表面張力一、液體的表面張力產(chǎn)生的原因首先，要理解什么是表面層，由液體的性質(zhì)可知：液體中分子與分子之間的距離比氣體分子之間的距離小得多，它的平均距離ro的數(shù)量級約為10-跡,當兩個分子之間的距離大于ro,而小于10ro時，也就是說分子間的距離在ro—10r°之間時，此時，分子之間的作用力表現(xiàn)為引力，若分子間的距離大于10ro，則引力趨于零，所以，我們可以認為液體分子之間的引力作用范圍是一個半徑不超過10ro的球，只有球內(nèi)的分子才對球心的分子有作用力，這個球的半徑就稱為分子引力作用半徑。而液面下厚度約等于分子引力作用半徑的一層液體稱為液體的表面層。所以，凡是液體跟氣體接觸的表面，都會形成一個有兩個表面的薄層，稱為表面層。其次，表面層內(nèi)分子的分布，從兩個角度認識表面張力。從分子動理論的觀點分析:當分子間距小于分子引力作用半徑時，它們之間才有相互作用的引力。如果我們在液體內(nèi)部任取一分子P，以P為球心，以分子引力半徑R為半徑作一球，這樣球外分子對P無作用力，只有球內(nèi)分子對P的作用力。在液體內(nèi)部和表面層分別取兩個分子A和B，分子A在液體的內(nèi)部，分子B在液體的表面層中。如圖，液體中兩個分子A和B受周圍分子引力作用的情形。對A分子而言：受到的引力必定是球?qū)ΨQ的，合力等于零。對B分子來說：它處于液面下厚度為R的表面層中，分子B的情形就不同了。B分子受到兩種力的作用：液體和液外氣體。但是由于氣體的密度與液體相比是很小的，它們對液體分子的引力作用可以忽略。因而分子B所受的引力作用，不再是球?qū)ΨQ的了，合力不再等于零。由于球體是左右對稱，上下不對稱的，所以對于B分子所受的其他分子的作用力，在水平方向上的分力相互抵消，合力方向應(yīng)該為垂直液面向下的。這樣，處于表面層中的液體分子，都受到垂直于液面并指向液體內(nèi)部的力的作用。在這些力作用下，表面層內(nèi)的所有液體分子均受有向下的吸引力，使液體表面的分子有被拉進液體內(nèi)部的趨勢，從而把表面層緊緊拉向液體內(nèi)部。在宏觀上就表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢。當自由表面收縮時，在收縮的方向上必定有與收縮方向相反的作用力，這種表面層內(nèi)分子間的分子力為引力的宏觀表現(xiàn)，稱為表面張力。從能量觀點來分析：由于表面層中的液體分子，受到液體內(nèi)分子的引力都有指向液體內(nèi)部的，所以表面層中的分子受力后，就要進入液體內(nèi)部分子力做正功，分子勢能減少。液體內(nèi)部的分子要移到表面層，需克服分子力做功，分子勢能就要增加。即表面層內(nèi)分子的勢能比液體內(nèi)部分子的勢能大，表面層為高勢能區(qū)，表面層中所有分子高出內(nèi)部分子的那部分勢能的總和，稱為液體的表面能。任何一個系統(tǒng)，當它處于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)的能量必定是最低態(tài)的。因此，一個液體系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下應(yīng)具有最低的表面能。這就要求液體表面層中應(yīng)包含盡可能少的分子，所以表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，從而使液體系統(tǒng)具有盡可能小的表面積，即液面有收縮的趨勢，這種趨勢在宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力。原因同樣是：當自由表面收縮時，在收縮的方向上必定有與收縮方向相反的作用力，這種力稱為表面張力。二、液體的表面張力的三要素大?。河捎诒砻鎻埩碜杂诖罅糠肿娱g的引力，是大量分子引力的宏觀表現(xiàn)，如果參與作用的分子越多，宏觀的表面張力就越大。因此表面張力與所研究的那部分液面的周界線的長度L成正比；不同性質(zhì)的液體，表面張力應(yīng)不同，因此引入了表面張力系數(shù)O，實驗發(fā)現(xiàn)表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)、溫度和純度有關(guān)，故表面張力表示為：F=。L。在20oC時，水的面張力系數(shù)a=7.9X10-2N/m，濃度為2%的肥皂水面張力系數(shù)a=3.6X10-2N/m，濃度為5%的肥皂水面張力系數(shù)a=2.7X10-2N/m，所以在相同的條件下，濃度高的肥皂水容易成膜。方向和作用點：表面張力是跟液體表面共面或相切的。如果液面是平面，表面張力就在這個平面上；如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上。作用在任何一部分液面上的表面張力，總是跟這部分液面的分界線垂直?？梢?，液體表面張力是一部分液面與另一部分液面之間的相互作用，施力物體和受力物體都是液體。如果在液面上劃一條分界線，把液面分為A和B兩部分，那么由于表面層中分子間的引力，液面A對液面B有引力FAB的作用，液面B對液面A有引力FBA作用，F(xiàn)AB和FBA為作用力和反作用力，大小相等、方向相反。因此表面張力在液面里各個方向都有，使液面像一張繃緊的彈性膜。三、液體的表面張力的應(yīng)用教材中插圖的分析：水黽停在水面上，學生容易認為是表面張力的合力抵消了水黽的重力了，應(yīng)該強調(diào)表面張力使表面層具有彈性，是表面層給水黽的彈力抵消了重力。毛細管內(nèi)外液面的高度差分析：在表面張力的作用，液面呈彎曲狀，任何彎曲的液面將對液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加壓強，附加壓強的作用方向總是指向液體表面的曲率中心方向，凹進的彎液面對液體附加一個負壓強，即附加壓強指向液體的外部；凸起的彎液面，對液體附加一個正壓強，即附加壓強指向液體的內(nèi)部。如果液體的表面是半徑為R的球面的一部分，其產(chǎn)生的附加壓強的多大呢？選出一小塊球面△、來分析，如圖，加在AL上的力△F=aAL0由于△Fx=AFsin^，所以△F=OALsin^,因而施加在整個球面△、上平行于半徑OC的力為Fx=￡△Fx=osin^￡八匚=。sin^X2nr，從圖中讀出sin^=r/R，則Fx=o2nr2/R，附加壓強為：P=F/^8=02nr2/Rnv=2o/R。X由此可見，附加壓強與表面張力系數(shù)O成正比，而與表面的球面半徑成反比。液體浸潤固體時，表面呈凹形，而不浸潤時表面呈凸形。這種彎曲的液體叫彎月面，如圖凹液面下有P=2a/R，對h高液柱分析：P0+P=P0+pgh，由圖中可知：R=r/cos0.當液體完全浸潤時0=0，所以管內(nèi)液體上升高度h=2o/pgr.對不浸潤現(xiàn)象，液面低于容器中廣闊部分的液面，其高度的計算與上式相同。實例：在水中浸入三個同樣細的毛細管，兩個是直的：一長一短，另一個是彎的，如圖所示。水在長直管中上升的高度比矮的直管高，比彎管的最高點還要高，那么短直管的水面與彎管中的水面將是什么樣的呢？分析：液體在直的毛細管內(nèi)上升的水柱，產(chǎn)生的壓強向下，應(yīng)該和表面產(chǎn)生向上的附加壓強相等；可知直管的液面是表面呈凹形。但液柱高的產(chǎn)生的壓強大，所以附加壓強也大，即液面半徑要小；而短的直管液面半徑要大些，即平緩一些。而彎曲的毛細管，根據(jù)液體能