神奇的表面张力和毛细现象(修改20120822).doc

神奇的表面张力和毛细现象赵 理 阳作者简介：赵理阳，男，14岁，四川师范大学附属实验学校初2013级7班。摘要：表面张力及其引发的毛细现象在日常生活和生产中都有着广泛的应用。本文列举了生活中有关表面张力和毛细现象的一些有趣实例，并予以解释分析，得出了这类现象的一般性结论。关键词：表面张力；毛细现象生活中有很多有趣的东西值得我们去思考和探索，下面就是我们常见的一些感觉很神奇的现象：1）夏天的清晨，圆滚滚的露珠在荷叶上滚动，晶莹剔透。荷叶上的水珠，较小的几乎呈现球形，较大的则由于重力中用呈现橄榄球状。2）有些小昆虫“轻功”极好，可以做到“水上飘”，在池塘水面上行走自如。3）家里用的不粘锅锅底跟荷叶一样，是怎么做到不粘水的呢？4）常言说“水往低处流”，植物的根茎和树干里面却是“水往高处走”，是什么力量把地下的水分输送到远离底面数十米高的树冠呢？实际上，这些都是液体的表面张力和毛细现象所引发的。1. 什么是表面张力液体（如水、油等）具有一种使表面收缩的力量，它可以使整个表面处于紧绷的状态，这种力量叫做“表面张力”，荷叶上的水呈现球状，水龙头滴下的水滴呈现圆形，都是表面张力作用的结果。表面张力是一种物理效应，水与空气相接触时，会形成一个表面层。在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能够使水的液面自动收缩。处于水体表面层中的水分子比水体内部水分子稀疏，由于表面张力的作用，使得水体表层犹如一张绷紧的薄膜，有收缩趋势，从而使得水体尽可能地缩小它的表面面积。球形是一定体积下表面积最小的几何形体，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形。树叶、荷叶上的的小水珠和焊接金属时熔化后的小滴焊锡是呈现球形的，这就是表面张力的作用。由于表面张力， 密度比水大的缝衣针和实心铝制硬币都可以漂浮在水面； 密度比水大的水蜘蛛等能在水面上健步如飞。杯子中的水，能高于杯口的平面呈球面，这也是因为表面张力。2.浸润与不浸润分子物理学告诉我们，液体分子的内聚力作用在液体表面形成表面张力。物质是由分子组成的。同一种物质的分子之间的相互作用力，叫做内聚力；不同物质的分子之间的相互作用力，叫做附着力。在内聚力小于附着力的情况下，就会产生“浸润现象”；反之，则会出现“不浸润现象”。水滴在荷叶上表现为“不浸润”，荷叶上有一成角质层和绒毛（就像你洗桃子时总是很难把桃子弄湿，除非你把桃子上的绒毛搓去），此时水的内聚力大于水对荷叶的附着力。浸润现象亦称润湿现象，表现为液体的附着层沿着固体表面延伸。造成浸润现象的原因，主要是固体物质与液体分子之间产生的附着力大于内聚力，引起了液体附着层沿固体表面延展而将固体润湿。不浸润现象亦称不润湿现象，表现为液体的附着层沿着固体表面收缩。造成不浸润现象的原因，主要是液体分子的内聚力大于附着力，宏观上就表现出液体不被固体所吸附。液体能否浸润固体，取决于两者接触面之间的性质，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。比如水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡；水银不能浸润玻璃，但能浸润干净的锌板、铜板、铁板。鹅和鸭的羽毛不会被打湿，往它们身上浇点水，它们一扑腾，水就掉光了，其原因和“荷叶露珠效应”类似，水珠在羽毛上发生了“不浸润”现象。3.毛细现象把几根内径不同的细玻璃管插入水中，可以看到，管内的水面比容器里的水面高，管子的内径越小，里面的水面越高。把这些细玻璃管插入水银中，发生的现象正好相反，管子里的水银面比容器里的水银面低，管子的内径越小，里面的水银面越低。浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象，叫做毛细现象。能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管。液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?实际上这都是表面张力引起的，毛细现象的本质是由于表面张力的作用。液体表面类似一张紧的橡皮膜，如果液面是弯曲的，它就有变平的趋势。因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。浸润液体在毛细管中的液面是凹形的，它对下面的液体施加拉力，使液体沿着管壁上升，当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时，管内的液体停止上升，达到平衡。同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。毛细管中“水往高处走”。植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，它能把土壤里的水分吸上来。饼干、吸水纸或砖块等吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水，也是因为毛细现象。4.有关表面张力和毛细现象的几个小实验1）表面张力使得液滴呈现球形取适当比例的水和酒精混合，把一滴橄榄油滴进去。橄榄油密度大小在水和酒精之间，它不溶于水，也不溶于酒精，此时橄榄油滴基本处于“失重”状态，悬浮在酒精溶液中间。此时，如果您用的是方形容器，会看到橄榄油滴是标准的球形。2）肥皂液薄膜的表面张力我们小时候大多都吹过肥皂泡沫。在布满肥皂液薄膜的铁丝圈边缘，套有一根细棉线，细棉线的另一端被结成一个小圈附在肥皂液薄膜上。当我们用小针刺破小圈内的肥皂液薄膜时， 就会看到小圈内的薄膜消失了， 而小圈被它外侧的薄膜的表面张力拉成了一个“很标准”的圆圈！3）利用毛细现象自动浇花如果较长时间在外， 如何解决家中浇花的“难题”呢？ 离家之前，在花盆的上方盛一盆水， 在盆沿搭上一条毛巾，一端没入盆内水中，另一端放在花盆上， 盆内的水就会一滴一滴地逐渐“被毛细”到花盆中。4）粉笔在墨水中的毛细现象把一支粉笔插在（例如）红墨水瓶中，过一会就能看到红墨水（沿着粉笔内的毛细管）升到粉笔的上端，远远高出红墨水表面。5.研究表面张力及毛细现象可以更好地为我们生活服务在自然界和日常生活中还有很多表面张力及毛细现象的例子，研究表面张力和毛细现象，可以更好地为我们生活服务。材料学家们通过分析“荷叶露珠效应”，研究出了自清洁涂层，应用在家里的不粘锅上，使得水、油等液体在涂层上表现为“不浸润”，从而达到“不粘”效果。通常我们在洗衣服时会添加一些洗衣粉，洗脸时会用香皂，这些洗涤用品中有一种叫做“表面活性剂”的物质，它可以降低水的表面张力，除掉织物上的污渍和脸部的油脂。如果早晨把毛巾胡乱扔进面盆中（但毛巾的一端垂吊在面盆外），晚上归来的时候，就会看到满地的水。这是毛细现象惹的祸。吸水性优良的餐巾纸广泛取代了传统的手帕， 成为用餐时及其他场合擦干手上的水等的常用物品。它和我们婴儿时候用过的“尿不湿”一样能大量吸水的“奥秘”在于，疏松的纸质形成许多空隙， 因而毛细现象显著。过去的桐油灯、煤油灯，以及实验室的酒精灯中的液体燃料，之所以能自动升高到灯芯的顶端，靠的也是毛细现象。水沿毛细管上升的现象，对农业生产的影响很大。土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。如果要保存地下的水分，就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层的毛细管，以减少水分的蒸发。用宣纸书画出来的字画，之所以觉得有层次感及柔和的反差，是因为纸中的空隙