液体表面现象.ppt

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1、关于液体的表面现象关于液体的表面现象第一张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 肥皂膜收缩把线拉成一个弧形,线被绷紧完整的肥皂膜刺破一边后棉线第二张,PPT共五十五页,创作于2022年6月打开阀门后?它们为什么可以漂它们为什么可以漂在水面上在水面上第三张,PPT共五十五页,创作于2022年6月1.4.1 液体的表面张力液体的表面张力一、表面张力一、表面张力表面的厚度:分子有效作用距离表面的厚度:分子有效作用距离,10-9m现象:现象:液面有收缩到最小的趋势;液面有收缩到最小的趋势;液体的表面层中有一种使液面尽可能收液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。缩成最小的宏观张力。表

2、面张力表面张力:说明:液面上存在沿表面的收缩力作用,这说明:液面上存在沿表面的收缩力作用,这种力只存在于液体表面。种力只存在于液体表面。在液体与气体的在液体与气体的分界面处分界面处厚度等于分子有效作用厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为半径的那层液体称为液体的表面液体的表面。第四张,PPT共五十五页,创作于2022年6月1.4.1 液体的表面张力液体的表面张力表面的厚度:分子有效作用距离表面的厚度:分子有效作用距离,10-9m 在液体与气体的在液体与气体的分界面处分界面处厚度等于分子有效作用半径厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为的那层液体称为液体的表面液体的表面。第五张,PPT共五十五页

3、,创作于2022年6月一、液体的表面现象一、液体的表面现象 液体表面像张紧的弹性膜一样,具有液体表面像张紧的弹性膜一样,具有收缩的趋势收缩的趋势。(1 1)毛笔尖入水散开,出水毛聚合;)毛笔尖入水散开,出水毛聚合;(2 2)蚊子能够站在水面上;)蚊子能够站在水面上;(3 3)钢针能够放在水面上;)钢针能够放在水面上;(4 4)荷花上的水珠呈球形;)荷花上的水珠呈球形;(5 5)肥皂膜的收缩;)肥皂膜的收缩;液体表面具有收缩趋势的力,这种存液体表面具有收缩趋势的力,这种存在于液体表面上的张力称为在于液体表面上的张力称为表面张力表面张力。说明:说明:力的作用是均匀分布力的作用是均匀分布的,力的方向

4、与液面相切;的,力的方向与液面相切;液面收缩至最小。液面收缩至最小。第六张,PPT共五十五页,创作于2022年6月表面张力系数表面张力系数从力的角度定义从力的角度定义AB(1)(2)ffAB(2)f(1)f 从做功的角度定义从做功的角度定义f fFF 做功为:做功为:S 指的是这一过程中液体表面积的增量,指的是这一过程中液体表面积的增量,所以:所以:表示表示增加单位表面积时,外力所需做的功增加单位表面积时,外力所需做的功 称为表面张力系数,表示称为表面张力系数,表示单位长度直线单位长度直线两旁液面的相互作用拉力两旁液面的相互作用拉力,在国际单位制,在国际单位制中的单位为中的单位为 N m-1

5、。1、表面张力系数的定义、表面张力系数的定义Ff液液膜膜二、表面张力二、表面张力 与与分分界界线线垂垂直直并并与与液液体体表表面面相相切切。并并且指向施力的液面一侧。且指向施力的液面一侧。第七张,PPT共五十五页,创作于2022年6月从表面能的角度定义从表面能的角度定义 由能量守恒定律,外力由能量守恒定律,外力 F 所做的功完全用于克服表面张力,从而所做的功完全用于克服表面张力,从而转变为转变为液膜的表面能液膜的表面能 E 储存起来,即:储存起来,即:所以:所以:表示表示增大液体单位表面积所增加的表面能增大液体单位表面积所增加的表面能2、影响表面张力系数的因素:(1 1)不同液体的表面张力系数

6、不同,密度小、容易蒸发的液体表面张)不同液体的表面张力系数不同,密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。力系数小。(2 2)同一种液体的表面张力系数与)同一种液体的表面张力系数与温度温度有关,温度越高,表面张有关,温度越高,表面张力系数越小。力系数越小。(3 3)液体表面张力系数与)液体表面张力系数与相邻物质的性质相邻物质的性质有关。有关。(4 4)表面张力系数与)表面张力系数与液体中的杂质液体中的杂质有关。有关。物质物质 水水 水水 水水 汞汞 汞汞 界面物质界面物质 温度温度 表面张力表面张力 空气空气 20 72.8 空气空气 40 69.6 醚醚 20 12.2 空气空气 20 490

7、水水 20 420 物质物质 菜油菜油 乙醚乙醚 酒精酒精 皂液皂液 血液血液 界面物质界面物质 温度温度 表面张力表面张力 空气空气 20 27.3 空气空气 20 17.0 空气空气 20 22.3 空气空气 20 25.2 空气空气 37 40-50第八张,PPT共五十五页,创作于2022年6月对于肥皂膜,膜厚对于肥皂膜,膜厚10-4 m,肥皂膜有肥皂膜有两个表面两个表面的物理意义:的物理意义:数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力 表面张力系数表面张力系数 与与分分界界线线垂垂直直并并与与液液体体表表面面相相切切。并并且指向施力的液面一侧。

8、且指向施力的液面一侧。fAfBABlNM第九张,PPT共五十五页,创作于2022年6月水的抗拉强度水的抗拉强度指水柱在断裂前,单位面积上所承受指水柱在断裂前,单位面积上所承受的最大张力的最大张力外力克服表面张力所需的功外力克服表面张力所需的功黏结功黏结功抗拉强度抗拉强度单位面积黏结力单位面积黏结力第十张,PPT共五十五页,创作于2022年6月表面张力微观解释表面张力微观解释液体表面是一个厚度等于分子引力的液体表面是一个厚度等于分子引力的有效作用距离薄层有效作用距离薄层表面张力是分子力所引起的表面张力是分子力所引起的表面层的分子比液体内部分子的势能大表面层的分子比液体内部分子的势能大第十一张,P

9、PT共五十五页,创作于2022年6月 表面张力的微观本质表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。性引起的。从从能量的角度能量的角度来解释表面张力存在的原因。来解释表面张力存在的原因。分别以液体表面层分子分别以液体表面层分子A 和内部分和内部分子子B为球心、分子有效作用距离为半径作为球心、分子有效作用距离为半径作球(球(分子作用球分子作用球)。)。对于液体内部分子对于液体内部分子 B,分子作用球内液体分,分子作用球内液体分子的分布是子的分布是对称的对称的;ABB B 受力情况也是对称的,所以沿各个方向受力情况也是对称的,所以沿各个方向运动的

10、可能性相等。运动的可能性相等。第十二张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 对于液体表面层的分子对于液体表面层的分子 A,分子作用球中有一部分在,分子作用球中有一部分在液体表面以外,分子作用球内下部液体分子密度大于上部;液体表面以外,分子作用球内下部液体分子密度大于上部;当液体内部分子移动到表面层中时,就要克服上述指向液体内当液体内部分子移动到表面层中时,就要克服上述指向液体内部的分子引力作功,这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以部的分子引力作功,这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。由势能最小

11、原则,在没有外力影响下,液体应处于表面积最小的由势能最小原则,在没有外力影响下,液体应处于表面积最小的状态。状态。宏观上就表现为表面张力存在,宏观上就表现为表面张力存在,与液面相切与液面相切与液面相切与液面相切;A 所受合外力指向液体内部所受合外力指向液体内部,因此有向液体内部运动,因此有向液体内部运动的趋势。的趋势。AfL第十三张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 将质量为将质量为 m 的待测液体吸入的待测液体吸入移液管移液管内,然后让其缓内,然后让其缓慢地流出。慢地流出。当液滴即将滴下时,表面层将在颈部发生断裂。此时当液滴即将滴下时,表面层将在颈部发生断裂。此时颈部表面层的表面张力均

12、为竖直向上,且合力正好支颈部表面层的表面张力均为竖直向上,且合力正好支持重力。持重力。用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为 d,移液管中液体全,移液管中液体全部滴尽时的总滴数为部滴尽时的总滴数为 n,则每一滴液体的重量为:,则每一滴液体的重量为:所受的表面张力为:所受的表面张力为:则有则有即即表面张力系数的测定(液滴测定法)表面张力系数的测定(液滴测定法)第十四张,PPT共五十五页,创作于2022年6月则大水滴的面积为则大水滴的面积为 例例解解设小水滴数目为设小水滴数目为 n,n 个小水滴的总面积为个小水滴的总面积为在融合过程中,小水滴的总体积与

13、大水滴的体积相同,则在融合过程中,小水滴的总体积与大水滴的体积相同,则 表面张力系数表面张力系数 求求所释放出的能量所释放出的能量溶合过程中释放的能量溶合过程中释放的能量 半径为半径为r=210-3mm的许多小水滴融合成一半径为的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。的大水滴时。(假设水滴呈球状,水的表面张力系数假设水滴呈球状,水的表面张力系数 =7310=7310-3-3NmNm-1-1在此过程中保持不变在此过程中保持不变)第十五张,PPT共五十五页,创作于2022年6月与水接触的油的表面张力系数与水接触的油的表面张力系数 =1.810-2Nm-1,为了使,为了使 1.010-3 k

14、g 的的油滴在水内散布成半径油滴在水内散布成半径 r=10-6m 小油滴,小油滴,(散布过程可以认为是等温的,油的密度为散布过程可以认为是等温的,油的密度为=900kgm=900kgm-3-3)。)。设设一个一个半径为半径为R 的的大油滴等温地散布成大油滴等温地散布成N N 个小油滴,个小油滴,因而所需因而所需作的功为作的功为例例解解油的质量油的质量 m 不变,则不变,则求求需要作多少功需要作多少功可得:可得:第十六张,PPT共五十五页,创作于2022年6月二、弯曲液面下的附加压强二、弯曲液面下的附加压强(The additional pressure under a curved surfa

15、ce)自然界中有许多情况下液面是弯曲的,弯曲液面自然界中有许多情况下液面是弯曲的,弯曲液面内外存在一压强差,称为附加压强内外存在一压强差,称为附加压强,用用Ps 表示。附加表示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。压强是由于表面张力存在而产生的。rOORP外SP内S外部大气压力外部大气压力:P外外S内部大气压力内部大气压力:P内内S表面张力表面张力:f 球冠形液体元凸状球形液面凸状球形液面其中其中 为液面内侧的压强,为液面内侧的压强,为液面外侧的压强。为液面外侧的压强。当球冠形液体元稳定存在时当球冠形液体元稳定存在时当球冠形液体元稳定存在时当球冠形液体元稳定存在时第十七张,PPT共五十五页,创

16、作于2022年6月df/dfdfrABCRdl球形液面的附加压强公式推倒球形液面的附加压强公式推倒(附加压强与表面张力系数、(附加压强与表面张力系数、曲率半径的定量关系)曲率半径的定量关系)表面张力的合力为表面张力的合力为表面张力的合力为表面张力的合力为由于由于由于由于 ,所以所以所以所以第十八张,PPT共五十五页,创作于2022年6月据力平衡条件,当球冠形液体元稳定存在时据力平衡条件,当球冠形液体元稳定存在时据力平衡条件,当球冠形液体元稳定存在时据力平衡条件,当球冠形液体元稳定存在时整理得:整理得:整理得:整理得:即附加压强即附加压强即附加压强即附加压强表明:表明:球形弯曲液面的附加压强与表

17、面张力系数成正比,球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比,与液面的与液面的曲率半径成反比。曲率半径成反比。同理可以证明同理可以证明,对于凹形液面对于凹形液面负号表示凹状球形液面下液体内部压强小于外部压强。负号表示凹状球形液面下液体内部压强小于外部压强。rOORP外SP内S 球冠形液体元第十九张,PPT共五十五页,创作于2022年6月对于水平液面,附加压强为对于水平液面,附加压强为表面张力抵消表面张力抵消第二十张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情

18、况,分析小薄层液片受力情况,分析小薄层液片受力情况,表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力 的方向与凸面法的方向与凸面法的方向与凸面法的方向与凸面法线方向相反,线方向相反,线方向相反,线方向相反,fsP0PsP内内凹形液面凹形液面:PsP内内所以所以所以所以表面张力的合力方向不同,决定了表面张力的合力方向不同,决定了 是是 还是还是凸形液面凸形液面:f所以所以所以所以表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力 的方向与凹面法的方向与凹面法的方向与凹面法的方向与凹面法线方向相反,线方向相反,线方向相反,线方向相反,ffP0s=P0+Ps=P0-Ps第二十一张,PP

19、T共五十五页,创作于2022年6月RCAB【例例】如图所示球形液膜,内外半径近似相等为如图所示球形液膜,内外半径近似相等为R。已知。已知液体的表面张力系数为液体的表面张力系数为 ,求球形液泡内部压强。(大气压为,求球形液泡内部压强。(大气压为P0)解:解:液面外大气压为液面外大气压为P0,在平衡状态下,在平衡状态下,液膜外表面为凸液面,有液膜外表面为凸液面,有液膜内表面为凹液面,有液膜内表面为凹液面,有所以附加压强为所以附加压强为球形液泡内气体的压强为球形液泡内气体的压强为球形液膜,两个球形面的半径近似相等球形液膜,两个球形面的半径近似相等 第二十二张,PPT共五十五页,创作于2022年6月

20、打开活塞后,两肥皂泡将如何变化?打开活塞后,两肥皂泡将如何变化?解解:由肥皂泡内外气体压强差,有由肥皂泡内外气体压强差,有由肥皂泡内外气体压强差,有由肥皂泡内外气体压强差,有打开连通管后打开连通管后打开连通管后打开连通管后气体将从气体将从气体将从气体将从B 流向流向流向流向 A A。由于由于 所以所以AB(假设肥皂薄膜厚度为定值)(假设肥皂薄膜厚度为定值)那么形成那么形成那么形成那么形成 B B 的肥皂薄膜最后会不会流经连通管,最后到达的肥皂薄膜最后会不会流经连通管,最后到达的肥皂薄膜最后会不会流经连通管,最后到达的肥皂薄膜最后会不会流经连通管,最后到达 A A?第二十三张,PPT共五十五页,

21、创作于2022年6月在水下深度为在水下深度为h 处有一直径处有一直径d 的空气泡。设水面压强为大气压的空气泡。设水面压强为大气压 P0、水、水密度密度 水水、水的表面张力系数水的表面张力系数水水。气泡内空气的压强。气泡内空气的压强。解解例例求求dhP0弯曲液面是如何形成的呢弯曲液面是如何形成的呢?第二十四张,PPT共五十五页,创作于2022年6月大小不同的所有肺泡维持正常呼吸的原因 由于大小气泡是连通,按照拉普拉斯定律,如果肺泡内壁组织液层的表面张力系数不变,小气泡附加压强大,而大气泡附加压强小,小气泡萎缩,大气泡则胀破。实际上这种现象并没有发生,原因是肺泡内壁存在的表面活性物质,它调节大小肺

22、泡的表面张力系数,从而使大小气泡的压强稳定,使小气泡不致萎缩,大气泡不致过分膨胀,从而维持大小不同的所有肺泡进行正常呼吸。肺泡的表面张力系数的调节过程为:肺泡内壁上表面活性物质的量是不变的,吸气时,肺泡扩张,表面积增大,表面活性物质的浓度相对减少,而使表面张力系数和附加压强相应增大,对肺泡的扩大起抑制作用。呼气时,肺泡收缩,表面积缩小,表面活性物质浓度相对增大,而使表面张力系数和附加压强相应变小,对肺泡的收缩起抑制作用第二十五张,PPT共五十五页,创作于2022年6月二、弯曲液面的附加压强二、弯曲液面的附加压强 表面张力的存在使弯曲液面内外形成一个附表面张力的存在使弯曲液面内外形成一个附加压强

23、加压强。设液面为球面,图上各量的意义设液面为球面,图上各量的意义导出附加压强导出附加压强表面张力表面张力df分解分解df1和和df2df1的合力的合力表面张力对液体内部产生的附加压强表面张力对液体内部产生的附加压强第二十六张,PPT共五十五页,创作于2022年6月凸液面凸液面气液气液气液凹液面凹液面平液面平液面肥皂泡肥皂泡 P0液 P PR第二十七张,PPT共五十五页,创作于2022年6月一、润湿和不润湿一、润湿和不润湿附着层:附着层:在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。层。是由附着层分子力引起的是由附着层分子力引起的润湿

24、润湿不润湿不润湿内聚力:内聚力:液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力:附着力:固体分子对附着层内液体分子的吸引力固体分子对附着层内液体分子的吸引力 润湿和不润湿决定于润湿和不润湿决定于液体和固体的性质液体和固体的性质。1.4.2 毛细现象毛细现象第二十八张,PPT共五十五页,创作于2022年6月内聚力内聚力大于大于附着力附着力A不润湿不润湿内聚力内聚力小于小于附着力附着力A润湿润湿 液体对固体的润湿程度由液体对固体的润湿程度由接触角接触角来表示。来表示。接触角:接触角:在液、固体接触时,固体表面经过液体内部与液体表面所夹在液、固体接触时,固体表面经

25、过液体内部与液体表面所夹的角。的角。通常用通常用 来表示。来表示。液体液体润湿润湿固体;固体;当当 时,时,当当 时,时,液体液体不润湿不润湿固体;固体;当当 时,时,液体液体完全润湿完全润湿固体;固体;当当 时,时,液体液体完全不润湿完全不润湿固体;固体;润湿润湿 不润湿不润湿润湿与不润湿微观解释润湿与不润湿微观解释第二十九张,PPT共五十五页,创作于2022年6月从能量角度解释不润湿从能量角度解释不润湿 对于附着层内任意一分子对于附着层内任意一分子 A,当,当内聚力大于内聚力大于附着力附着力时,时,A 分子受到的合力分子受到的合力 f 垂直于附着层垂直于附着层指向液体内部。指向液体内部。A

26、f 液体液体固固体体 液体分子从液体内部运动到附着层内必须反抗液体分子从液体内部运动到附着层内必须反抗 f 做功(即分子势能增大),附着层内分子势做功(即分子势能增大),附着层内分子势能比液体内部分子势能大。能比液体内部分子势能大。根据根据平衡态势能最小的原则平衡态势能最小的原则,附着层内的分子要尽量挤入液体,附着层内的分子要尽量挤入液体内(即尽量处于低势能态),结果附着层收缩,表现为内(即尽量处于低势能态),结果附着层收缩,表现为液体不润湿液体不润湿固体固体。第三十张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 当当内聚力小于附着力内聚力小于附着力时,附着层内的分子时,附着层内的分子 A 受到的

27、合力受到的合力 f 垂直于附着层指向固体表面。垂直于附着层指向固体表面。从能量角度解释润湿从能量角度解释润湿Af 液体液体固固体体 液体分子从液体内部运动到附着层内分液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做子间作用力做正功正功(即分子势能减小),使(即分子势能减小),使得附着层内分子势能比液体内部分子势能小。得附着层内分子势能比液体内部分子势能小。液体内部的分子要尽量挤入附着层,结果附着层扩展,表现为液体内部的分子要尽量挤入附着层,结果附着层扩展,表现为液体润湿固体液体润湿固体。第三十一张,PPT共五十五页,创作于2022年6月二、毛细现象二、毛细现象 将细的管插入液体中,如果液体润湿管

28、壁,液面成凹液面,液将细的管插入液体中,如果液体润湿管壁,液面成凹液面,液体将在管内升高;如果液体不润湿管壁,液面成凸液面,液体将在体将在管内升高;如果液体不润湿管壁,液面成凸液面,液体将在管内下降。这种现象称为管内下降。这种现象称为毛细现象毛细现象。hh能够产生毛细现象的细管称为能够产生毛细现象的细管称为毛细管。毛细管。第三十二张,PPT共五十五页,创作于2022年6月1、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因 毛细现象毛细现象是由于是由于润湿或不润湿现象润湿或不润湿现象和和液体表面张力液体表面张力共同作用引共同作用引起的。起的。固固体体液体液体如果如果液体对固体润湿液体对固体润湿,则接,则

29、接触角为触角为锐角锐角。固固体体液体液体h如果如果液体对固体不润湿液体对固体不润湿,则接则接触角为触角为锐角锐角。h 容器口径非常小,附加压强的存在将使容器口径非常小,附加压强的存在将使管内液面升高管内液面升高,产生,产生毛细现象毛细现象。容器口径很小,附加压强的存在将使容器口径很小,附加压强的存在将使管内管内液面降低液面降低,产生,产生毛细现象毛细现象。第三十三张,PPT共五十五页,创作于2022年6月2 管内液面上升(或下降)的高度管内液面上升(或下降)的高度 (1)1)液体润湿管壁液体润湿管壁 毛细管刚插入水中时,管内液毛细管刚插入水中时,管内液面为凹液面,面为凹液面,PD=P0 ,PC

30、 P0 ,D、C 为等高点,但为等高点,但PC PD ,所以,所以液体不能静止,管内液面将上升,液体不能静止,管内液面将上升,直至直至PD=PC 为止:为止:第三十四张,PPT共五十五页,创作于2022年6月设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面的凹球面附加压强为:附加压强为:即即2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面上升或下降的高度 如图,一截面半径为如图,一截面半径为 r 的毛细圆管,液体润的毛细圆管,液体润湿管壁,接触角为湿管壁,接触角为 。由几何关系可知:由几何关系可知:RCBAr又且且得:得:h若液体不润湿管壁,则若液体不润湿管壁,则可得可得:润湿管壁的液体在

31、毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比,与毛细管的截面半径成反比。成正比,与毛细管的截面半径成反比。管内液面管内液面下降下降。在完全润湿或完全不润湿的情况下,在完全润湿或完全不润湿的情况下,=0=0 或或 =,则:,则:第三十五张,PPT共五十五页,创作于2022年6月F表面张力向上的分表面张力向上的分量与液柱重力平衡量与液柱重力平衡得第三十六张,PPT共五十五页,创作于2022年6月气体拴塞现象 如果让液体流动起来,表面会有什么变化呢?如果让液体流动起来,表面会有什么变化呢?如图所示的实验装置,当活塞不施加压强(如图所示的实验装置,

32、当活塞不施加压强(假设活塞假设活塞下的气柱中压强为大气压下的气柱中压强为大气压P0)时,即)时,即 给活塞施加压强并逐渐增大,发现给活塞施加压强并逐渐增大,发现当施当施加的压强很小时,液面并不降低加的压强很小时,液面并不降低,只是液面,只是液面的曲率半径变小了。的曲率半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。只有当压强增加到一定程度液面才下降。这是由于这是由于液体具有黏滞性液体具有黏滞性,当给活塞施加一较小压强时,只是,当给活塞施加一较小压强时,只是凹形液面的曲率半径变小凹形液面的曲率半径变小了,附加压强增大,了,附加压强增大,液面下压强仍然能够保持不变,即液面不下降。液面下压强仍然能够

33、保持不变,即液面不下降。第三十七张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 逐渐增大右端的压强,刚开始液滴并不移动,只是右液面的曲率半逐渐增大右端的压强,刚开始液滴并不移动,只是右液面的曲率半径减小;只有当压强增量超过一定的限度径减小;只有当压强增量超过一定的限度 时,液滴才开始移动。时,液滴才开始移动。这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。如图,如图,PPPP PP如果毛细管中有如果毛细管中有 n 个液滴,根据上述讨论,如果最左边弯液面处压强为个液滴,根据上述讨论,如果最左边弯液面处压强为 P;同理,要使第二个液滴移动,第二个气泡中的压强必须必须大于

34、同理,要使第二个液滴移动,第二个气泡中的压强必须必须大于 P+2P。P+PP+2P如果要使这如果要使这 n 个液滴移动,则最右端必须施以大于个液滴移动,则最右端必须施以大于P+nP 的压强。的压强。P+3PP+nP 当液体在毛细管中流动时,如果管中出现气泡,液体的流动会受阻,如果气泡产生得多了,当液体在毛细管中流动时,如果管中出现气泡,液体的流动会受阻,如果气泡产生得多了,就会堵住毛细管,使液滴不能流动。这种现象称为就会堵住毛细管,使液滴不能流动。这种现象称为气体栓塞现象气体栓塞现象。第三十八张,PPT共五十五页,创作于2022年6月气体栓塞现象的危害举例:气体栓塞现象的危害举例:(1 1)静

35、脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射;)静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射;(2 2)当环境气压突然降低时,人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡;)当环境气压突然降低时,人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡;比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。(3 3)在温度升高时,植物体内的水分也会析出气体,形成气泡堵塞毛细管,使部分枝)在温度升高时,植物体内的水分也会析出气体,形成气泡堵塞毛细管,使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。叶的水分或营养缺乏而枯萎。土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水

36、毛细永动机能否制造出来?毛细永动机能否制造出来?植物水分的输运机制植物水分的输运机制第三十九张,PPT共五十五页,创作于2022年6月毛细永动机能否制造出来?由由 可知:可知:液体沿毛细管(液体润湿管壁)液体沿毛细管(液体润湿管壁)“自动地自动地”上升的上升的 如果毛细管的实际高度如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小,液体能否小,液体能否自动从管子中流出来形成自动从管子中流出来形成“毛细永动机毛细永动机”?高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。h实际上,实际上,毛细永动机是不可能存在的毛细永动机是不可能存在的。P0AP0液体润湿

37、管壁会产生一定的接触角液体润湿管壁会产生一定的接触角 ,形成凹形液面,形成凹形液面,从而产生一定的附加压强,即从而产生一定的附加压强,即 A 点的压强为点的压强为 ,在大气压的作用,在大气压的作用下,液面会上升;下,液面会上升;如果毛细管露出水面的长度足够,液面会上升如果毛细管露出水面的长度足够,液面会上升 。第四十张,PPT共五十五页,创作于2022年6月hP0A 如果毛细管露出水面的长度如果毛细管露出水面的长度 h0 第四十六张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 植物水分的运输机制现在对植物水分向上运输机制由三种观点:现在对植物水分向上运输机制由三种观点:1、毛细作用、毛细作用 植物

38、体内的主要输水管道植物体内的主要输水管道木质部导管木质部导管是一个典型的毛细管系统,它由许多丧失了原是一个典型的毛细管系统,它由许多丧失了原生质的死细胞构成,直径约为生质的死细胞构成,直径约为 0.04mm 0.05mm。玉米茎的横切面构造玉米茎的横切面构造多年生植物(朱槿)茎的横切面构造多年生植物(朱槿)茎的横切面构造第四十七张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 室温条件下,水的表面张力系数约为室温条件下,水的表面张力系数约为 =73103 Nm-1,取毛细管的半径,取毛细管的半径 r=0.02 mm,假设水完全润湿毛细管壁,得:,假设水完全润湿毛细管壁,得:这个结论似乎说明对于这个结

39、论似乎说明对于低矮的植物低矮的植物靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。实际上实际上植物导管的上端并不是敞开的植物导管的上端并不是敞开的(与上述毛细管模型不同),导管中从上到下均(与上述毛细管模型不同),导管中从上到下均充满了水分,而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要,更不要说参天大树了。充满了水分,而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要,更不要说参天大树了。因此,植物水分上运输应该还有别的机制。因此,植物水分上运输应该还有别的机制。第四十八张,PPT共五十五页,创作于2022年6月2、渗透作用、渗透作用 在生命系统中有许多膜相结构都是在生命系统

40、中有许多膜相结构都是半透膜半透膜,如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等,它,如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等,它们都存在们都存在渗透现象渗透现象。如图所示的如图所示的 U 形管底部有一半透膜形管底部有一半透膜 MN 将糖溶液分成两个浓将糖溶液分成两个浓度不同的区域,左侧浓度高,右侧浓度低。度不同的区域,左侧浓度高,右侧浓度低。半透膜半透膜只允许小分子通过,而不允许糖类分子、蛋白质分只允许小分子通过,而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子通过,这一特性将使左右两边水的浓度相等。子等大分子通过,这一特性将使左右两边水的浓度相等。MNH2O 溶质浓度低相当于水的浓度高,溶质浓度高相当于水的浓度低,所以水分子将通过

41、半透溶质浓度低相当于水的浓度高,溶质浓度高相当于水的浓度低,所以水分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散,这种现象称为膜向溶质浓度高的区域扩散,这种现象称为渗透现象渗透现象。由于渗透作用,由于渗透作用,U 形管左侧液面将升高,右侧液面将降低;形管左侧液面将升高,右侧液面将降低;必须在左侧液面施加一个压强必须在左侧液面施加一个压强 P 才能使左右液面平齐,这个压强称为才能使左右液面平齐,这个压强称为渗透压渗透压。P第四十九张,PPT共五十五页,创作于2022年6月实验证明,早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是实验证明,早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是渗透压渗透压造成的。造成的。在早春,枫树根系中

42、积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分通过渗透作用在早春,枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系,迫使树液上升,进入根系,迫使树液上升,直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止。渗透压可以使树。渗透压可以使树液上升到液上升到 30m 以上的高度以上的高度。然而,在夏季,新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要然而,在夏季,新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要下降,此时单靠渗透压的作用是不够的。而且有些植物可下降,此时单靠渗透压的作用是不够的。而且有些植物可以高达以高达 60m 以上,如以上,如冷杉冷杉。冷杉冷杉 这时无论是这

43、时无论是毛细作用毛细作用还是还是渗透作用渗透作用都无法满足水分向上运都无法满足水分向上运输的需要,或许还有其他的运输机制。输的需要,或许还有其他的运输机制。第五十张,PPT共五十五页,创作于2022年6月3、负压强作用、负压强作用通常我们认为压强都是通常我们认为压强都是正的正的,什么是,什么是负压强负压强呢?呢?如图所示的装置,活塞下的容器中充满水。如图所示的装置,活塞下的容器中充满水。实验证明,必须对活塞施加实验证明,必须对活塞施加 25 300105 Pa 的压强才能将活塞的压强才能将活塞与水柱分离。与水柱分离。显然,这不仅仅有大气压的作用,最主要的作用是液体的内聚力,即分子间的作显然,这

44、不仅仅有大气压的作用,最主要的作用是液体的内聚力,即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用,称为用力。液体向内拉周围物体的作用,称为负压强作用负压强作用。第五十一张,PPT共五十五页,创作于2022年6月 正是因为正是因为负压强作用负压强作用,当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植物组织中的生,当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植物组织中的生化反应时,水分能够从根部源源不断向上供给。化反应时,水分能够从根部源源不断向上供给。由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零,因此由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零,因此气体不能产生气体不能产生负压强负压强。在冬季,如果木质部导管中溶液冻结,

45、冰中会产生许多气泡,解冻时这些在冬季,如果木质部导管中溶液冻结,冰中会产生许多气泡,解冻时这些气泡析出会使水柱断裂,从而使木质部导管堵塞而丧失功能。气泡析出会使水柱断裂,从而使木质部导管堵塞而丧失功能。第五十二张,PPT共五十五页,创作于2022年6月3 气体栓塞:气体栓塞:1)定义:)定义:液体在细管中流动时,如果管中有气泡,液体的液体在细管中流动时,如果管中有气泡,液体的流动将受到阻碍,气泡多时可发生阻塞,这种现象称为气体流动将受到阻碍,气泡多时可发生阻塞,这种现象称为气体栓塞。栓塞。、P0 如图所示:如图所示:润湿性液柱,中间有一气泡润湿性液柱,中间有一气泡 左右压强左右压强P相等时,气

46、泡两端的液面弯曲程度相等曲率相等时,气泡两端的液面弯曲程度相等曲率半径相等半径相等,附加压强大小相等方向相反,附加压强大小相等方向相反 液柱不流动液柱不流动2)解释:)解释:第五十三张,PPT共五十五页,创作于2022年6月、P0:左边压强左边压强P+P大于右边压强大于右边压强P气泡两端的液面弯曲程度不再相等,左边曲率半径变大,右气泡两端的液面弯曲程度不再相等,左边曲率半径变大,右边曲率半径变小边曲率半径变小左边附加压强左边附加压强P左左 P右右 P左左,气泡移动,图示中将自左向右流,气泡移动,图示中将自左向右流 临界值,与液体与管壁的性质以及管半径有关临界值,与液体与管壁的性质以及管半径有关。第五十四张,PPT共五十五页,创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第五十五张,PPT共五十五页,创作于2022年6月

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