2019-2020学年高中物理 第3章 液体 第1节 液体的表面张力学案 鲁科版选修3-3

1 第第 1 1 节节 液体的表面张力液体的表面张力 1 理解液体的表面张力 重点 2 通过分子动理论的观点解释表面张力 的原因 难点 一 液体表面的收缩趋势 1 实验 回形针 硬币漂在水面上 1 现象 当回形针或硬币漂浮在水面上时 托起回形针或硬币的水面稍有弯曲 就像 放有圆形小物品的橡皮膜稍有弯曲一样 2 结论 液面给回形针或硬币等小物品施加了向上的支持力 2 实验 观察肥皂膜的变化 1 现象 铁丝框上的肥皂膜会把滑棍拉回 肥皂膜里的棉线圈 当刺破圈内肥皂膜 棉线圈外的肥皂膜就会收缩 使棉线张紧 形成圆形 2 结论 液体的表面类似于张紧的弹性薄膜 具有收缩的趋势 3 实验结论 液体表面有一种收缩的趋势 正是这种收缩的趋势使露珠 乳滴等变为球形 小木船漂浮在水面上是由水面的收缩趋势引起的吗 提示 不是 小木船漂浮在水面上是小木船受到了水的浮力引起的 而不是水面的收 缩趋势引起的 二 表面张力及其微观解释 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 由于表面张力的作用 液体表面总要收缩到尽可能小的面积 而体积相 等的各种形状的物体中 球形物体的表面积最小 因此小水珠 小露珠等都呈现球形 因 2 露珠过大 所受重力影响不能忽略 因而呈椭球形 在完全失重环境下 可形成标准的球 形 1 表面张力的作用是使液面具有收缩的趋势 2 表面张力是液体表面各部分间存在的相互吸引力 3 水黾可以停在水面上不是表面张力引起的 提示 1 2 3 液体表面与液体内部分子分布特点 1 液体内部分子的运动特点 液体中的分子跟固体一样是密集排列在一起的 液体分子的热运动主要表现为在平衡 位置附近做微小的振动 但液体分子只在很小的区域内有规则的排列 这种区域是暂时形 成的 边界和大小随时改变 有时瓦解 有时又重新形成 液体由大量这种暂时形成的小 区域构成 这种小区域在杂乱无章地分布着 2 液体表面分子的分布 液体表面附近的分子由平衡位置向外运动时 因为外部空气和蒸汽分子对它的斥力很 小 不起显著作用 它只受到内部分子的吸引力 因此使它恢复到平衡位置的作用力就没 有在液体内部时大 使得表面层里的分子振动的振幅要比液体内部分子的振幅大 一些动 能大的分子就有可能冲出吸引力范围 成为蒸汽分子 结果造成表面层里的分子分布比液 体内部的分子分布稀疏 分子间的距离就比较大 r r0 多选 关于液体的说法正确的是 a 液体分子间的相互作用比固体分子间的相互作用强 b 液体分子同固体分子一样 也是密集在一起的 c 液体分子的热运动没有长期固定的平衡位置 d 液体的扩散比固体的扩散快 思路点拨 液体的性质来自于其内部及表面的分子分布特点 解析 液体具有一定的体积 是液体分子密集在一起的缘故 但液体分子间的相互 作用不像固体中的那样强 所以选项 b 是正确的 选项 a 是错误的 液体具有流动性的原 3 因是液体分子热运动的平衡位置不固定 液体分子可以在液体中移动 也正是因为液体分 子在液体里移动比固体容易 所以其扩散也比固体的扩散快 选项 c d 都是正确的 答案 bcd 表面张力的形成及其作用 1 表面张力的形成 1 表面层 液体与气体接触的表面存在着一个薄层 叫表面层 2 微观解释 液体与气体接触的表面层中的分子分布较内部稀疏 分子间距大于分子 力平衡时的距离r0 而液体内部分子间的距离可以认为等于r0 分子间相互作用的引力和 斥力可认为相等 分子间的相互作用力表现为引力 从而使液体表面像一块张紧了的膜 各部分之间存在相互吸引的力 即表面张力 液体内部的分子受到邻近分子的引力在各个 方向上的合力等于零 而液体表面层分子受到引力的合力指向液体的内部 3 表面张力的方向 表面张力的方向 与液面相切 垂直于液面上的各条分界线 如 图所示 2 表面张力的作用 1 表面张力使液体表面具有收缩趋势 使液体面积趋于最小 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 在失重条件下呈球形 2 表面张力的大小除跟边界长度有关外 还跟液体的种类 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 而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小 也就是说 洁净水的表 面具有更大的收缩趋势 表面张力不是指个别分子间的相互引力 而是表面层中大量分子间的引 力的宏观表现 凡液体与气体接触的表面都存在表面张力 多选 有关液体表面张力的下列说法中正确的是 a 表面张力产生在液体表面层 它的方向跟液面垂直 4 b 表面张力产生在液体表面层 它的方向跟液面相切 c 表面张力产生在液体附着层 它的方向跟液面垂直 d 作用在任何一部分液面上的表面张力 总是跟这部分液面的分界线垂直 思路点拨 液体表面张力产生的原因是由于液体表面分子蒸发 使得分子间距离大 于r0而产生引力 引力总是与液体表面相切 与液面任意一条分界线垂直 解析 液体表面张力产生在液体表面层 与液面相切 b 选项正确 如果在液体表 面画一条线 线两侧的液体之间的作用力是引力 引力方向与这条分界线垂直 d 选项正 确 答案 bd 1 对下列现象的成因解释正确的是 a 小木块能够浮于水面上是液体表面张力与其重力平衡的结果 b 小昆虫能在水面上自由来往而不陷入水中是液体的表面张力与其重力平衡的结果 c 喷泉喷射到空中形成一个个球形的小水珠是表面张力作用的结果 d 液面为凸形时表面张力使表面收缩 液面为凹形时表面张力使表面伸张 解析 选 c 木块浮在水面上是浮力与其重力平衡 a 错误 小昆虫在水面上不下陷是 液膜对其弹力与其重力平衡 b 错误 水在表面张力作用下 收缩到表面积最小 即球形 c 正确 不论液面为凸面还是凹面 表面张力的效果总使表面收缩到最小 故 d 错误 液体表面张力的应用 在铁丝框架上有一可以自由滑动的细铁丝ab 如图所示 铁 丝长l 20 cm 框上布满着液膜 使液膜表面积增加 s 200 cm2 需 要做多少功 液体表面单位长度的表面张力d 72 10 3 n m 摩擦可 以不计 思路点拨 本题的关键是弄清楚外力做的功和表面张力做的功大小相等 解析 液膜形成表面张力 使液膜有收缩趋势 要使液膜增大 必须是外力克服表 面张力做功 由于是液膜的两个表面 所以作用在ab杆上的表面张力 f 72 10 3 l 2 0 144l 克服表面张力做功 w fs 0 144ls 0 144 s 2 88 10 3 j 答案 2 88 10 3 j 5 2 如图所示 金属框上阴影部分表示肥皂膜 它被棉线 分割成a b两部分 若将肥皂膜的a部分用热针刺破 棉线的形状是下图中 的哪一个 解析 选 d 肥皂膜未被刺破时 作用在棉线两侧的表面张力互相平衡 棉线可以有任 意形状 当把a部分液膜刺破后 在b部分液膜表面张力的作用下 棉线将被绷紧 因液 体表面有收缩到面积最小的趋势 所以棉线被拉成凹的圆弧形状 正确选项为 d 随堂检测 1 液体表面张力产生的原因是 a 在液体的表面层 分子间距大 分子之间斥力消失 只有引力 b 由于气体分子对表面层液体分子的吸引 c 在液体的表面层里 由于分子间距比液体内部大 分子间引力大于斥力 d 由于受到指向液体内部的吸引力作用 解析 选 c 在液体内部 分子间距约为r0 分子间引力与斥力大致相等 在表面层 分子间距大于r0 分子间引力大于斥力 合力为引力 即表面张力 2 关于液体的表面张力 下列说法中正确的是 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垂直 解析 选 c 液体表面张力就是液体表面各部分之间相互吸引的力 a 错 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的距离大 表面层分子间表现为引力 b 错 液体的表面张力总使液面具有收缩的趋势 c 对 液体表面张力的方向总是与液面相 切 总是跟液面分界线相垂直 d 错 3 多选 下列现象中 能说明液体存在表面张力的有 a 水黾可以停在水面上 6 b 叶面上的露珠呈球形 c 滴入水中的红墨水很快散开 d 悬浮在水中的花粉做无规则运动 解析 选 ab 水黾可以停在水面上和露珠呈球形均是由于液体表面张力的作用 c d 两选项中的现象均是由于分子的无规则运动 4 液体表面具有收缩趋势的原因是 a 液体可以流动 b 液体表面层分子间距小于液体内部分子间距 c 与液面接触的容器壁的分子 对液体表面分子有吸引力 d 液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离 解析 选 d 由于液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离 所以表面层的 分子间的作用力为引力 这种力使液体表面层的相邻部分之间相互吸引 产生的吸引力即 表面张力 表面张力使液体表面有收缩的趋势 5 试解释下列现象 1 手套被雨水浸湿后很难从手上脱下 2 如有两枚硬币漂浮于水面上 且两者间距约 1 cm 时 两硬币会急剧地相吸靠近 为什么 解析 1 因为湿手套的纤维间的空隙中有水 水跟空气接触的表面层具有收缩趋势 这种收缩趋势使手套纤维间距离缩小 于是手套的表面积减小 使手套紧箍在手上很难脱 下 2 当漂浮于水面的两枚硬币相距较近时 两硬币之间的水面呈凸曲面状 此时由于水 的表面张力 将使其表面收缩 表面张力的方向总是沿着液面的切线方向 使两个硬币在 水平方向上各自受力不平衡 左边硬币在水平方向上承受表面张力的合力指向右 而右边 硬币受到的合力指向左 因而发生相互 吸引 的现象 答案 见解析 课时作业 一 单项选择题 1 关于液体 下列说法正确的是 a 液体的性质介于气体和固体之间 更接近气体 b 液体表现出各向异性 7 c 液体分子的热运动与固体类似 主要表现为在固定的平衡位置附近做微小振动 d 液体的扩散比固体的扩散快 解析 选 d 液体分子间距离与固体分子间距离接近 都不易被压缩 故 a 错 液体由 大量暂时形成的小区域构成 这种小区域杂乱无章地分布着 因而液体表现出各向同性 故 b 错 液体分子与固体分子都在平衡位置附近做微小振动 所不同的是液体没有固定的 平衡位置 故 c 错 液体的扩散要比固体的扩散快 故 d 对 2 液体表面张力产生的原因是 a 液体表面层分子较紧密 分子间斥力大于引力 b 液体表面层分子较紧密 分子间引力大于斥力 c 液体表面层分子较稀疏 分子间引力大于斥力 d 液体表面层分子较稀疏 分子间斥力大于引力 解析 选 c 液体表面层分子间距离介于气体和液体之间 液体分子力可认为是零 则 表面层分子力表现为引力 故 c 正确 3 关于液体表面的现象 下列说法正确的是 a 液体表面层的分子分布比内部密 b 液体有使其体积收缩到最小的趋势 c 液体表面层分子之间只有引力而无斥力 d 液体有使其表面积收缩到最小的趋势 解析 选 d 液体表面层的分子分布比内部稀疏 故 a 错误 液体由于表面张力作用 有使其表面积收缩到最小的趋势 故 b 错误 d 正确 液体表面层分子之间既有引力也有 斥力 只是由于分子间距离较大 表现为引力 故 c 错误 4 将一枚硬币轻轻地平放在水面上 可以不下沉 此时与硬币重力相平衡的力是 a 水面的支持力 b 水的表面张力 c 水的浮力和表面张力的合力 d 水的浮力和空气浮力的合力 解析 选 a 硬币受到重力和水面给予的支持力作用而平衡 表面张力是水面上各部分 水之间的作用力的合力 而不是硬币受到的力 当然支持力的产生是由于水面间的表面张 力 硬币并没有浸入水中 故不受浮力作用 5 下列说法中正确的是 8 a 不论是何种液体 表面张力总要使液体表面积增大 b 表面张力的方向总是向下 c 表面层内的液体分子没有斥力 只有引力 d 表面层内的液体分子分布比液体内部稀疏 分子间作用力表现为引力 解析 选 d 表面张力使液面收缩 方向不确定 表面层内分子间引力大于斥力 d 选 项正确 6 在天平的左盘挂一根铁丝 右盘放一砝码 且铁丝浸于液体中 此 时天平平衡 如图所示 现将左端液体下移使铁丝刚刚离开液面 则 a 天平仍然平衡 b 由于铁丝离开水面沾上液体 重量增加而使天平平衡破坏 左端下 降 c 由于铁丝刚离开液面 和液面间生成一液膜 此液体膜的表面张力使天平左端下降 d 以上说法都不对 解析 选 c 铁丝在刚离开液面时 和液面之间形成一层膜 膜中分子密度小 分子稀 疏 分子力表现为引力 对铁丝产生向下的拉力作用 使天平左端下降 二 多项选择题 7 关于液体的说法正确的是 a 液体表现出各向同性 b 液体表现出各向异性 c 分子在液体里的移动比在固体中容易得多 d 液体中扩散现象是由液体分子运动产生的 解析 选 acd 液体由大量暂时形成的杂乱无章分布的小区域构成 所以液体表现出各 向同性 所以选项 a 是正确的 选项 b 是错误的 液体中扩散现象是由液体分子运动产生 的 分子在液体里的移动比在固体中容易得多 所以液体的扩散要比固体的扩散快 选项 c d 都是正确的 8 人类对自然的认识是从宏观到微观不断深入的过程 以下说法正确的是 a 液体的分子势能与体积有关 b 晶体的物理性质都是各向异性的 c 温度升高 每个分子的动能都增大 d 露珠呈球状是由于液体表面张力的作用 9 解析 选 ad 分子势能与分子间距有关 选项 a 正确 晶体分为单晶体和多晶体 单 晶体的某些性质具有各向异性 而多晶体具有各向同性 选项 b 错误 温度升高 分子平 均动能增大 但每个分子的动能不一定增大 选项 c 错误 露珠呈球状就是因为液体表面 张力的作用 选项 d 正确 9 下列叙述中正确的是 a 液体表面张力随温度升高而增大 b 液体尽可能的收缩它们的表面积 c 液体表面层的分子比液体内部的分子有更大的分子势能 d 液体表面层的分子分布要比液体内部分子分布紧密些 解析 选 bc 这是有关液体表面分子相互作用的问题 液体的表面层由于和气体接触 与内部情况不同 表面层分子的分布要比内部稀疏 这样分子间就表现为引力了 即表面 张力 这样液体表面就有收缩到最小的趋势 随温度的升高 表面层分子距离更要增大