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word版含答案

第2节　表面张力和毛细现象
第3节　材料及其应用
学习目标：1.[物理观念]知道液体表面的收缩趋势，理解液体表面存在表面张力现象．　2.[科学思维]从微观角度了解液体表面张力的成因．　3.[物理观念]知道什么是浸润和不浸润现象，能用浸润和不浸润原理解释生活中常见的现象．　4.[科学思维]知道附着层的特点，理解浸润和不浸润现象产生的原因．　5.[物理观念]知道毛细现象，会用毛细现象特点解释生活中常见的现象．　6.[科学态度与责任]初步了解液晶的微观结构，了解液晶具有的物理特征，知道液晶的一般用途．
一、液体表面的收缩趋势
1．实验：观察肥皂膜的变化
(1)现象
①铁丝框上的肥皂膜会把滑杆拉回．
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：液体的表面类似于张紧的弹性薄膜，具有收缩的趋势．
2．实验结论
由实验知，液体表面有一种收缩的趋势，正是这种收缩，使露珠、浮滴等外形呈现球形．
二、表面张力
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．
2．表面张力
(1)定义：液体表面各部分间相互吸引的力．
(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．
三、浸润与不浸润
1．定义
(1)浸润：液体附着在固体表面上的现象．
(2)不浸润：液体不附着在固体表面上的现象．
2．产生的原因
(1)三个相关概念
①附着层：当液体跟固体接触时，在接触处形成的液体薄层．
②内聚力：附着层中的液体分子受到的液体内部分子的吸引力．
③附着力：附着层中的液体分子受到的固体分子的吸引力．
(2)产生原因分析：由于内聚力与附着力的大小不同
①当内聚力大于附着力时，液体不浸润固体．
②当内聚力小于附着力时，液体浸润固体．
四、毛细现象
1．定义
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．
2．毛细管
能够发生毛细现象的管．
3．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．且管的内径越小，前者水面越高，后者水银面越低．
五、液晶
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．
六、材料种类和新材料及其应用
1．材料的分类
(1)按材料特性分为：结构材料和功能材料．
(2)按应用领域分为：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等．
(3)按习惯分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料．
2．新材料
(1)材料科学是研究材料的制造、结构与性能三者之间相互关系的科学．
(2)纳米是长度单位，1 nm＝10－9 m，颗粒在1～100 nm的材料称为纳米材料．
(3)发生形变后几乎能100%恢复原状的材料称为形状记忆合金．
(4)微电子材料：半导体．
(5)力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变的纳米材料．
(6)材料、能源、信息被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱．
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)液晶分子在特定方向排列比较整齐． (√)
(3)电子手表中的液晶在外加电压的影响下，能够发光． (×)
(4)毛细现象只指浸润液体在细管里上升的现象． (×)
(5)在内径小的容器里，如果液体能浸润器壁，液面呈凸形． (×)
(6)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．(多选)将一枚硬币轻轻地平放在水面上，可以不下沉，下列关于与硬币重力相平衡的力的说法，不正确是(　　)
A．水面支持力的产生是由于水的表面张力
B．水的表面张力
C．水的浮力和表面张力的合力
D．水的浮力和空气浮力的合力
BCD　[硬币受到重力和水面给予的支持力作用而平衡，表面张力是水面上各部分水之间的作用力的合力，而不是硬币受到的力；当然支持力的产生是由于水的表面张力所致；硬币并没有浸入水中，故不受浮力作用．故A正确，B、C、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．自来水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；自来水笔是靠大气压强把墨水吸入笔中的，故D错误．]
表面张力
雨伞的伞面上有很多细小的孔，为什么下雨时，雨水不会从孔里漏下来？
提示：因为雨水将纱线浸湿后，在纱线孔隙中形成水膜，水膜的表面张力使雨水不会漏下来．
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．
【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
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
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
[跟进训练]
1．(多选)下面有关表面张力的说法中，正确的是(　　)
A．表面张力的作用是使液体表面伸张
B．表面张力的作用是使液体表面收缩
C．有些小昆虫能在水面上自由行走，这是由于有表面张力的缘故
D．用滴管滴液滴，滴的液滴总是球形，这是由于表面张力的缘故
BCD　[表面张力的作用效果是使液体表面收缩，B正确，A错误；由于表面张力，液面被压弯并收缩，使小昆虫浮在液面上，C正确；由于表面张力使液滴收缩成球形，D正确．]
浸润与不浸润
你观察过落水的鸡吗？如图所示，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．
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．
【例2】　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，故选项B、C错误，选项D正确．]
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(　　)
甲　　　　　乙
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集
AC　[由图可知，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
你知道为什么松土能保持土壤中的水分吗？
提示：把地面的土壤锄松，破坏了土壤里的毛细管，地下的水分就不会沿着毛细管上升到地面被蒸发掉．
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
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(如图所示)．
【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
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(　　)
AD　[解答本题应把握以下两点：(1)浸润液体和不浸润液体具有不同的毛细现象．(2)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．]
液晶
液晶电视已经走进寻常百姓家，液晶显示器是如何显示各种颜色的呢？
提示：在液晶中掺入少量多色性染料，当液晶中电场强度不同时，它对不同颜色的光吸收强度不一样，从而显示出各种颜色．
1．液晶的主要性质
(1)液晶具有晶体的各向异性的特点
原因是在微观结构上，从某个方向看，液晶的分子排列比较整齐，有特殊的取向．
(2)液晶具有液体的流动性
原因是从另一方向看液晶分子排列是杂乱的，因而液晶又具有液体的性质，具有一定的流动性．
(3)液晶分子的排列特点
液晶分子的排列特点是从某个方向上看，液晶分子的排列比较整齐；但是从另一个方向看，液晶分子的排列又是杂乱无章的．
(4)液晶的物理性质
液晶的物理性质很容易受外界的影响(如电场、压力、光照、温度)发生改变．
2．液晶的主要应用
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．
【例4】　(多选)关于液晶的分子排列，下列说法正确的是(　　)
A．液晶分子在特定方向排列整齐
B．液晶分子的排列不稳定，外界条件的微小变动会引起液晶分子排列的变化
C．液晶分子的排列整齐且稳定
D．液晶的物理性质稳定
AB　[液晶分子在特定方向上排列比较整齐，故A正确；液晶分子排列不稳定，外界条件的微小变动会引起液晶分子排列的变化，故B正确，C错误；液晶的物理性质不稳定，例如有一种液晶，在外加电压的影响下，会由透明状态变成浑浊状态，去掉电压，又恢复透明状态，故D错误．]
(1)液晶既有液体的流动性和连续性，表现不够稳定，又具有晶体的一些各向异性特点，是某些特殊的有机化合物.
(2)液晶的物理性质很容易在外界的影响(如电场、压力、光照、温度)下发生改变.
[跟进训练]
4．(多选)关于液晶，下列说法正确的有(　　)
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
CD　[液晶的微观结构介于晶体和液体之间，A错误；虽然液晶分子在特定方向排列比较整齐，具有各向异性，但分子的排列是不稳定的，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，例如温度、压力、外加电压等因素变化时，都会改变液晶的光学性质，C、D正确．]
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(　　)
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(　　)
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．关于浸润与不浸润现象，下面几种说法正确的是(　　)
A．水是浸润液体
B．水是不浸润液体
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　[浸润或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．只有选项C正确．]
5．对于液体在器壁附近的液面发生弯曲的现象，如图所示，对此有下列几种解释：
①甲图中表面层分子的分布比液体内部疏　②乙图中表面层分子的分布比液体内部密　③甲图中附着层分子的分布比液体内部密　④乙图中附着层分子的分布比液体内部疏，其中正确的是(　　)
A．只有①对 B．只有①③④对
C．只有②③④对 D．只有③④对
B　[浸润的情况下，液体会沿着管壁上升，这是由于附着层内液体分子比液体内部分子稠密，附着层分子相互排斥，同时表面层内分子相互吸引的结果；不浸润的情况下，液体会沿着管壁下降，这是由于附着层分子比液体内部分子稀疏，附着层中分子表面为引力，同时表面层内分子相互吸引的结果，故B正确．]
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