鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第2章 第2节 表面张力和毛细现象 第3节 材料及其应用学案word含解析

第2节　表面张力和毛细现象
第3节　材料及其应用
核心素养 物理观念 科学探究 科学思维 科学态度与责任
1.了解液体的表面张力现象，并能解释生活中与之相关的物理现象。
2.了解浸润和不浸润现象，知道附着层的特点，理解浸润和不浸润现象产生的原因。
3.知道毛细现象。
4.了解液晶的特点及其应用。 通过实验探究表面张力的方向。 1.根据液体表面层的特点解释表面张力形成的原因。
2.解释毛细现象产生的原因。 了解半导体、纳米材料、石墨烯等材料及它们在科技上的应用。
知识点一　表面张力
[观图助学]
观察上图回答下列问题：(1)水黾的脚在水面以上还是在水面以下？水黾受到的向上的作用力是水的浮力吗？(2)清晨草叶上的露珠呈什么形状？
1.表面层
(1)定义：液体与气体接触的表面存在的一个薄层。
(2)特点：表面层分子的分布比液体内部稀疏，分子间的距离略大于分子力平衡的距离，分子间的作用力表现为引力。
2.表面张力
(1)定义：液体表面各部分间的相互引力称为表面张力。
(2)作用效果：因为表面张力的作用，液体表面总有要收缩到表面积最小的趋势，所以雨滴、奶滴、油滴等液滴的外形就近似呈现球形；若重力的影响明显，其外形就呈现为椭球形；在完全失重的环境下，液滴能收缩成标准的球形。
[思考判断]
(1)表面张力的作用是使液面具有收缩的趋势。(√)
(2)表面张力是分子力的宏观表现。(√)
(3)昆虫可以在水面上自由走动是表面张力在起作用。(√),
水黾的脚在液面以上，它受到的不是水的浮力。
液体内部，分子间距离r＝r0，分子力为零，表面层，分子间距离r>r0，分子力表现为引力。
同等体积的情况下，球体的表面积最小。
知识点二　毛细现象
[观图助学]
图为一支打破的水银温度计，洒落的水银在玻璃桌面上呈现什么形状？用其他物品拨动水银滴，让它在玻璃桌面上移动，在它经过的路径上，是否会有水银附着在玻璃上？
1.浸润和不浸润
(1)定义
①浸润：液体润湿某种固体并附着在该固体表面上的现象称为浸润。
②不浸润：液体不润湿某种固体，也不附着在该固体表面上的现象称为不浸润。
(2)产生原因
①内聚力大于附着力，这时跟固体接触的液体表面有缩小的趋势，形成不浸润现象。
②附着力大于内聚力，这时跟固体接触的液体表面有扩展的趋势，形成浸润现象。
2.毛细现象
(1)毛细现象：浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降的现象，称为毛细现象。
(2)毛细管：能发生毛细现象的管称为毛细管。
[思考判断]
(1) 毛细现象只指浸润液体在细管里上升的现象。(×)
(2)水对所有固体都浸润。(×)
(3)毛细管插入水中，管的内径越大，管内水面升高的越高。(×)
水银滴呈球形，并且不会附着在玻璃上。
水对玻璃是浸润的，对石蜡是不浸润的。
内聚力：液体内部分子对附着层液体分子的引力。
附着力：固体对附着层液体分子的引力。
毛细管内外液面的高度差与毛细管的内径有关，毛细管内径越小，高度差越大。
知识点三　液　晶
[观图助学]
电脑显示屏与手机显示屏都是液晶显示屏，都用到了一种特殊的物质——液晶，你能根据液体和晶体的特点猜测一下液晶有哪些特性吗？
1.定义：既具有像液体那样的流动性和连续性，又具有晶体那样的各向异性特点的流体。
2.性质
外界条件的微小变化，会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质，例如温度、压力、摩擦、电磁作用、容器的表面差异等，都可以改变液晶的光学性质。
3.应用
(1)液晶显示器。
(2)液晶测温。
[思考判断]
(1)液晶是液体和晶体的混合物。(×)
(2)液晶分子在特定方向排列比较整齐。(√)
(3)液晶在温度改变时会改变颜色，可以利用液晶的这种温度效应来探测温度。(√),
液晶是一种特殊的物质形态，不是液体和晶体的混合物。
电子表的液晶显示屏
知识点四　材料及其应用
1.材料对人类社会的影响
人类在不同时代对材料的开发与应用有所不同，每一种重要材料的开发和应用，都把人类文明推向一个新的阶段。
2.材料的种类
(1)按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料两类。
(2)按照材料的应用领域，可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。
(3)习惯上，人们把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。
3.材料的应用
(1)半导体：半导体是电子信息产业的基础，是许多工业整机设备的核心，作为芯片、存储器等应用在计算机、通信、军事、工业医疗等各个领域。
(2)纳米材料：粒度在1～ 100 nm的材料称为纳米材料。当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会突变。碳纳米管是目前纳米材料研究领域的热点之一。
(3)石墨烯：石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，是已知强度最高的材料之一，并且能弯曲，有很好的韧性。石墨烯可制作传感器，其灵敏度可与单分子检测的极限相比拟；还可用来制作晶体管，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。石墨烯的研究与应用在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。
[思考判断]
(1)半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间。(√)
(2) 纳米材料的粒度在1～ 100 nm之间。(√)
(3)石墨烯由单层原子构成，所以强度不大。(×)
半导体材料的应用——优盘芯片
纳米材料的应用——碳纳米管
核心要点 　表面张力
[问题探究]
如图所示是液体表面附近分子分布的大致情况。
(1)液体表面层内的分子距离与液体内部分子距离相比较，有什么不同？
(2)液体表面层分子间的作用力表现为斥力还是引力？
答案　(1)液体表面层内分子间距离比液体内部分子间的距离大。
(2) 液体表面层分子间的作用力表现为引力。
[探究归纳]
1.表面张力产生的原因
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。
[经典示例]
[例1] (多选)关于液体的表面张力，下列说法正确的是(　　)
A.表面张力是液体内部各部分之间的相互作用力
B.液体表面层分子的分布比内部稀疏，分子力表现为引力
C.不论是水还是水银，表面张力都会使液体表面收缩
D.表面张力的方向与液面垂直
解析　液体表面层分子较液体内部稀疏，分子间的距离r>r0，故分子力表现为引力，表面张力的作用使液面具有收缩到表面积最小的趋势，表面张力的方向沿液面的切线方向与分界线垂直。故选项B、C正确，A、D错误。
答案　BC
[针对训练1] (多选)关于液体表面的收缩趋势，错误的说法是(　　)
A.因为液体表面分子的分布比内部密集，所以有收缩趋势
B.因为液体表面分子的分布和内部相同，所以有收缩趋势
C.因为液体表面分子的分布比内部稀疏，所以有收缩趋势
D.液体表面分子受到与其接触的气体分子的斥力作用，使液体表面有收缩趋势
解析　液体表面层内分子比液体内部分子分布稀疏。在液体内部分子间的距离是r＝r0，分子引力和分子斥力相等，对外表现的分子力为零。在表面层，分子间的距离是r>r0，分子间的作用力表现为相互吸引，它的作用是使液体表面绷紧，有收缩的趋势，A、B错误，C正确；表面层上方的气体分子对液体表面分子的吸引力很小，可以忽略，不是使液体表面收缩的原因，故D错误。
答案　ABD
核心要点 　毛细现象
[问题探究]
(1)把一块玻璃分别浸入水和水银里再取出来，可观察到从水银中取出的玻璃上没有附着水银，从水中取出的玻璃上会沾上一层水，为什么会出现上述两种不同的现象呢？
(2)如图所示，在灌溉完土地后农民伯伯往往利用翻松地表土壤的方法来保存土壤的水分，你知道这是为什么吗？
答案　(1)水银不浸润玻璃，而水浸润玻璃。
(2)把地表土壤锄松，破坏了土壤表层的毛细管，地下的水分就不会沿毛细管上升到地面而被蒸发掉。
[探究归纳]
1.浸润不浸润的理解
浸润和不浸润是发生在两种材料(液体与固体)之间的，与这两种物质的性质都有关系，不能单说哪一种材料浸润或不浸润。例如：水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡；水银不能浸润玻璃，但能浸润铅。
2.毛细现象产生的原因
浸润液体与毛细管内壁接触时，液体表面发生弯曲，呈凹形。液体表面就像一张张紧了的凹形的弹性薄膜，表面张力的收缩作用总是力图使凹形表面的面积缩小，对表面下的液体产生向上的提拉作用(如图甲所示)，于是管内液体上升，直到表面张力向上的提拉作用与管内升高的液柱所受的重力达到平衡时，管内液体才停止上升，稳定在一定的高度。不浸润液体在毛细管里下降则是由于表面张力的收缩作用总是力图使凸形表面的面积减小，对表面下的液体产生向下的作用导致的(如图乙所示)。
3.毛细现象实例
(1)植物根部的水分，上升到顶部的枝叶里，部分原因是毛细现象。
(2)通过松土破坏土壤表层的毛细管，防止土壤中的水分上升到地面而被蒸发。
(3)毛巾吸汗。
(4)砖块吸水。
[经典示例]
[例2] (多选)将不同材料制成的甲、乙两细管插入相同的液体中，甲管内液面比管外液面低，乙管内液面比管外液面高，则(　　)
A.液体对甲材料是浸润的
B.液体对乙材料是浸润的
C.甲管中发生的不是毛细现象，而乙管中发生的是毛细现象
D.若甲、乙两管的内径变小，则甲管内液面更低，乙管内液面更高
解析　液体对固体浸润的情况下，在附着层分子的排斥力和表面层分子的吸引力的共同作用下，液面将上升，所以A错误，B正确；毛细现象是指浸润液体在细管中上升，以及不浸润液体在细管中下降的现象，所以C错误；在液体和毛细管材料一定的情况下，管越细毛细现象越明显，所以D正确。
答案　BD
[针对训练2] (多选)下列关于浸润(不浸润)现象与毛细现象的说法正确的是(　　)
A.水可以浸润玻璃但不能浸润蜂蜡
B.浸润液体和不浸润液体都有可能发生毛细现象
C.浸润液体都能发生毛细现象，不浸润液体都不能发生毛细现象
D.浸润液体和不浸润液体在细管中都上升
解析　水可以附着在玻璃表面上，即水可以浸润玻璃，但水不会附着在蜂蜡上，即水不浸润蜂蜡，所以同一液体对不同的固体，有的可能发生浸润现象，有的可能发生不浸润现象，这与液体和固体的分子作用力有关。浸润液体和不浸润液体都能发生毛细现象，在细管中沿管壁上升的是浸润液体，在细管中沿管壁下降的是不浸润液体。故A、B正确，C、D错误。
答案　AB
核心要点 　液　晶
[要点归纳]
1.液晶具有晶体的各向异性的特点
在微观结构上，从某个方向看，液晶的分子排列比较整齐，而从另一方向看液晶分子排列是杂乱的，所以液晶具有各向异性的特点。
2.液晶的主要应用
(1)利用向列型液晶的性质可以制成各种液晶显示器。
(2)液晶在温度改变时会改变颜色。随着温度的升高，色彩按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序变化，温度下降时又按相反顺序变色，而且灵敏度很高，在不到1 ℃的温差内就可以显出整个色谱。利用液晶的这种温度效应可以探测温度。
[经典示例]
[例3] (多选)关于液晶，下列说法中正确的有(　　)
A.液晶是一种晶体
B.液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性
C.液晶的光学性质随温度的变化而变化
D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
解析　液晶的微观结构介于固体和液体之间，既不是晶体，也不是非晶体，虽然液晶分子在特定方向排列比较整齐，具有各向异性，但分子的空间排列是不稳定的，选项A、B错误；外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质。温度、压力、外加电压等因素变化时，都会改变液晶的光学性质，选项C、D正确。
答案　CD
[针对训练3] (多选)下列说法中正确的是(　　)
A.液晶态只是物质在一定温度范围内才具有的存在状态
B.液晶分子在特定方向排列比较整齐，但不稳定
C.液晶就是液态的晶体
D.当前液晶最主要的应用是在显示器方面
答案　BD
1.(表面张力)下列现象中，不是由于液体的表面张力引起的是(　　)
A.小昆虫能在水面上自由走动
B.熔化的蜡烛从燃烧的蜡烛上流下来，冷却后呈球形
C.小孩吹出的肥皂泡为球形
D.树叶能漂浮在水面上
解析　小昆虫能在水面上自由走动正是由于表面张力的作用，故A不符合题意；熔化的蜡烛从燃烧的蜡烛上流下来，冷却后呈球形，是由于表面张力的收缩作用，故B不符合题意；小孩吹出的肥皂泡为球形，是由于表面张力的收缩作用，故C不符合题意；树叶能漂浮在水面上，是由于树叶受到水的浮力，与表面张力无关，故D符合题意。
答案　D
2.(浸润和不浸润现象)(多选)关于浸润和不浸润现象，下列说法中正确的是(　　)
A.水银是浸润液体，水是不浸润液体
B.在内径小的容器里，如果液体能浸润容器壁，则液面成凹形，且液体在容器内上升
C.如果固体分子对液体分子的引力较弱，就会形成浸润现象
D.在太空人造卫星里，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
解析　液体对固体是否发生浸润现象，是由液体和固体共同决定的，A错误；如果液体浸润容器壁就会形成凹面，且液体在容器中上升，B正确；如果固体分子对液体附着层分子的引力大于液体内部分子的引力，附着层内的分子较密，分子力表现为斥力，会看到液体的浸润现象，C错误；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，液体会沿着器壁流散，故必须用盖子盖紧，D正确。
答案　BD
3.(毛细现象)(多选)把极细的玻璃管分别插入水中与水银中，如图所示，正确表示毛细现象的是(　　)
解析　因为水能浸润玻璃，所以A正确，B错误；水银不浸润玻璃，C正确；D项中外面浸润，里面不浸润，所以是不可能的，故D错误。
答案　AC
4.(液晶)下列关于液晶的说法中正确的是(　　)
A.有一些液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
B.液晶是液体和晶体的混合物
C.液晶分子保持固定的位置和取向，且位置有序，取向有序
D.液晶具有流动性，光学性质具有各向同性
解析　液晶具有光学各向异性的特点，液晶的光学性质随外加电压的变化而变化，故A正确；液晶是物质的一种状态，并不是液体和晶体的混合物，液晶像液体一样具有流动性，分子的位置不是固定的，光学性质具有各向异性，故B、C、D错误。
答案　A
基础过关
1.关于液体表面的特征，下列说法正确的是(　　)
A.液体表面层的分子分布比内部密
B.液体的表面张力有使其体积收缩到最小的趋势
C.液体表面层分子之间只有引力而无斥力
D.液体的表面张力有使其表面积收缩到最小的趋势
解析　液体表面层的分子分布比内部稀疏，故A错误；液体由于表面张力作用，有使其表面积收缩到最小的趋势，故B错误，D正确；液体表面层分子之间既有引力也有斥力，只是由于分子间距离较大，表现为引力，故C错误。
答案　D
2.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，棉线的形状是下图中的哪一个(　　)
解析　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部分肥皂膜刺破后，在b部分肥皂膜表面张力的作用下，棉线将被绷紧。又由于液体表面有收缩到面积最小的趋势，正确选项为D。
答案　D
3.关于液体的表面张力，下列说法正确的是(　　)
A.由于液体的表面张力使表面层内液体分子间的平均距离小于r0
B.由于液体的表面张力使表面层内液体分子间的平均距离等于r0
C.产生表面张力的原因是表面层内液体分子间只有引力没有斥力
D.表面张力使液体的表面有收缩的趋势
解析　在液体与气体接触的表面处形成一个特殊的薄层，称为表面层，在液体表面层内，分子的分布比液体内部稀疏，它们之间的距离r>r0，分子间作用力表现为引力，因此液体表面有收缩的趋势。故D项正确。
答案　D
4.(多选)下列现象中属于毛细现象的有(　　)
A.粉笔把纸上的墨水吸干
B.水银温度计里液柱的升高
C.托里拆利管内的水银面高于管外的水银面
D.植物根部的养分，能升到植物上部枝叶中
解析　粉笔把纸上的墨水吸干，植物根部的养分上升到植物上部枝叶中都与毛细现象有关，选项A、D正确；水银温度计里液柱的升高是热胀冷缩的结果，选项B错误；托里拆利管内的水银面高于管外的水银面是大气压强的原因，选项C错误。
答案　AD
5.(多选)水对玻璃是浸润液体而水银对玻璃是不浸润液体，它们在毛细管中将产生上升或下降的现象，现把不同粗细的三根毛细管分别插入水和水银中，如图所示，正确的现象应是(　　)
解析　浸润液体在细管中上升以及不浸润液体在细管中下降的现象为毛细现象，管子越细，现象越明显，A、D正确，B、C错误。
答案　AD
6.(多选)下列对浸润及不浸润的理解正确的是(　　)
A.在夏季，人穿棉线衣服感觉舒适是因为汗水对棉线浸润
B.单杠、双杠运动员上杠表演前，手及杠上涂镁粉，是因为水对镁粉浸润
C.布制的雨伞伞面能明显看到线的缝隙，但雨伞不漏雨水是因为水对伞面不浸润
D.酒精灯的灯芯经常是用棉线做成，因为酒精对棉线不浸润
解析　雨伞不漏雨水是因为水浸润伞面后水的表面张力作用造成的，C错误；酒精灯的灯芯经常用棉线做成，酒精对棉线浸润，D错误，A、B正确。
答案　AB
能力提升
7.(多选)下列现象中，哪些是液体的表面张力造成的(　　)
A.水黾站在水面上
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
解析　用熔化的玻璃制成各种器皿，跟各种模具有关，并非表面张力造成的，故本题选A、B、D。
答案　ABD
8.如图所示，玻璃烧杯中盛有少许水银，在太空轨道上运行的宇宙飞船内，水银在烧杯中呈怎样的形状(　　)
解析　因为水银不浸润玻璃，所以在完全失重的情况下，水银的形状只由表面张力决定。在表面张力作用下水银的表面积要收缩至最小，所以最终水银呈球形。
答案　D
9.新棉布落水时要收缩，这是因为________________________；黑布伞的纱线间虽有间隙却不漏水，这是因为________________________。当液体与固体接触时，液体与固体的接触面有收缩的趋势，称为________现象；若液体与固体接触面有扩大趋势，称为________现象。毛细管插入浸润液体时，管中液面将________；若液体不浸润毛细管时，管中液面将________。
解析　新棉布吸收了水分，而水具有表面张力；布伞的纱线间因雨水的表面张力而使伞面显得致密而不漏水；液体与固体接触面的收缩现象，是两者不浸润造成的；反之则是浸润；当毛细管插入浸润液体时，跟固体接触的液面有扩展的趋势，管中液面将上升；反之液面将下降。
答案　表面张力　表面张力　不浸润　浸润　上升　下降