大学物理第二章液体表面现象.ppt

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1、第二章液体的表面现象它们为什么可以漂在水面上液体的性质与其微观结构有关液体具有一定的体积，不易压缩。液体分子间距较气体小了一个数量级,为10-10m，分子排列较紧密，分子间作用力较大,其热运动与固体相似,主要在平衡位置附近作微小振动。液体没有一定形状，并具有流动性。这是由于液体分子振动的平衡位置不固定，是近程有序，即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。概述由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大，当液体与气体、固体接触时，交界处由于分子力作用而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。第一节液体的表面张力一、表面

2、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)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。(1)液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半径R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。日常生活中观察到的现象空气中或荷叶上的小水滴呈球状密度比水大的小钢针可以浮在水面水滴在水龙头上悬挂一段时间不掉下来小昆虫能停留在水面不下沉加热使玻璃的锐利边缘熔化，边缘变得圆滑表明液体表面具有像绷紧的弹性膜那样的张力。这种张力与固

3、体弹性膜的张力不同，它不是由于弹性形变引起的，称为表面张力。实验现象：实验表明：表面张力方向与液体表面相切，垂直作用在表面周界线上,并指向液面内侧。#①从分子运动论观点说明（微观本质）分子作用球：在液体内部任取一分子A,以A为球心，以分子有效作用半径R为半径作一球，称为分子作用球。球外分子对A无作用力，球内分子对A的作用力对称分布，合力为零。(3)表面张力产生的原因从表面层中任取一分子B，其受合力与液面垂直，指向液内，这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同,都受一个指向液体内部的合力。在这些力作用下，液体表面的分子

4、有被拉进液体内部的趋势。在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。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，这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。表面张力是宏观力，与液面相切;f⊥是微观力，与液面垂直。②从能量观点来分析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;各个分子势能增量的总和称为表面能，用E表示。我们想象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

5、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α为表面张力系数，数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力，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=αl。如图所示，铁丝框上挂有液膜，表面张力系数为α，将AB边无摩擦、匀速、等温地右移△x，在AB边上加的力为：F=2αl，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，表面能增加，若用△E

6、表示表面能增量，则：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，表面能的增加。(5)表面张力系数与表面能增量作用在BC上的表面张力f=2αl（双液面）fFBCl铁丝框有液膜，BC可滑动，。ΔS为增加的液面面积。Δx二、表面张力系数的测定（液滴测定法）ABd质量为M的待测液体吸入移液管，由管口下端缓慢流出，形成袋状水滴。当表面张力不足以支持重力时，水滴下落，则：W=f例2.2将空气等温地压缩进肥皂泡内，最后吹成半径为R=2.5×10-2m的肥皂泡。求增大肥皂泡内外表面积所需作的

7、功。肥皂水的α=2.5×10-2N·m-1。解肥皂泡内外表面积总增量为ΔS=4πR2×2(球有内、外两表面)故增大肥皂泡内外表面积所需作的功为#ΔA=α·ΔS=α·8πR2=3.93×10-4(J)#例2.3当半径为r=2.0×10-6m的许多小水滴融成半径为R=2.0×10-3m的大水滴时，求释放出的能量。解设大水滴由个n小水滴融合而成。这些小水滴表面积S=4πr2n大水滴表面积S0=4πR2小水滴融成大水滴时表面积减少，释放出的表面能ΔE=α·ΔS=α(S-S0)=4πα(r2n-R2)n个小水滴体积之和等于大水

8、滴体积,则代入前式，得=3.67×10-3(J)P34习题2-6：20km2的湖面上，下了一场大雨，水面上涨50mm，雨滴平均半径r=1.0mm，过程是等温的，求释放出的表面能?（已知α水=7.3*10-2N/m）与液体的性质有关：不同液体，α值不同；密度小、易挥发的液体α值较小。如酒精的α值很小，金属熔化后的α值很大。(P26表2-1)(6)