人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第2章 5.液体学案

5.液体
学习目标：1．[物理观念]知道表面张力、浸润、不浸润、毛细现象及液晶的概念和实验证据，并能解释相关的自然现象。 2．[科学思维]理解液体的微观结构，能解释表面张力、浸润与不浸润产生的原因。掌握液晶对光学具有各向异性，并能解决相关问题。　3.[科学探究]掌握探究表面张力和毛细现象的实验，学会与他人交流合作，提高动手能力和观察探究能力。　4.[科学态度与责任]通过对自然现象的分析，体验科学规律的应用价值，培养探索科学的兴趣。
阅读本节教材，回答第36页“问题”并梳理必要的知识点。
教材P36“问题”提示：液体的表面层有表面张力，可使液面收缩到最小，因而水凸起来而不会流出来。
一、液体的表面张力
1．表面层：液体表面有一层跟气体接触的薄层，叫作表面层。
2．分子力的特点
在液体内部，分子间的平均距离略小于r0，分子间的作用力表现为斥力；在表面层，分子比较稀疏，分子间距离略大于r0，分子间的作用力表现为引力。
3．表面张力
(1)定义：液体表面的这种力使液体表面绷紧，叫作液体的表面张力。
(2)作用效果：使液体表面具有收缩趋势。
说明：表面张力使液体表面收缩到最小。
二、浸润和不浸润、液晶
1．浸润和不浸润
(1)一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上，这种现象叫作浸润；一种液体不会润湿某种固体，也就不会附着在这种固体的表面上，这种现象叫作不浸润。
(2)浸润和不浸润是分子力作用的表现。
2．毛细现象
(1)毛细现象：浸润液体在细管中上升的现象，以及不浸润液体在细管中下降的现象，称为毛细现象。
(2)毛细管内外液面的高度差与毛细管的内径有关，毛细管的内径越小，高度差越大。
3．液晶
(1)液晶：像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似，具有各向异性的物质叫液晶。这是介于液态和固态间的一种中间态。
(2)出现液晶态的条件：液晶是一种特殊物质，有些物质在特定的温度范围之内具有液晶态，另一些物质，在适当的溶剂中溶解时，在一定浓度范围内具有液晶态。
(3)液晶的微观结构：通常棒状分子的物质容易具有液晶态。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)木块浮在水面上是液体表面张力的原因。 (×)
(2)液体分子间的相互作用力比固体分子间作用力弱。 (√)
(3)毛细现象是浸润或不浸润的实例。 (√)
(4)液晶在任何条件下，都表现出各向异性。 (×)
2．液体表面具有收缩趋势的原因是(　　)
A．液体可以流动
B．液体表面层分子间的距离小于液体内部分子间的距离
C．与液面接触的容器壁的分子，对液体表面分子有吸引力
D．液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离
D　[由于液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离，所以表面层分子间的相互作用表现为引力，这种引力使液体表面层的相邻部分之间有相互吸引的力(即表面张力)，表面张力使液体表面具有收缩的趋势，故D正确。]
3．关于浸润与不浸润现象，下面的几种说法中正确的是(　　)
A．水是浸润液体
B．水银是不浸润液体
C．同一种液体对不同的固体，可能是浸润的，也可能是不浸润的
D．只有浸润液体在细管中才会产生毛细现象
C　[浸润和不浸润，是指一种液体对某一种固体来说的，孤立地说某种液体浸润或不浸润都没有意义。同一种液体对不同的固体，可能浸润，也可能不浸润，例如水对玻璃浸润，而对荷叶就不浸润；浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管中下降，都属于毛细现象，选项C正确。]
液体的表面张力
(教师用书独具)教材P37“思考与讨论”答案提示：
记得水滴是标准球形。液体表面张力使液体表面积最小，同样的液滴呈球形时表面积最小，在太空中完全失重状态下水滴形成一个完美的球形。在荷叶上的露珠因受重力影响呈扁平球形。
如图所示，把橄榄油滴入水和酒精的混合液里，当混合液的密度与橄榄油密度相同时，滴入的橄榄油呈球状悬浮在液体中，为什么？
提示：滴入混合液中的油滴，受到竖直向下的重力和液体对它竖直向上的浮力作用。由于油的密度与液体密度相同，使得油滴好像处于失重状态。油滴在表面张力的作用下收缩液面，有使液面尽量减小的趋势。因为在同体积的几何体中，球体的表面积最小，所以油滴在表面张力作用下收缩成球状悬浮在混合液内。
1．液体分子分布特点：由于蒸发现象，表面层分子的分布比液体内部稀疏，即表面层分子间的距离比液体内部分子间的距离大。
2．分子力特点：液体内部分子间引力、斥力基本上相等，而液体表面层分子之间距离较大，分子力表现为引力。
3．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。所以说表面张力是液体表面层分子力作用的结果。
4．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。
5．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。
例如，吹出的肥皂泡呈球形，滴在洁净玻璃板上的水银滴呈球形。但由于受重力的影响，往往呈扁球形，在失重条件下才呈球形。
【例1】　关于液体的表面张力，下列说法正确的是(　　)
A．液体表面张力是液体各部分之间的相互吸引力
B．液体表面层分子的分布比内部稀疏，分子力表现为零
C．不论是水还是水银，表面张力都会使表面收缩
D．表面张力的方向与液面相垂直
思路点拨：(1)表面张力是因为液体表面层分子较稀疏，分子力表现为引力，使液面收缩到最小。
(2)力与液面相切，垂直于液面上的各条分界线。
C　[液体表面张力是液体表面各部分之间相互吸引的力，选项A错误；液体的表面层分子要比内部稀疏些，分子间的距离较内部分子间距离大，表面层分子间表现为引力，选项B错误；液体的表面张力总使液面具有收缩的趋势，选项C正确；液体表面张力的方向总是与液面相切，跟液面分界线相垂直，选项D错误。]
表面张力的特点
(1)表面张力是液体分子间的作用力的宏观表现。
(2)表面张力的方向与液面相切，垂直于分界线。
(3)表面张力的大小由分界线的长度、液体的种类、纯净度和温度等因素来决定。
(4)表面张力的作用是使液体表面积有收缩到最小的趋势。
[跟进训练]
1．(多选)下列现象中，关于液体的表面张力说法正确的是(　　)
A．小昆虫能在水面上自由来往而不陷入水中靠的是液体的表面张力作用
B．小木块能够浮于水面上是液体表面张力与其重力平衡的结果
C．缝衣针浮在水面上不下沉是水的表面张力作用的结果
D．喷泉喷射到空中形成一个个球形的小水珠是表面张力作用的结果
ACD　[仔细观察可以发现，小昆虫在水面上站定或行进过程中，其脚部位置比周围水面稍下陷，但仍在水面上而未陷入水中，就像踩在柔韧性非常好的膜上一样，因此，这是液体的表面张力在起作用。浮在水面上的缝衣针与小昆虫情况一样，故选项A、C正确；小木块浮于水面上时，木块的下部实际上已经陷入水中(排开一部分水)受到水的浮力作用，是浮力与重力平衡的结果，而非表面张力在起作用，故选项B错误；喷泉喷到空中的水分散时，每一小部分的表面都有表面张力在起作用且水处于完全失重状态，因而形成球状水珠(体积一定情况下以球形表面积为最小，表面张力的作用使液体表面有收缩到最小面积的趋势)，故选项D正确。]
浸润和不浸润、毛细现象、液晶
如图所示，液晶是现代生活的一个重要角色，从最初的电子手表到如今的笔记本电脑、液晶电视、可视电话……液晶一步步地深入了我们的生活，为什么“液体”和“晶体”联系在一起了？液晶到底是什么物质？
提示：某些化合物像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似，具有各向异性，人们把处于这种状态的物质叫作液晶。液晶物质都具有较大的分子，通常是棒状分子、碟状分子、平板状分子。不同分子形状的液晶其用途往往也不同，但它在作为显示元件方面的用途已经深入到了生物医学、电子工业、航空工业以及生活中的各个方面，在今后的显示器中，液晶将扮演主角。
1．浸润和不浸润现象成因分析
(1)附着层内分子受力情况：液体和固体接触时，附着层的液体分子除受液体内部的分子吸引外，还受到固体分子的吸引。
(2)浸润的成因：当固体分子对液体分子的吸引力大于液体内部分子力时，附着层内液体分子比液体内部分子稠密，附着层中分子之间表现为斥力，具有扩张的趋势，这时表现为液体浸润固体。
(3)不浸润的成因：当固体分子对液体分子的吸引力小于液体内部分子力时，附着层内液体分子比液体内部分子稀疏，附着层中分子之间表现为引力，具有收缩的趋势，这时表现为液体不浸润固体。
2．毛细现象
(1)两种表现：浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管中下降。
甲　　　 乙
(2)产生原因：毛细现象的产生与表面张力及浸润现象都有关系。如图所示，甲是浸润情况，此时管内液面呈凹形，因为水的表面张力作用，液体会受到一向上的作用力，因而管内液面要比管外高；乙是不浸润情况，管内液面呈凸形，表面张力的作用使液体受到一向下的力，因而管内液面比管外低。
3．液晶
液晶是介于液体与固体之间的一种中间态的物质，在特定方向上分子排列整齐，其物理性质表现为各向异性，另一方向上分子排列是杂乱的，具有液体的特征，所以晶体还具有流动性，但液晶并不是液体和晶体的混合物。
【例2】　(多选)如图所示，对于液体在器壁附近发生弯曲的现象，下列说法正确的是(　　)
A．表面层Ⅰ内分子的分布比液体内部疏
B．表面层Ⅱ内分子的分布比液体内部密
C．附着层Ⅰ内分子的分布比液体内部密
D．附着层Ⅱ内分子的分布比液体内部疏
思路点拨：(1)附着层液体分子比液体内部分子密集，是浸润，附着层扩张。
(2)反之收缩。
ACD　[附着层Ⅰ液体分子比液体内部分子密集，附着层内液体分子间距离小于r0，附着层内分子间作用表现为斥力，附着层有扩散趋势，C正确；附着层Ⅱ内液体分子比液体内部分子稀疏，附着层内液体分子间距离大于r0，附着层内分子间作用表现为引力，附着层有收缩的趋势，D正确；表面层内分子比液体内部疏，表现为引力，A正确，B错误。]
浸润现象的分析要点
(1)一种液体是否浸润某种固体，与这两种物质的性质都有关系，例如：水银不浸润玻璃，但浸润铅；水浸润玻璃，但不浸润石蜡。
(2)浸润和不浸润可以用附着层的液体分子的分布来解释，浸润的本质是扩展，不浸润的本质是收缩。
[跟进训练]
2．(多选)若液体对某种固体是浸润的，当液体装在由这种固体物质做成的细管中时，则(　　)
A．附着层分子密度大于液体内分子的密度
B．附着层分子的作用力表现为引力
C．管中的液体表面一定是下凹
D．液体跟固体接触的面积有扩大的趋势
ACD　[这是浸润现象，这时固体分子与液体分子间的引力相当强，造成附着层内分子的分布比液体内部密，这样就会使液体间出现相互排斥力，使液体跟固体接触的面积有扩大的趋势。故A、C、D正确，B错误。]
3．(多选)关于液晶，下列说法正确的是(　　)
A．因为液晶是介于晶体与液体之间的中间态，所以液晶实际上是一种非晶体
B．液晶具有液体的流动性，是因为液晶分子尽管有序排列，但却位置无序，可自由移动
C．任何物质在任何条件下都可以存在液晶态
D．天然存在的液晶很少，多数液晶是人工合成的
BD　[液晶是一种介于晶体与液体之间的液态晶体，它不是晶体更不是非晶体；液晶分子的排列像晶体分子一样排列有序，但是它们又像液体分子一样可以自由移动，没有固定的位置，即位置无序，所以液晶具有流动性；有些物质只有在特定的条件下才具有液晶态，并不是所有物质都是液晶态；天然存在的液晶很少，多数液晶是人工合成的，目前已达到5 000多种。故正确答案为BD。]
1．物理观念：表面张力、浸润、不浸润、毛细现象、液晶。
2．科学思维：表面张力产生的原因，毛细现象、液晶的微观解释。
3．科学方法：实验法、模型法、观察法。
1．(多选)下列现象中，哪些是液体的表面张力造成的(　　)
A．两滴水银相接触，立即会合并到一起
B．熔化的蜡从燃烧的蜡烛上流下来，冷却后呈球形
C．用熔化的玻璃制成各种玻璃器皿
D．水珠在荷叶上呈球形
ABD　[两滴水银相接触，立即会合并到一起，是表面张力的原因，A正确；熔化的蜡从燃烧的蜡烛上流下来，冷却后呈球形，是因为表面张力使液体表面具有收缩的趋势，B正确；用熔化的玻璃制成各种玻璃器皿，跟各种模型有关，不是表面张力造成的，C错误；水珠在荷叶上呈球形，是因为表面张力使液体表面具有收缩的趋势，D正确。]
2．(多选)把极细的玻璃管插入水中与水银中，如图所示，正确表示毛细现象的是(　　)

　　　　　　A　　　　　　B　　　　　　　C　　　　　　D
AC　[因为水能浸润玻璃，无论管内外均为浸润，选项A正确，B错误；水银不浸润玻璃，选项C正确；选项D中外面浸润，里面不浸润，所以是不可能的，故选项D错误。]
3．下列对浸润与不浸润现象的认识正确的是(　　)
A．水是浸润液体，水银是不浸润液体
B．浸润现象中，附着层里分子比液体内部稀疏
C．不浸润现象中，附着层里的分子受到固体分子的吸引较液体内部分子的吸引强
D．不浸润现象中，附着层里分子间表现出吸引力；浸润现象中，附着层里分子间表现出排斥力
D　[一种液体是否浸润某种固体，与这两种物质的性质均有关，不能肯定哪种液体是浸润液体或不浸润液体，选项A错误；在浸润现象中，附着层内分子受到固体分子吸引力较液体内部分子吸引力大，分子分布比液体内部更密，因而在附着层里液体分子表现出相互排斥的力，附着层有扩展的趋势，选项B、C错误，选项D正确。]
4．(多选)关于液晶的特点及应用正确的是(　　)
A．棒状分子、碟状分子和平板状分子的物质呈液晶态
B．利用液晶在温度变化时由透明变浑浊的特性可制作电子表、电子计算器的显示元件
C．有一种液晶，随温度的逐渐升高，其颜色按顺序改变，利用这种性质，可用来探测温度
D．利用液晶可检查肿瘤，还可以检查电路中的短路点
BCD　[通常棒状分子、碟状分子和平板状分子的物质容易具有液晶态，但不是任何时候都呈液晶态，故A错误，B、C、D正确。]
5．(思维拓展)某同学将一个直玻璃细管插入水中，发现管中水面上升的高度(H)较大[如图(a)所示]。于是他用同样的玻璃毛细管做成一个弯管，将长臂端插入水中，使弯管顶部到水面的高度H′[答案]　不对，因为水滴从弯管管口处落下之前，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，使水不能流出。
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