2025年高三物理上学期“物理洗涤剂”中的物理知识考查卷

2025年高三物理上学期“物理洗涤剂”中的物理知识考查卷一、选择题（共8小题，每题6分，共48分）1.表面张力与分子间作用力洗涤剂能够去除油污的核心物理原理是表面活性剂分子改变了液体的表面张力。下列关于表面张力的说法正确的是（）A.表面张力是液体表面层分子间斥力大于引力的结果B.温度升高时，水分子热运动加剧导致表面张力增大C.表面活性剂分子的疏水端与油污结合，亲水端与水分子结合，形成胶束结构D.水的表面张力系数为72.8mN/m（20℃），加入洗涤剂后该系数会增大答案：C解析：表面张力源于液体表面层分子间引力大于斥力，A错误；温度升高使分子间距增大，表面张力减小，B错误；洗涤剂的表面活性剂分子通过“疏水端-油污”“亲水端-水”的结合形成胶束，包裹油污实现去污，C正确；洗涤剂会降低水的表面张力，D错误。2.毛细现象与浸润性将内径相同的玻璃毛细管分别插入纯水和加有洗涤剂的水溶液中，观察到毛细管中液面高度不同。下列说法正确的是（）A.纯水在毛细管中上升高度更高，因为其表面张力更大B.洗涤剂溶液的接触角θ＞90°，表现为对玻璃的不浸润C.毛细管中液面上升高度h与表面张力系数γ成反比D.若将毛细管半径减小为原来的1/2，液面高度将降低为原来的1/2答案：A解析：根据毛细现象公式(h=\frac{2\gamma\cos\theta}{\rhogr})，纯水表面张力γ更大，上升高度h更高，A正确；洗涤剂溶液对玻璃为浸润（θ＜90°），B错误；h与γ成正比，与半径r成反比，C、D错误。3.分子动理论与能量转化用洗涤剂清洗沾有油污的衣物时，伴随的能量转化是（）A.表面活性剂分子的化学能转化为机械能B.水分子的内能转化为油污的重力势能C.表面张力做功转化为胶束的动能D.分子间作用力做功导致内能增加答案：D解析：洗涤剂去污过程中，表面活性剂分子与油污、水分子的相互作用属于分子力做功，伴随内能变化，D正确；该过程不涉及化学能转化，A错误；油污脱离衣物是分子力作用的结果，与重力势能无关，B错误；表面张力做功使液面收缩，而非直接转化为胶束动能，C错误。4.实验能力：表面张力测量某同学用毛细管上升法测量不同浓度洗涤剂溶液的表面张力，实验数据如下表。根据数据可得出的结论是（）洗涤剂浓度（%）0（纯水）0.10.51.0上升高度h（cm）5.84.23.12.5A.浓度与h成线性关系B.浓度每增加0.5%，h降低约1.1cmC.表面张力系数随浓度增大而减小D.若用更大内径的毛细管，h的变化幅度将增大答案：C解析：h随浓度增大而减小，但非线性关系，A、B错误；根据(h=\frac{2\gamma\cos\theta}{\rhogr})，h减小说明γ减小，C正确；毛细管半径r增大时，h的变化幅度减小，D错误。5.热学与表面现象洗涤剂在温水中去污效果更好，从分子动理论角度分析，原因是（）A.温水的表面张力系数更大B.温度升高使表面活性剂分子扩散速度加快C.温水的密度减小，浮力增大，更易冲走油污D.温度升高使胶束的临界胶束浓度（CMC）升高答案：B解析：温度升高加快分子热运动，表面活性剂扩散速度提升，与油污的结合效率提高，B正确；温水表面张力更小，A错误；去污效果与浮力无关，C错误；CMC随温度升高而降低，D错误。6.力学综合：匀速搅拌与功率用搅拌器匀速搅拌洗涤剂溶液时，搅拌叶片所受阻力与表面张力系数γ成正比。若搅拌功率P=FV，其中F为阻力，V为叶片线速度，则当溶液浓度增大时（）A.γ减小，P增大B.γ减小，P减小C.γ增大，P增大D.γ增大，P减小答案：B解析：浓度增大导致γ减小，阻力F减小，功率P=FV随之减小，B正确。7.光学现象：薄膜干涉将洗涤剂溶液滴在水面上，形成厚度不均匀的薄膜，在阳光下可观察到彩色条纹。该现象的成因是（）A.光的色散B.光的衍射C.薄膜前后表面反射光的干涉D.表面张力导致的光的折射答案：C解析：彩色条纹是薄膜干涉的结果，即前后表面反射的两列光波叠加形成，C正确。8.近代物理拓展：表面活性剂与纳米技术纳米洗涤剂通过减小表面活性剂分子尺寸提升去污能力，其原理与下列哪项物理概念相关（）A.量子隧穿效应B.表面张力的尺寸效应C.分子热运动的布朗运动D.光的波粒二象性答案：B解析：纳米尺度下，表面活性剂分子与油污的接触面积增大，表面张力的尺寸效应使去污效率提升，B正确。二、非选择题（共4小题，共62分）9.填空题（12分）（1）表面活性剂分子的结构特点是同时具有______和______；（2）20℃时水的表面张力系数为72.8mN/m，若某洗涤剂溶液的表面张力系数为30mN/m，则其降低水表面张力的比例为______%（保留一位小数）；（3）毛细现象中，液面上升高度h与毛细管半径r的关系为______。答案：（1）亲水基团；疏水基团（2）58.8（计算：(\frac{72.8-30}{72.8}\times100%\approx58.8%)）（3）(h\propto\frac{1}{r})10.实验题（16分）题目：测量不同温度下洗涤剂溶液的表面张力系数，探究温度对去污效果的影响。器材：表面张力测定仪（最大气泡压力法）、恒温水浴锅、不同温度的洗涤剂溶液（浓度0.5%）、数据采集器。（1）写出实验原理：通过测量气泡逸出时的最大压力差(\Deltap)，根据公式______计算表面张力系数γ（已知气泡半径r，液体密度ρ，重力加速度g）；（2）实验中需控制的变量有：、；（3）数据记录与处理：|温度（℃）|20|30|40|50||-----------|----|----|----|----||(\Deltap)（Pa）|650|580|510|450|根据公式(\Deltap=\frac{2\gamma}{r}+\rhogh)（h为液柱高度，可忽略），若r=0.5mm，计算40℃时γ=mN/m（保留整数）；（4）结论：温度升高，γ，去污效果______。答案：（1）(\gamma=\frac{\Deltap\cdotr}{2})（2）洗涤剂浓度；毛细管半径（3）128（计算：(\gamma=\frac{510\\text{Pa}\times0.5\times10^{-3}\\text{m}}{2}=0.1275\\text{N/m}=127.5\\text{mN/m}\approx128\\text{mN/m})）（4）减小；增强11.计算题（18分）题目：某品牌洗衣液的表面活性剂分子模型可简化为柱形，直径d=2nm，长度L=10nm。已知20℃时该洗衣液溶液的表面张力系数γ=35mN/m，接触角θ=30°，水的密度ρ=1.0×10³kg/m³，重力加速度g=10m/s²。（1）求该溶液在半径r=0.1mm的毛细管中上升的高度h；（2）若将500mL该溶液倒入水盆中，形成面积S=0.2m²的薄膜，求表面层分子的总势能E（忽略边缘效应，表面层厚度取分子长度L）。答案：（1）根据毛细现象公式：[h=\frac{2\gamma\cos\theta}{\rhogr}=\frac{2\times35\times10^{-3}\\text{N/m}\times\cos30°}{1.0\times10^3\\text{kg/m}^3\times10\\text{m/s}^2\times0.1\times10^{-3}\\text{m}}]代入(\cos30°=\frac{\sqrt{3}}{2}\approx0.866)，解得(h\approx0.0606\\text{m}=6.06\\text{cm})。（2）表面层分子数(N=\frac{S}{(\pid^2/4)}=\frac{0.2\\text{m}^2}{\pi\times(2\times10^{-9}\\text{m})^2/4}\approx6.37\times10^{16})每个分子的势能(E_0=\gamma\times(\text{分子表面积})=\gamma\times(\pidL)\approx35\times10^{-3}\\text{N/m}\times\pi\times2\times10^{-9}\\text{m}\times10\times10^{-9}\\text{m}\approx2.2\times10^{-17}\\text{J})总势能(E=N\cdotE_0\approx6.37\times10^{16}\times2.2\times10^{-17}\\text{J}\approx1.40\\text{J})。12.综合应用题（16分）题目：结合2025年高考物理大纲中“注重物理知识在生产劳动实践中的应用”的要求，分析洗涤剂在农业生产中的一项具体应用：农药乳化剂。（1）农药乳化剂的作用是将不溶于水的农药有效成分分散为微小液滴，从表面现象角度解释其原理；（2）某农药乳化剂的临界胶束浓度（CMC）为0.02mol/L，若配制1L溶液，需加入表面活性剂分子的数目为多少（阿伏伽德罗常数(N_A=6.02\times10^{23}\\text{mol}^{-1})）；（3）说明温度对农药乳化效果的影响，并从分子动理论角度解释。答案：（1）乳化剂的表面活性剂分子通过疏水端与农药（油相）结合、亲水端与水结合，降低油水界面张力，使农药分散为稳定的微小液滴，避免分层。（2）分子数目(N=CMC\timesV\timesN_A=0.02\\text{mol/L}\times1\\text{L}\times6.02\times10^{23}\\text{mol}^{-1}=1.204\times10^{22})。（3）温度升高可提升乳化效果：温度升高使表面活性剂分子热运动加剧，扩散速度加快，与农药分子的结合效率提高；同时温度升高降低界面张力，促进液滴分散。三、选考题（15分，从以下两题中任选一题作答）A.热学与表面现象拓展题目：用分子动理论解释为何表面活性剂分子在溶液表面会定向排列，并推导表面张力系数γ与分子间引力F的关系（假设表面层分子间距为r，分子数密度为n）。答案：表面活性剂分子在表面定向排列的原因：表面层分子所受内部分子引力大于外部（空气）引力，存在向液体内部收缩的趋势。表面活性剂分子的亲水端受水分子引力较大，疏水端受水分子引力较小，因此自动向表面迁移，形成“亲水端向内、疏水端向外”的定向排列，以降低系统能量。表面张力系数γ与分子间引力F的关系：表面层单位面积的分子数(N=n\sqrt{r^2})（简化为二维模型），每个分子所受合力(F_{\text{合}}=F_{\text{内}}-F_{\text{外}}\approxF)（忽略外部引力），则单位长度的表面张力(\gamma=N\cdotF/n=F\sqrt{r^2})，即(\gamma\proptoF)。B.电磁学与表面活性剂题目：在电场中，带电的表面活性剂分子会发生定向移动。若在平行板电容器中加入洗涤剂溶液，两极板间电压U=10V，板间距d=2cm，表面活性剂分子带电量q=e（元电荷e=1.6×10⁻¹⁹C），求分子所受电场力F及移动距离x=1cm时电场力做的功W。答案：电场强度(E=U/d=10\\text{V}/0.02\\text{m}=500\\text{V/m})电场力(F=qE=1.6\times10^{-19}\\text{C}\times500\\text{V/m}=8\times10^{-17}\\te