表面张力及其实验探讨

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1、液体表面张力及实验探讨摘要：日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。本文在研读文献的基础上，从分子力的角度对表面张力的概念进行了阐释，然后分析了影响表面张力大小的因素。在一些现象中人们通常会将表面张力与浮力相混淆，本文设计了三个简便易行的实验，通过实验现象的观察及分析，说明表面张力和浮力的不同作用。最后，由于表面张力在人体的呼吸过程中起着重要作用，本文在研读文献的基础上给与归纳、描述，并且从表面张力的角度分析了人体在高烧的时候，呼吸加快的原因。本文意在通过简洁的论述和图示，让人们了解表面张力及其在生活中的应用。关键词：表面张力；浮力；呼

2、吸过程一、问题的提出日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。如：日常生活中人们见到的液滴往往呈球形，是液滴表面张力作用的结果。下雨天人们使用的雨伞是布面的，有微小的缝隙却不漏雨，是雨水表面张力作用的结果。在人体每时每刻的呼吸中，表面张力同样起着非常重要的作用：表面张力使大小不同的肺泡保持一定的形状，不会使大肺泡因扩大而爆裂，也不会使小肺泡因缩小而萎陷；表面张力的这种变化是肺泡表面活性物质所起到的调节作用。用纯水很难吹出泡泡，然而往水中加入一些表面活性物质，就可以很容易的吹出又大又圆的泡泡了。同样，往洗涤剂中加入表面活性物质，不仅可以使洗

3、涤剂更好的溶于水，还可以增强衣物的浸湿效果，更有效的去除污迹。可以说表面张力与人们的日常生活形影不离，要很好的利用表面张力，就要了解表面张力的含义。二、表面张力的概念（一）相关概念1．分子力物质是由分子构成的，分子间的相互作用，叫做分子力。如图（1）所示，当分子之间的距离等于10-10m时，分子间的引力等于斥力，对外不显示力的作用，因此10-10m叫做分子的平衡距离，用r0表示。当分子间的距离小于平衡距离时，分子力表现为斥力；当分子间的距离大于平衡距离时，分子力表现为引力。当分子间的距离大于10-9m时，引力和斥力消失，分子力为零。所以，分子间的作用力属于短程力。9图（

4、1）分子力2．分子作用半径分子力的有效作用范围，叫做分子作用半径，数值等于10-9m，以此值为半径所做的球，称为分子作用球。3．液体的表面层和附着层气体液体表面层液体图（2）液体表面层由于液体具有流动性而往往盛于容器中，这样液体就会与固体和上面的气体相接触，在气-液表面取厚度等于分子作用半径（10-9m）的液体薄层，叫做液体的表面层，如图（2）所示。而液体与固体接触的液体薄层，叫做液体的附着层。固体分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力，液体内部分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力。（二）液体的表面张力1．对表面张力的两种解释董品泸主编的《物理学》中（以下简称“《

5、物理学》1”），对表面张力的解释为：表面层的液体分子一方面受液体内部分子的作用，另一方面受液面上方气体分子的微弱作用，这两种特殊作用的结果，使表面层中液体分子的分布比液体内部稀疏。由于表面层中液体分子间的距离大于平衡距离，分子间表现为引力，即液体的表面张力。如图（3），MN为液体表面的分界线，分界线左边的分子对分界线右边的分子产生的引力为F1，右边分MNF1F2图（3）子对左边分子的引力为F2，F1与F2大小相等，方向相反，与液面相切。[1]董品泸，《物理学》，四川科学技术出版社，1992年图（4）M1M2王鸿儒主编的《物理学》中（以下简称“《物理学》2”），对表面张力

6、的解释为：如图（4），M1为液体表面分子，M2为液体内部分子，以分子作用半径为半径，以M1、M2为球心分别做球。在液体内部，由于分子分布均匀，M2受到来自各个方向的分子力大小相等，因此其合力为零。以M1为球心的分子作用球，一部分在液体内部，另一部分在气体中，M19受到的来自液体内部分子的作用力大于气体分子的作用力，其合力向下，使液面处于一种特殊的紧张状态，宏观上表现为表面张力。[2]王鸿儒，《物理学》，北京医科大学中国协和医科大学联合出版社，1991年图（5）M12．对两种解释方式的分析、比较。从图（3）来看，表面张力作用在液体表面，而从图（4）来看，好像表面张力垂直于

7、液体表面，二者是否矛盾呢？F1F2F3F4图（6）M1在常温、常压下，空气的密度是1.293kg/m3，其平均分子量是29；水的密度是103kg/m3，其分子量是18；相同环境、相同体积时，水的摩尔数与空气的摩尔数之比为：（103／18）／（1.293／29）≈1246倍，即体积相同时，水的分子数约是空气分子数的1246倍。如图（5），表面层中的液体分子M1，受水面上方较少空气分子的作用，受水面以下较多的液体分子的作用，将所受力进行合成，则M1在竖直方向和水平方向的合力分别如图（6）所示，F2＞F1使液面处于紧绷状态，与“《物理学》2”解