度不一样，这样就能显示各种颜色，故C正确；液晶是介于液态与固态之间的一种物质状态，其结构与液体的结构不同，故D错误。 [答案]　C [误区警示] 解决液晶问题的注意事项 (1)液晶既有液体的特点，也有晶体的特点。 (2)液晶不是液体，也不是晶体。 (3)液晶分子的排列是不稳定的，外界条件的微小变动，都会引起液晶分子排列的变化。 (4)液晶是既有流动性和连续性又具有各向异性，介于液体和晶体之间的特殊流体。 [题点全练清] 1.下列属于液晶态的分子示意图的是 (　　) 解析：选B　液晶在某个方向上看，其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的。选项A、C中分子排列非常有序，不符合液晶分子的排列规律，故A、C错误；选项B中从某个角度看分子排列比较整齐，但从另外一个角度看也具有无序性，符合液晶分子的排列规律，故B正确；选项D中，分子排列是完全无序的，不符合液晶分子的排列规律，故D错误。 2.下列关于液晶的说法中正确的是 (　　) A.液晶在电压作用下的光学性质不会改变 B.液晶的状态不会受温度的影响 C.液晶和液体没有区别 D.在显示器方面的应用是液晶的主要应用方向 解析：选D　温度、压力、电磁作用等可以改变液晶的光学性质，故A、B错误；液晶具有液体和晶体的性质，与一般的液体并不相同，故C错误；液晶由于受电压等因素的影响可以改变其光学性质，所以目前在显示器方面的应用是液晶的主要应用方向，故D正确。 强化点(四)　材料及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 观察常见笔的笔杆、笔尖和手持部分的制成材料，如图所示。 (1)笔的组成材料有哪些?它们各有什么特性? (2)为什么不同部分的制作材料不同? 提示：(1)笔杆的材料是硬质塑料，透明且硬度较大；笔尖用金属制成，硬度大；手持部分用橡胶制成，较软。 (2)不同部分对材料的性能要求不同。 [要点释解明] 1.新材料及其应用 新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、新型无机非金属材料、复合材料、光电子材料等。 (1)新型金属材料：有铝合金、镁合金、钛合金以及稀有金属，它们在导电、航空航天、原子能方面有广泛用途。 (2)高分子合成材料：有合成橡胶、塑料和化学纤维等。它们在火箭、建筑、医疗、交通、服装、农业、国防上有广泛用途。 (3)新型无机非金属材料：有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料。它们在燃气机制造、磁流体发电机、通信、工业、科学研究等方面有广泛用途。 (4)复合材料：可分为结构复合材料和功能复合材料。它们在航空航天、电子工业、生活用品、新能源技术、信息技术、海洋工程等方面有广泛用途。 (5)光电子材料：有光电子半导体材料、光导纤维、薄膜材料、液晶显示材料。它们在光电子器件、光通信、光计算、激光技术等方面有广泛用途。 2.纳米材料及其应用 (1)纳米技术：在纳米尺度(1~100 nm)上制造材料和器件的技术。即重新排列原子而制造具有新分子结构的技术。 (2)纳米材料有纳米金属、纳米磁场材料、纳米陶瓷材料、有机—无机纳米复合物、纳米传感材料、纳米医用材料等。 (3)纳米材料应用领域：能源、环保、通信、航空航天、医疗、日常生活等。 　　[典例]　关于材料的分类，以下说法不正确的是 (　　) A.按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料 B.功能材料主要是利用材料的力学性质 C.按照材料的应用领域，可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等 D.根据不同的分类方法，同一种材料可以同属于多种类型材料 [解析]　按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料，A正确；功能材料主要是利用材料的声、光、热、电、磁等特性，B错误；按照材料的应用领域，可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等，C正确；根据不同的分类方法，同一种材料可以同属于多种类型材料，例如，铝既属于金属材料，又属于导电性很强的功能材料，还属于航空航天材料，D正确。 [答案]　B [题点全练清] 1.材料的应用和发展与人类文明进步密切相关，下列材料属于合金的是 (　　) A.陶瓷 B.青铜 C.塑料 D.水银 解析：选B　陶瓷属于非金属材料，A错误；青铜属于铜和锡(或铅)的合金，B正确；塑料属于有机高分子合成材料，C错误；水银是单质，不属于合金，D错误。 2.(双选)下列关于材料的说法正确的是 (　　) A.金属材料是指金属及其合金，通常纯金属的性能优于合金 B.合成橡胶、合金都属于合成复合材料 C.塑料属于有机高分子材料 D.玻璃是用硅酸盐做成的无机非金属材料 解析：选CD　金属材料主要是指金属及其合金，一般来讲，合金的性能优于金属单质，所以日常的应用中，合金比金属单质使用得更广泛，A错误；合金属于金属材料，而塑料、橡胶都属于有机高分子材料，B错误，C正确；玻璃的主要成分是硅酸盐，属于无机非金属材料，选项D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $