大学物理3课件

1、大学物理31第三节第三节 毛细现象毛细现象决定于液体和固体的性决定于液体和固体的性质质是由是由附着层附着层分子分子力引起的力引起的润湿润湿不润湿不润湿附着层附着层: : 液体与固体的交界面液体与固体的交界面, ,厚度等于分子有效厚度等于分子有效作用半径的一薄层液体作用半径的一薄层液体, , 相当于液体与气体交界相当于液体与气体交界处的处的液体表面液体表面。大学物理32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内聚力内聚力 附着力附着力af内聚力内聚力 附着力附着

2、力af不润湿不润湿润湿润湿大学物理33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 a ，当，当内聚力大内聚力大于附着力于附着力时，时， a a 分子受到的合力分子受到的合力 f f 垂直垂直于附着层指向液体内部。于附着层指向液体内部。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子液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做间作用力做负功负功（即分子势能增大），附着（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。层内分子势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，附

3、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，表现为液体内（即尽量处于低势能态），结果附着层收缩，表现为液体不润湿固体液体不润湿固体。大学物理34当当内聚力小于附着力内聚力小于附着力时，附着层内的分时，附着层内的分子子 a a 受到的合力受到的合力 f f 垂直于附着层指向垂直于附着层指向固体表面。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），（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使得附着层内分子势能比液体内部分子

4、势能小。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，表现为现为液体润湿固体液体润湿固体。大学物理35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在液、固接触处，液体表面的切线（表面张力）和固体经过液在液、固接触处，液体表面的切线（表面张力）和固体经过液体内部的表面的夹角。体内部的表面的夹角。q q润湿润湿q q不润湿不润湿液体液体不润湿不润湿固体；固体；液体液体完全润湿完全润湿固体；固体；液体液体完全不润湿完全不润湿固体；固体；液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，当当 时，时，当当 时，时，当当 时，时

5、，当当 时，时， 液体液体液面水平液面水平； 一些常见的润湿与不润湿现象一些常见的润湿与不润湿现象大学物理36 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，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，这种现象称为液体将在管内下降，这种现象称为毛细现象毛细现象。hh能够产生能够产生毛细现象毛细现象的细管称为的细管称为毛细管毛细管。例：温度计中的细玻璃管、土壤的空隙以及植物的根或茎例：温度计中的细玻璃管、土壤的空隙以及植物的根或茎大学物理37v 毛细现象的产生原

6、因毛细现象的产生原因毛细现象由毛细现象由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产生，共同作用产生，因此液柱上升或下降的高度由因此液柱上升或下降的高度由表面张力和接触角大小表面张力和接触角大小决定。决定。 现有一截面半径为现有一截面半径为 r 的毛细圆管，的毛细圆管，液体润湿管壁液体润湿管壁，接触角为接触角为q q ，设管内液面是半径为，设管内液面是半径为r的球面的一的球面的一部分（即凹球面）部分（即凹球面）rcbar0pha点压强为：点压强为：b点压强为：点压强为：大学物理38液面上升高度液面上升高度表明润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表表明润湿管壁的液

7、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。面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。若液体不润湿管壁，即若液体不润湿管壁，即若液体完全润湿管壁，即若液体完全润湿管壁，即若液体完全不润湿管壁，即若液体完全不润湿管壁，即大学物理39例例1 u形玻璃管左右两端形玻璃管左右两端的半径分别为的半径分别为r=1.5mm、r=0.5mm, 求两管水面的高求两管水面的高度差度差h为多大？为多大？例例2 在内半径为在内半径为r 的毛细管注入某种液的毛细管注入某种液体，液体完全润湿管壁。管的下端形成体，液体完全润湿管壁。管的下端形成一个液滴，其形状可视为半径为一个液滴，其形状可

8、视为半径为r 的球的球面的一部分。求证管中液柱长度为面的一部分。求证管中液柱长度为 大学物理310v 气体拴塞现象气体拴塞现象 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，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，发现当当施加的压强很小时，液面并不降低施加的压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半径变小了只是液面的曲率半径变小了。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

9、小压强时，只是，当给活塞施加一较小压强时，只是凹形液凹形液面的曲率半径变小面的曲率半径变小，附加压强增大，附加压强增大， 液面下压强仍然能够保持不变，即液面下压强仍然能够保持不变，即液面不下降。液面不下降。大学物理311如上图，逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只如上图，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时，液滴才开始移动。度时，液滴才开始移动。pppp p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若毛细管中有若毛细管中有 n 个液滴，最左边弯液

10、面处压强为个液滴，最左边弯液面处压强为 p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 的的压强。压强。pp +pp + 2pp + 3pp + np大学物理312 当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流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。这种现象称为不能流动。这种现象称为气体栓塞现象气体栓塞现象。气体栓塞现象的危害：气体栓塞现象的危害： 静脉注射或肌肉注射时静脉注射或肌肉注射时, ,要将针管中得气

11、体排除后再注射；要将针管中得气体排除后再注射； 当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解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；面时容易造成血栓而致命； 在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡在温度升高时，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。堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。大学物理313v 土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水土壤中的水分来源包括两部分：分别土壤中的水分来源包括两部

12、分：分别为通过颗粒表面的吸附与孔隙的毛管为通过颗粒表面的吸附与孔隙的毛管作用而吸收保持水分。其中吸附的水作用而吸收保持水分。其中吸附的水分称为分称为吸附水吸附水；而由于毛管作用而保；而由于毛管作用而保持的水分称为持的水分称为毛管水毛管水。吸附水的含量吸附水的含量与土壤颗粒的种类（比如粗砂土与细粘土的含与土壤颗粒的种类（比如粗砂土与细粘土的含水量不同）、表面积大小有关。这部分水分水量不同）、表面积大小有关。这部分水分难以被植物吸收难以被植物吸收。毛管水的含量毛管水的含量则不仅与土壤颗粒种类、表面积大小有关，而则不仅与土壤颗粒种类、表面积大小有关，而且还与土壤颗粒的排列和集聚形式有关。这部分水分且

13、还与土壤颗粒的排列和集聚形式有关。这部分水分不易流不易流失而且易于被植物吸收失而且易于被植物吸收，在农业生产中具有重要意义。，在农业生产中具有重要意义。大学物理314由由 可知，毛细现象与可知，毛细现象与液体表面张力系数液体表面张力系数有关，有关，因此与因此与温度温度有关。有关。 夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；而在土壤较夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；而在土壤较深层温度较高，水的表面张力系数较小，水分会沿毛细管上深层温度较高，水的表面张力系数较小，水分会沿毛细管上移。所以移。所以拂晓时分土壤表层水分含量高于正常水平拂晓时分土壤表层水分含量高于正常水平。保持土壤水分保持土壤

14、水分是农业增产的一个重要问题是农业增产的一个重要问题 对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。对作物生长不利。大学物理315为了保持土壤中适当的含水量，可采取如下措施：为了保持土壤中适当的含水量，可采取如下措施： 增加腐殖质增加腐殖质，不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结，不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管水的贮量；构，增加毛管水的贮量； 温室中通常以温室中通常以渗流灌溉渗流灌溉，并对土壤含水量适时监控；并

15、对土壤含水量适时监控； 对于田间耕种，对于田间耕种，旱田播种后把地表压实旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之可以使土壤颗粒之间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天则应冬天则应把土壤翻松把土壤翻松，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。而被蒸发掉。大学物理316v 植物水分的运输机制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：毛细作用、毛细作用、渗透作用和负压强作用渗透作用和负压强作用。 毛细作用毛细作用 植物体内的主要输水管道植物体内的主要输

16、水管道木质部导管木质部导管是一个典型的毛细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，直径约为管系统，它由许多丧失了原生质的死细胞构成，直径约为0.04mm0.05mm。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）茎的多年生植物（朱槿）茎的横切面构造横切面构造大学物理317 这个结论似乎说明对于这个结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靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。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（与上述毛细管模型不同），导管中从上到下均充满了水分，而且毛细现象无法不同）

17、，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。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a=73103 nm-1，取毛，取毛细管的半径细管的半径 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：大学物理318在生命系统中有许多膜的结构都是在生命系统中有许多膜的结构都是半透膜半透膜，如细胞膜、肠衣等，如细胞膜、肠衣等，它们都存在它们都存在渗透现象渗透现象。 如图所示的如图所示的

18、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。两个浓度不同的区域，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、蛋白质等只允许小分子通过，而不允许糖类、蛋白质等大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。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，这种现象称为子将通过半透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

19、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；必须在左侧必须在左侧液面施加一个压强液面施加一个压强 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。 mnh2op 渗透作用渗透作用大学物理319实验表明早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是实验表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，通过渗透作用进入根系，迫使树液上升，直到渗透压等于树液液柱产生的直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止压强为止。渗透压可以使树液上升到。渗透压可以使树液上升到 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。而且有些植物可以高达些植物可以高达 60m 以上，如以上，如冷杉冷杉。冷冷杉杉 这时无论是这时无论是毛细作用毛细作