什么是表面张力_什么是液体的表面张力_表面张力的方向图示_表面张力的测定详细信息
| 宜城教育资源网www.ychedu.com什么是表面张力_什么是液体的表面张力_表面张力的方向图示_表面张力的测定什么是液体的表面张力定义液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。表面张力的形成同处在液体表面薄层内的分子的特殊受力状态密切相关。表面张力的存在形成了一系列日常生活中可以观察到的特殊现象。例如：截面非常小的细管内的毛细现象、肥皂泡现象、液体与固体之间的浸润与非浸润现象等。[1]计算要求出表面张力的大小可在液体表面上画出一个任意的面积元。设此面积元每个边长都是l，表面其他部分垂直作用在每一边上的张力为F，于是表面张力σ为：Σ=F/l0表面张力垂直于此面积的周边，其大小以每厘米多少达因来表示（1达因/厘米=10-3牛顿/米）因此，表面张力的量纲是MT-2。表面张力的大小在室温（20℃左右）下，大部分液体的表面张力在20?40达因/厘米范围以内，但也有大于此数的，如水的表面张力为72达因/厘米；水银表面张力为470达因/厘米。液态金属的表面张力都比较大，如1131℃液态铜的表面张力为1103达因/厘米。一些在常温下为气态的元素，在低温下处于液态时，表面张力却很小，如4.3开液氦的表面张力仅有0.098达因/厘米，90.2开液氢的表面张力为0.2达因/厘米，理论分析还指出，对于同一种液体，温度升高，表面张力降低。形成机理图1流体表面层分子受力状态图1流体表面层分子受力状态比较液体内的分子A和液面分子B的受力情况。以分子力的有效力程为半径作以分子A为中心的球面（图1），则所有对分子A有作用的分子都在球面之内。选取一段较长的时间T（是分子两次碰撞之间的平均时间），由于对称，在这段时间内，各个分子对A的作用力的合力等于零。以分子B为中心的球面中的一部分在液体当中，另一部分在液面之外，这部分分子密度远小于液体部分的分子密度。如果忽略这部分分子对B的作用，则由于对称，CC'和DD'之间所有分子作用力的合力等于零；对B有效的作用力是由球面内DD'以下的全体分子产生的向下合力。由于处在边界内的每—个分子都受到指向液体内部的合力，所以这些分子都有向液体内部下降的趋势，同时分子与分子之间还有侧面的吸引力，即有尽量收缩表面的趋势。这种情况使流体的表面好象蒙在一个表面积比它大的固体外面的弹性薄膜。在研究物体的浮沉条件时，有个同学无意中发现了一个有趣的现象：把一塑料尺子竖放(或侧放)在水面时，发现尺子迅速下沉了；而当他把尺子平放在水面时，即可发现尺子漂在水面上。竖放(或侧放)尺子在水面上时，尺子下沉，是由于尺子所受的浮力小于它自身的重力而引起的；那又为什么在平放尺子时，它却是漂浮在水面上，若按物体的浮沉条件，物体漂浮时浮力可是等于重力的呀。这两者岂不自相矛盾了吗?问题症结在哪里呢?在高中物理教材第一册"固体和液体的性质"一章中，有一个小实验：要求学生用棉纸把缝衣针垫起放在水面上，当棉纸被水浸湿下沉后，观察现象并说明原因，很多同学认为缝衣针浮在水面是由于液体表面张力作用的原因，以为针受重力、浮力和液体表面张力三者相平衡而使针能漂在水表面上。那么就让我们先来认识一下液体表面张力吧。什么是液体的表面张力呢?液体表面附近的分子由平衡位置向外运动时，因为外部空气和蒸气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，一些动能大的分予就可能冲出吸力范围，成为蒸气分子，结果形成表面层里的分子分布比液体内部的分子分布稀疏，分子之间的距离就比较大(r>r0)、正是由于液面分子分布较内部稀疏，分子间距r>r0，分子间引力占优势而产生了液体表面张力，由此可知，液体表面的张力实质是分子间相互作用的合力，它指向液体内部，可见托起硬币的力不可能是液体表面张力。那么让我们再来看看浮力吧。先让我们先做一个实验：在一盛有水的烧杯的水面平放一张滤纸，把一枚面值一角的硬币平放在滤纸上，待滤纸被浸湿而下沉后，发现硬币仍漂在水面上。注意观察硬币周围会发现水面向下凹陷，而硬币并未浸入水中，只是漂在水表面上。由此可见，此时硬币并未受到浮力作用。那是什么力与重力相平衡而使硬币漂在水面上呢?由上一实验现象可知，水面向下凹陷，发生了形变，从而产生了一个与形变方向相反的弹力--支持力，这就如在一个吹气的气球上放上一个物体，由于物体的重力而使气球形变(向下凹陷)，而产生了竖直向上的支持力一样。是这个与重力大小相等、方向相反的支持力使硬币漂在水表面上。(上面几个实验中的塑料尺子、缝衣针漂在水面上与此相同)为什么侧放或竖放尺子、缝衣针以及硬币时，它们都将沉到水底呢?我们还是以硬币为例，当它侧放或竖放时，液面的受力面积很小，压强很大，压力作用效果显著；这与穿高跟鞋踩在沙地，鞋跟将陷入沙中一样，硬币陷入了水中，从而打破了水面的弹性形变，使水表面对它的支持力不复存在。此时硬币只受浮力和重力作用，而由于重力大于浮力，所以硬币很快就下沉到水底了。而平放时，对水面压强很小，就不会发生上述现象，而使硬币浮在水表面上保持平衡。在自然界中，也有许多相类似的现象。有些小昆虫可以在水面上跑来跑去或停留在水面上，不致于陷入水里，也是同样的道理。 宜城教育资源网www.ychedu.com |
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