物理选择性必修 第三册第二章 气体、液体和固态第四节 液体的表面张力学案

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3．通过多种小实验探究液体的这几种现象，学会与他人合作交流，学会利用科学，造福人类，培养探索科学的兴趣．
知识点一 表面张力
1．实验：观察肥皂膜的变化
(1)现象．
①铁丝环上肥皂膜会把棉拉过去，成为圆弧．
②肥皂膜里的棉线圈，当刺破棉线圈内肥皂膜，棉线圈外的肥皂膜使棉线张紧，形成圆形．
(2)结论：液体的表面就像绷紧的橡皮膜一样，总是有收缩的趋势．
2．表面张力
(1)表面层．
①定义：液体与气体接触的表面存在一个薄层．
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：表面层中使液体表面收缩的相互作用的拉力，液体表面出现的这种张力．
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．若露珠过大，重力影响不能忽略，则呈椭球形．完全失重环境下，可形成标准的球形．
表面张力是根据效果命名的力，是液体表面层内大量分子力的宏观表现．
知识点二 毛细现象
1．浸润与不浸润
(1)浸润：液体与固体的接触面有扩张的趋势，液体会附着在固体上．
(2)不浸润：液体与固体的接触面有收缩的趋势，液体不会附着在固体上．
(3)产生原因：是液体内分子与固体分子对附着层的液体分子共同作用的结果．
若固体分子的引力更强，表现为浸润；若液体内分子的引力更强表现为不浸润．
2．毛细现象
(1)定义：浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管中下降．
(2)特点：水在玻璃管中会出现凹形弯月面；水银在玻璃管中则会出现凸形弯月面．管的内径越小，前者水面越高，后者水银面越低．
同一种液体，对有些固体是浸润的，对有些固体是不浸润的，如：水银不浸润玻璃，但能浸润铅．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)注满氢气的彩色气球飘向空中是因表面张力所致．(×)
(2)毛细现象只指浸润液体在细管里上升的现象．(×)
(3)在内径小的容器里，如果液体能浸润器壁，液面呈凸形．(×)
(4)如果固体分子对液体分子间的引力比较弱，就会形成不浸润现象．(√)
2．以下关于各种现象的说法中，正确的是( )
A．图甲，硬币漂浮在水面上不下沉，这是由于水的浮力作用
B．图乙， 含有泥沙的浑水经过一段时间会变清， 这是分子无规则热运动的结果
C．图丙，右侧玻璃管中的水银面是凸形面，这是水银不浸润玻璃的缘故
D．图丁，荷叶上的水珠呈球形，这是由于表面张力以及水浸润荷叶造成的结果
C [硬币可以停在水面上，是由于水的表面张力作用，故A错误；含有泥沙的浑水经过一段时间会变清是由于泥沙的平均密度大于水的密度，泥沙在重力的作用下向下沉，而上层水变清，故B错误；水能浸润玻璃，故玻璃管中的水面是凹形面，而水银不浸润玻璃，玻璃管中的水银面是凸形面，故C正确；荷叶上的水珠呈球形是由于表面张力及水不浸润荷叶造成的结果，故D错误．]
3．(多选)下列现象中与毛细现象有关的是( )
A．砖块吸水
B．毛巾的一只角浸入水中，水会沿毛巾上升，使毛巾湿润
C．洗净的衣服在太阳下被晒干
D．钢笔从墨水瓶里把墨水吸入笔中
AB [砖块、毛巾、棉花、木材、植物根和茎等物体内部有许多细小的管道，可起到毛细管的作用，水会在这些细小的管道中上升，A、B正确；洗净的衣服在太阳下被晒干，这是蒸发现象，C错误；钢笔是靠大气压强把墨水吸入笔中的，故D错误．]
鸡落水时会全身湿透，俗称“落汤鸡”，而鸭子在水中嬉戏，上岸后抖一抖身子，水便会被抖落，比鸡可潇洒多了，你知道这是为什么吗？
提示：这是由于鸭子经常用嘴把油脂涂到羽毛上，使水不浸润羽毛．
表面张力
1．表面特性
表面层分子之间的引力使液面产生了表面张力，使液体表面好像一层绷紧的膜．所以说表面张力是表面层内分子力作用的结果．
2．表面张力的方向
表面张力的方向和液面相切，垂直于液面上的各条分界线．如图所示．
3．表面张力的大小
除了跟分界线长度有关外，还跟液体的性质和温度有关．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．
4．表面张力的作用
表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小．而在体积相同的条件下，球形的表面积最小．
【典例1】 关于液体的表面张力，下列说法正确的是( )
A．在液体的表面层里，分子比较稀疏，分子间只有引力没有斥力
B．在液体的表面层里，分子比较密集，分子间只有斥力没有引力
C．液体的表面层中斥力大于引力，使得液体的表面收缩到最小，所以露珠呈球形
D．液体的表面层中引力大于斥力，使得液体的表面收缩到最小，所以露珠呈球形
[思路点拨] (1)液体表面层里分子比较稀疏，表现为引力．
(2)表面张力使液面收缩到最小．
D [与气体接触的液体表面分子比较稀疏，间距大于液体内部分子间距离，液体表面层的分子间同时存在相互作用的引力与斥力，A、B错误；但由于分子间的距离大于分子的平衡距离r0，分子引力大于分子斥力，分子力表现为引力，即存在表面张力，表面张力使液体表面有收缩的趋势，所以露珠呈球形，C错误，D正确．]
液体表面层与液体内部分子分布特点
[跟进训练]
1．如图甲所示是吹肥皂泡游戏的画面，在图乙玻璃杯内注入肥皂水，再将铁丝做成的圆环放进玻璃杯中，沾满肥皂水后取出，可以吹出在空中做无规则运动的肥皂泡，下列说法正确的是( )
A．肥皂泡的无规则运动为布朗运动
B．肥皂泡呈球状与液体的表面张力有关
C．肥皂水与玻璃杯壁接触位置的液体分子间作用力表现为引力
D．肥皂泡表面液体分子间只存在引力，没有斥力
B [肥皂泡的无规则运动是肥皂泡受到重力、浮力及风力作用的结果，而布朗运动是固体小颗粒受到分子撞击的不平衡引起的，故A错误；表面张力具有使液面收缩的趋势，而体积相同时，球的表面积最小，所以肥皂泡呈球状与液体的表面张力有关，故B正确；肥皂水与玻璃杯壁表现为浸润，玻璃杯附着层内的液体分子受到固体分子的吸引力大于液体内部分子间作用力，所以附着层液体分子比较密集，分子间的作用力表现为斥力，故C错误；肥皂泡表面液体分子间既有引力又有斥力，合力表现为引力，故D错误．]
浸润与不浸润
1．液体能否浸润固体由内聚力和附着力大小决定
(1)内聚力大于附着力．附着层的分子比液体内部稀疏，附着层内出现与液体表面张力相似的收缩力，此时跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润．
(2)内聚力小于附着力．附着层中的分子比液体内部更密，附着层中出现液体分子相互排斥的力，此时跟固体接触的液面有扩展的趋势，形成浸润．
2．微观解释
当液体与固体接触时，附着层中的液体分子受固体分子的吸引比液体内部分子弱，结果附着层中的液体分子比其内部稀疏，这时在附着层中就出现跟表面张力相似的收缩力，使跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，因而形成不浸润现象．
相反，如果受到固体分子的吸引相对较强，附着层里的分子就比液体内部更密，在附着层里就出现液体分子互相排斥的力，这时跟固体接触的表面有扩展的趋势，从而形成浸润现象．总之，浸润和不浸润现象是分子力作用的宏观表现．
【典例2】 (多选)以下各种说法中正确的是( )
A．因为水银滴在玻璃板上将成椭球状，所以说水银是一种不浸润液体
B．液体对固体是否发生浸润现象，是由液体和固体两者的性质共同决定的
C．在人造卫星中，由于一切物体都处于完全失重状态，所以一个固定着的容器中装有浸润其器壁的液体时，必须用盖子盖紧，否则容器中液体一定会沿器壁流散
D．发生浸润现象还是不浸润现象，取决于固体分子和液体内的分子哪个对附着层中液体分子的吸引力更大
[思路点拨] (1)有的液体对某些固体浸润，对某些固体不浸润．
(2)浸润是液体在固体表面扩张．
BCD [水银不浸润玻璃，但可能浸润其他固体，所以A错误，B正确．在处于完全失重状态的人造卫星上，如果液体浸润器壁，液体和器壁的附着层就会扩张，沿着器壁流散，故必须盖紧，C正确．D正确说明了发生浸润和不浸润现象的微观原理．]
分析浸润与不浸润问题的要点归纳
(1)同一种固体，对有些液体浸润，对有些液体不浸润；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．
(2)液体浸润固体，附着层面积要扩张；不浸润固体，附着层面积要收缩．
(3)发生浸润还是不浸润是看固体分子和液体内部分子对附着层分子的吸引力的强弱．
[跟进训练]
2．(多选)如图所示的现象中，下列说法正确的是( )
A．图甲为浸润现象，图乙为不浸润现象
B．图甲中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏
C．图甲和图乙中表面层的液体分子都比液体内部的分子稀疏
D．图甲中表面层分子比液体内部稀疏，而图乙中表面层分子比内部密
AC [由题图可知，图甲为浸润现象，图乙为不浸润现象，选项A正确；图甲中附着层的液体分子比液体内部的分子密集，选项B错误；图甲和图乙中表面层的液体分子都比液体内部的分子稀疏，选项C正确，D错误．]
毛细现象
1．毛细现象
浸润液体在毛细管里上升后，形成凹月面，不浸润液体在毛细管里下降后形成凸月面的现象．
2．毛细现象产生的原因
液体浸润细管时，浸润液体的附着层沿细管壁有扩张趋势，故附着层液体顺着管壁往上升，此时管内液面弯曲，面积变大．而表面张力使弯曲的液面有收缩的趋势，这使得弯曲液面A点处液体的压强不再与大气压相等，而是小于大气压．由于管内外液体是连通的，则管内B点处的压强等于大气压，A、B两点处的压强差使得管内液体上升，如图甲所示．若管的内径越细，则弯曲液面形成的压强差越大，液体上升得越高，如图乙所示．液体不浸润细管时，表现出的毛细现象则与液体浸润细管情况相反，如图丙所示．
【典例3】 附着层里的液体分子比液体内部稀疏的原因是( )
A．附着层里液体分子间的斥力强
B．附着层里液体分子间的引力强
C．固体分子对附着层里的液体分子的吸引，比液体内部分子的吸引弱
D．固体分子对附着层里的液体分子的吸引，比液体内部分子的吸引强
[思路点拨] (1)附着层里的分子既受固体分子吸引又受液体内部分子吸引．
(2)附着层里的分子稀疏或稠密是上面二力的合力结果．
C [附着层里的分子既受到固体分子的吸引，又受到液体内部分子的吸引，如果受到的固体分子的吸引比较弱，附着层里的部分分子进入液体内部，从而使附着层的分子比液体内部稀疏，所以C正确，A、B、D错误．]
[跟进训练]
3．(多选)水对玻璃是浸润液体，而水银对玻璃是不浸润液体．它们在毛细管中将发生上升或下降的现象．现把粗细不同的三根毛细管插入水和水银中，如图所示．其中正确的现象应是( )
A B
C D
AD [浸润液体和不浸润液体具有不同的毛细现象．毛细管越细，内、外液面的高度差越大．浸润液体在毛细管内上升，管越细，上升越高；不浸润液体在毛细管内下降，管越细，下降越多，故A、D对，B、C错．]
1．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，棉线的形状是图中的哪一个( )
A B C D
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，而在同周长的几何图形中，圆面积最大，所以棉线被拉成凹的圆弧形状．正确选项为D．]
2．(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
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
AB [由于表面张力的作用，水的表面层分子间表现为引力，使表面形成了弹性膜，使水黾可以停在水面上；由于表面张力的作用，使水表面层有收缩到表面积最小的趋势，因此叶面上的露珠呈球形，A、B均正确；滴入水中的红墨水很快散开和悬浮在水中的花粉做无规则运动，均说明水分子做无规则运动，与表面张力无关，C、D均错误．]
3．(多选)如图所示，液体浸润固体的是( )
A B C D
BC [由题图可以看出：B、C中附着层有扩张的趋势，而A、D中附着层具有面积减小的趋势，故B、C浸润固体．]
4．全红婵夺得2023年跳水世界杯蒙特利尔站女子10米台决赛冠军，她的跳水被惊叹为“物理学的水花不存在了”．下列说法正确的是( )
A．运动员出水后泳衣上的水很快滑落，这是因为制造泳衣的材料对水浸润
B．运动员入水激起的水花中，很多呈现球形，这是水的表面张力的作用
C．水池中的水温保持在26 ℃左右，用以保证运动员入水后的舒适度，此时运动员和水池中的水处于热平衡状态
D．运动员入水后，身体周围会出现一些小气泡，这些小气泡在做无规则的布朗运动
B [运动员出水后泳衣上的水很快滑落，这是因为泳衣用了对水不浸润的材料制成，故A错误；运动员入水激起的水花接近球形，这是表面张力的作用，故B正确；水池中的水温约26 ℃，用以保证运动员入水后的舒适度，此时运动员的体温和水池的水温并不相同，故C错误；运动员入水后，身体周围会有一些小气泡做无规则的运动，这些小气泡的运动不是布朗运动，故D错误．]
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是表面张力？其产生原因和作用分别是什么？
提示：表面层中使液体表面收缩的相互作用的拉力，液体表面出现的这种张力称为表面张力．表面张力是因为表面层分子间的分子力表现为引力．使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小．
2．什么是浸润与不浸润？
提示：液体与固体的接触面有扩张的趋势，液体会附着在固体上，这种现象称为浸润．液体与固体的接触面有收缩的趋势，液体不会附着在固体上，这种现象称为不浸润．
3．什么是毛细现象？
提示：浸润液体在毛细管里上升，不浸润液体在毛细管里下降的现象．
课时分层作业(七) 液体的表面张力
题组一 表面张力
1．关于液体的表面张力，下列说法中错误的是( )
A．表面张力是液面各部分间相互吸引的力，方向与液面相切
B．表面张力是液面分子间的作用力的宏观体现
C．表面层里的分子距离比液体内部的小，分子间的作用力表现为引力
D．不论是水还是水银，表面张力都要使液面收缩
C [表面张力是液面各部分间相互吸引的力，方向与液面相切，在液体与气体相接触的表面层中，液体分子的分布比液体内部的稀疏，即分子间距大于r0，分子间的相互作用力表现为引力，其宏观表现是使液面收缩，好像绷紧的橡皮膜一样，所以错误的只有C选项．]
2．下列说法正确的是( )
A．液体表面张力是由于液体分子间斥力的作用产生的
B．液体表面张力是由于气体分子对表面层液体分子的吸引产生的
C．在液体的表面层里，分子间距离大，分子间斥力消失，只有引力
D．由于液体表面层的分子间距离大于液体内部分子间的距离，液面分子间的作用力表现为引力，所以液体表面具有收缩的趋势
D [液体表面张力是液体表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大，分子力表现为引力的结果，而非气体分子对表面层液体分子的吸引产生的，表面张力使液体表面具有收缩的趋势，故A、B错误，D正确；在液体的表面层里，分子斥力和引力同时存在，只不过引力大于斥力，分子力表现为引力而已，C错误．]
3．(多选)下列现象中，哪些现象是由于液体的表面张力而引起的( )
A．液体与固体、气体不同，它在不同容器内，尽管形状不同，但体积相同
B．两滴水银相互接触，立即合并成一滴
C．新的棉织品水洗后都要缩水
D．小昆虫能在水面上自由走动
BCD [同一体积的液体在不同容器内有不同的形状，这是由液体分子的排列规律决定的，与表面张力无关；而两滴水银接触时的现象，新棉织品水洗后缩水，小昆虫能在水面上走动，都因受到液体的表面张力的作用．故B、C、D正确．]
4．(多选)如图所示，a、b是航天员王亚平在“天宫一号”实验舱做水球实验时水球中形成的气泡，a、b两气泡温度相同且a的体积大，气泡内的气体视为理想气体，则下列说法正确的是( )
A．水球呈球形是由于表面张力作用的结果
B．此时水球内的水分子之间只有引力
C．a内气体的平均动能比b的大
D．在水球表面滴一小滴红墨水且水球未破，最后水球将呈红色
AD [水球呈球形是由于表面张力作用的结果，故A正确；水球内的水分子之间既有引力，又有斥力，故B错误；温度是分子热运动的平均动能的标志，而理想气体的内能只与温度有关，故a内气体的平均动能与b的等大，故C错误；在水球表面滴一小滴红墨水，由于分子的无规则运动，最后水球将呈红色，故D正确．]
题组二 浸润与不浸润
5．(多选)同一种液体，滴在固体A的表面时，出现如图甲所示的情况；当把毛细管B插入这种液体时，液面又出现图乙的情况．若A固体和B毛细管都很干净，则( )
A．A固体和B管可能是同种材料
B．A固体和B管一定不是同种材料
C．固体A的分子对液体附着层内的分子的引力比B管的分子对液体附着层内的分子的引力小些
D．液体对B毛细管是浸润现象
BCD [由所给现象可知该溶液对固体A不浸润，对固体B浸润；毛细现象是浸润和不浸润与表面张力共同作用的结果．故B、C、D正确．]
6．如图所示是分别装有水和水银的两个玻璃杯，下列说法正确的是( )
A．水不浸润玻璃
B．水银浸润玻璃
C．水的表面层中的水分子之间的作用力表现为引力
D．水银的表面层中的水银分子之间的作用力表现为引力
D [浸润液体呈凹液面，不浸润液体呈凸液面，由题图可知，水浸润玻璃，水银不浸润玻璃，故A、B错误；水对玻璃浸润，水的表面层中的水分子之间的作用力表现为斥力；水银对玻璃不浸润，水银的表面层中的水银分子之间的作用力表现为引力，故D正确，C错误．]
7．两个完全相同的空心玻璃球壳，其中一个盛有一半体积的水，另一个盛有一半体积的水银，将它们封闭起来用航天飞机送到绕地球做匀速圆周运动的空间实验站中去，在如图所示的四个图中(图中箭头指向地球中心)：
A B C D
(1)水在玻璃球壳中分布的情况，可能是______图．
(2)水银在玻璃球壳中分布的情况，可能是______图．
[解析] ①绕地球做匀速圆周运动的空间实验站中，球壳和其中的水、水银均处于完全失重状态．②水浸润玻璃，附着层有扩大的趋势；水银不浸润玻璃，附着层有收缩的趋势．③水和水银跟气体(空气或其他气体)接触的表面层都有收缩(使表面积最小)的趋势．
[答案] (1)C (2)B
题组三 毛细现象
8．在水中浸入两个同样粗细的毛细管，一个是直的，另一个是弯的，如图所示，水在直管中上升的高度比弯管的最高点还要高，那么弯管中的水将( )
A．会不断地流出
B．不会流出
C．不一定会流出
D．会流出很少的一部分
B [因为弯管管口的水面在重力作用下要向下凸出，这时表面张力的合力竖直向上，且表面张力的合力等于重力，故水不能流出，选项B正确．]
9．把一根弯成如图所示形状的金属丝悬挂在灵敏弹簧测力计的下端，然后将盛有液体的杯子放在金属丝下面，使金属丝浸入液体中，这时如果把灵敏弹簧测力计慢慢地向上移动，让金属丝的水平部分从液体里露出来，就可以看到，金属丝和液面之间出现了一层液体的薄膜，同时金属丝本身也被薄膜包围着，由于表面张力的作用，薄膜向下拉金属丝，而使测力计的弹簧伸长，继续移动测力计，直到金属丝和液面之间的薄膜刚要断开为止，设此时测力计的读数为F，金属丝的重力为mg，求薄膜每一面上平行于金属丝的分界线上表面张力的大小．
[解析] 当将要把金属丝和液面之间的薄膜拉断时，表面张力的方向为竖直向下，设每一面上的张力大小为F′，由平衡条件F＝mg＋2F′，得F′＝F-mg2．
[答案] F-mg2
10．由于海水表面有表面张力的作用，水珠之间相互吸引着，这样使得风很难把水珠刮起，只能够形成海浪，所以海洋上的风中只带有少量的水沫；而沙漠中的沙子却不一样，沙粒之间几乎没有作用力，所以风很容易刮起大量的沙子……根据以上规律联系所学知识请你设想，如果玻璃杯中盛有少量水银，在太空轨道上运行的宇宙飞船内，水银在杯子中将呈现下图所示的怎样的形状( )
A B C D
D [在宇宙飞船内完全失重的情况下，由于重力的存在而产生的一切现象随之消失．因为液体的表面张力不受重力的影响，水银不浸润玻璃，水银的形状只由表面张力来决定．在液体表面张力的作用下，水银的表面有收缩到最小的趋势，而体积一定时，球形的表面积最小．所以最终水银会呈现球形，D正确．]
11．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露出液面，则( )
A．天平仍然平衡
B．由于铁丝离开水面沾上液体，重力增加而使天平平衡被破坏，左端下降
C．由于铁丝刚离开液面，和液面间生成一液膜，此液膜的表面张力使天平左端下降
D．以上说法都不对
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．故C正确．]
12．(多选)关于液体表面张力，下列说法中正确的有( )
A．甲图中露珠呈球形，这是地球引力作用的结果
B．乙图中液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离，产生表面张力
C．丙图中水黾可以停在水面上，是由于水的表面张力作用
D．丁图中液体表面张力方向与液面平行
BCD [甲图中露珠呈球形，这是液体表面张力的结果，故A错误；乙图中液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离，分子力表现为引力，从而产生表面张力，故B正确；丙图中水黾可以停在水面上，是由于水的表面张力作用，故C正确；丁图中液体表面张力方向与液面平行，故D正确．]
13．长征五号B搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱，于北京时间2020年5月5日18时0分，从文昌航天发射场点火升空．有两个圆柱体洁净玻璃容器，其中分别封装有水和水银，若把它们放入“实验船”内，在它围绕地球做匀速圆周运动的过程中，两容器中水和水银会出现什么形状？
[解析] 当“实验船”绕地球做匀速圆周运动的过程中，处于失重状态，液体仅受表面张力的作用，使其自由表面收缩到最小状态．因此，两者的形状均为球形，但由于水能完全浸润玻璃，水银几乎不能浸润玻璃，所以水和水银的液面分别呈如图所示形状．
[答案] 见解析比较项
液体表面层
液体内部
分子密度
稀疏
密集
分子间距d
10-10 m< d<10-9 m
d＝10-10 m
分子力
表现为引力(合力)
斥力与引力平衡(合力为零)
表现
表面有收缩趋势
不易被压缩