医用物理学-液体表面现象-公开课课件

液体的表面现象

Thesurfacephenomenonofliquid液体的表面张力弯曲液面的附加压强液体与固体接触的表面现象表面现象的医学应用液体的表面现象液体的表面张力教学大纲要求

1.掌握液体表面张力、表面能的概念及它们与表面张力系数的关系。

2.了解润湿、不润湿现象。

3.理解毛细现象、气体栓塞现象，能运用公式计算液体在毛细管中上升或下降的高度。教学大纲要求1、表面与表面层(surfaceandsurfacelayer)：液体表面:液体与气体或固体的接触面。一、表面张力（Surfacetension）waterrWaterdropr液体表面层：液体表面下厚度等于分子作用球半径的一层液层。1、表面与表面层(surfaceandsurfacel液体的表面现象例子:液面面积有缩小到最小值的趋势。液体的表面现象例子:液面面积有缩小到最小值的趋势。液面宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。液面宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。斥力>引力斥力<引力斥力=引力r<r0

r=r0r>r0r>分子作用球半径无分子力分子作用球半径：r=10-9m(平衡位置:r0=10-10m)从分子间的相互作用力f分析表面张力的产生：r斥力>引力斥力<引力斥力=引力r<r0r=r空气液体ACB表面层A是液内分子；B和C是液体表面层分子。液内分子A受力分析：A分子受到的分子作用力的合力为零：fi=0空气液体ACB表面层A是液内分子；B和C是液体表面层分子。液空气液体ACB表面层表面层分子B和C的受力分析：处于表面层的分子受到一个指向液体内部的分子吸引力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。空气液体ACB表面层表面层分子B和C的受力分析：处于表面层的

由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面张力。这些表面张力的方向都与液面相切，并且与线段AB

垂直；它们大小相等，方向相反，分别作用在两部分液面上。

实验表明:表面张力的大小正比于线段AB的长度。表面张力系数(surfacetensioncoefficient)：2.表面张力(surfacetension)ffAB由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面l液体薄膜ABCDf2l表面张力的测定：平衡时：*表面张力系数：（1）表面张力系数是液体本身的固有性，与液体的种类相关。（2）与液体的温度有关。温度愈高，液体的表面张力系数愈小。（3）与液体的纯度有关。（4）与相邻的介质有关。

l液体薄膜ABCDf2l表面张力的测定：平衡时：*表面张力增加单位表面积所作的功：l液体薄膜ABCDF2lf△xΔSD′C′二、表面能(surfaceenergy)表面张力系数等于液体增加单位表面积所作的功。表面层中液体分子所具有比液体内部分子所多出的势能总和。增加单位表面积所作的功：l液体薄膜ABCDF2lf△xΔS不同液体与空气接触时的表面张力系数α不同液体与空气接触时的表面张力系数α

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性引起的。

分别以液体表面层分子A

和内部分子B为球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作用球）。

对于液体内部分子B，分子作用球内液体分子的分布是对称的；ABB

从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。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性引

对于液体表面层的分子A，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；

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。由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。从力的角度看，就有表面张力存在。

统计平均效果所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。AfL对于液体表面层的分子A，分子作用球中有一部分在液体表大水滴的面积为解：设小水滴数目为n，n个小水滴的总面积为表面张力系数溶合过程中释放的能量

例1、半径为r=2×10-3mm的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。(假设水滴呈球状，水的表面张力系数α=73×10-3N/m在此过程中保持不变)试求此过程中释放出的能量。溶合过程中水体积不变大水滴的面积为解：设小水滴数目为n，n个小水滴的总面积为表例2、与水接触的油的表面张力系数a=1.8×10-2N/m

，为了使1.0×10-3kg的油滴在水内散布成半径r=10-6m小油滴，（散布过程可以认为是等温的，油的密度为ρ=900kg/m3）。求需做多少功？解：设一个半径为R的大油滴等温地散布成N个小油滴，因而所需作的功为油的质量m

不变，则可得：例2、与水接触的油的表面张力系数a=1.8×10-2N/m平面液面：空气水P0P液内P液内=P0弯曲球面液面：P0P液内水由于表面张力f产生附加的压强P附,所以P液内P0P附ff三、弯曲液面附加压强(Theadditionalpressureunderacurvedsurface)P0P液内水P附ff凹面凸面1.弯曲液面的附加压强ff表面层中取一小薄层液片ΔSΔSΔS平面液面：空气水P0P液内P液内=P0弯曲球面液面：P0P液Rfsr=RsinO球冠底面积：表面张力的垂直分量:表面张力的水平分量相互抵消:球冠表面张力:表面张力产生的附加压强:Rfsr=RsinO球冠底面积：表面张力的垂直分量:表面P0PiPSffP0PiPSff凹面凸面附加压强指向曲面的曲率中心P0PiPSffP0PiPSff凹面凸面附加压强指向曲面对外表面：对内表面：R1R2(R1≈R2≈R)肥皂泡2、球形液膜的附加压强对外表面：对内表面：R1R2(R1≈R2≈R)肥皂泡2、球形演示实验：（大泡小泡）P0对大泡：对小泡：因为R1>R2，所以P1<

P2。结果：大泡变大，小泡变小。P1P2肥皂泡当两泡的曲率半径相等时，才处于平衡状态。演示实验：（大泡小泡）P0对大泡：对小泡：因为R1>四、表面活性物质与表面非活性物质(surface-activeagentandnon-surface-activeagent)表面层肥皂分子水分子f1f2f1<f2，使溶剂分子尽可能进入液体内部，液体表面层分子势能减少，因而表面张力系数减小。1、表面活性物质：使液体表面张力系数减小的溶质。（举例：水：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）四、表面活性物质与表面非活性物质(surface-activ2、肺组织中的表面活性物质：*肺泡壁分泌某种磷脂是表面活性物质；它的重要作用：维持正常呼吸。R活性物质密度粘液的P内吸气过程：R

活性物质密度粘液的P内呼气过程：3、表面非活性物质：使液体表面张力系数增大的物质。尽量离开表面层而进入液体内部，使表面张力系数增大。（如水中的盐份，淀粉，糖类等）4、表面吸附(surfaceabsorption)：表面活性物质在表面层聚集并伸展成薄膜的现象。2、肺组织中的表面活性物质：*肺泡壁分泌某种磷脂是表面活性物五、毛细现象（Capillarityandairembolism）1、润湿和不润湿附着层：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层。是由附着层分子力引起的润湿不润湿内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：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液体和固体的性质。五、毛细现象（Capillarityandairemb内聚力大于附着力A不润湿内聚力小于附着力A润湿

液体对固体的润湿程度由接触角来表示。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切线所夹的角。通常用θ表示内聚力大于附着力A不润湿内聚力小于附着力A润湿液体对固θθ浸湿现象不浸湿现象当f附>

f内时，附着层扩展，液体浸湿固体；当f附<

f内时，附着层收缩，液体不浸湿固体；θθ浸湿现象不浸湿现象当f附>f内时，附着层扩展，液体浸湿θθ>900<900水玻璃玻璃水银θθ>900<900水玻璃玻璃水银当θ<π/2时，液体润湿固体当θ>π/2时，液体不润湿固体当θ=0时，液体完全润湿固体当θ=π时，液体完全不润湿固体水银水当θ<π/2时，液体润湿固体当θ>π/2时，液体不润湿固2、毛细现象（Capillarity

）

液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升；液体不浸湿毛细管壁时，管内液面下降。ABhC液面上升的原因:PB<PA平衡时，PB=PARr(对于下降同样适用)2、毛细现象（Capillarity）液体浸湿毛细3、毛细现象的应用临床应用：A、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液。

B、普通手术缝合线要经过蜡处理。药学应用：A、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通

过药材内毛细管才能气化。

B、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细

管作用使水分进入片剂，利于人体对药

物的吸收。日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、

煤油灯、植物吸收和运输水分等。3、毛细现象的应用临床应用：A、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液六、气体拴塞(gasembolism)

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（假设活塞下的气柱中压强为大气压P0）时，即

给活塞施加压强并逐渐增大，发现当施加的压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。

这是由于液体具有黏滞性，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。六、气体拴塞(gasembolism)如果让如图，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度ΔP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。PPPP＋

△PP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

P+2ΔP

。P+ΔPP+2ΔP要使这n个液滴移动，则最右端必须施以大于P+nΔP

的压强。P+3ΔPP+nΔP如图，逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右液面的曲七、气体栓塞在医学中的应用*注射前，要排尽针筒中气体；*潜水病；

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。这种现象称为气体栓塞现象。七、气体栓塞在医学中的应用*注射前，要排尽针筒中气体；*潜本章小结1.表面张力系数：沿液体表面垂直作用于单位长度上的张力。2.表面张力：f=L3.表面能：E=A=S4.分子作用半径：分子引力的作用范围（约10-9m）5.附加压强：p=p=2/R6.润湿：液体附着在固体表面的现象。7.不润湿：液体不附着在固体表面的现象。8.接触角：在液体与固体的分界处，液体表面的切面和固体表面的切面在液体内部的夹角。

本章小结1.表面张力系数：沿液体表面垂直作用于单本章小结8.毛细现象：润湿管壁的液体在细管中上升，不润湿管壁的液体在细管中下降的现象，上升或下降的高度为

h=2cos/gr9.气体栓塞：当液体在细管中流动时，如果管中有气泡，由于产生了附加压强，使管中液体的流动受到阻碍，气泡多时可发生阻塞的现象。10.表面活性物质：能使液体表面张力减小的物质。11.表面吸附：表面活性物质在溶液的表面层聚集并伸展成簿膜的现象。本章小结8.毛细现象：润湿管壁的液体在细管中上升，不预习要求：1、光的干涉；。

作业：习题5-8~5-10预习要求：作业：习题5-8~5-10本章结束谢谢！本章结束谢谢！液体的表面现象

Thesurfacephenomenonofliquid液体的表面张力弯曲液面的附加压强液体与固体接触的表面现象表面现象的医学应用液体的表面现象液体的表面张力教学大纲要求

1.掌握液体表面张力、表面能的概念及它们与表面张力系数的关系。

2.了解润湿、不润湿现象。

3.理解毛细现象、气体栓塞现象，能运用公式计算液体在毛细管中上升或下降的高度。教学大纲要求1、表面与表面层(surfaceandsurfacelayer)：液体表面:液体与气体或固体的接触面。一、表面张力（Surfacetension）waterrWaterdropr液体表面层：液体表面下厚度等于分子作用球半径的一层液层。1、表面与表面层(surfaceandsurfacel液体的表面现象例子:液面面积有缩小到最小值的趋势。液体的表面现象例子:液面面积有缩小到最小值的趋势。液面宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。液面宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。斥力>引力斥力<引力斥力=引力r<r0

r=r0r>r0r>分子作用球半径无分子力分子作用球半径：r=10-9m(平衡位置:r0=10-10m)从分子间的相互作用力f分析表面张力的产生：r斥力>引力斥力<引力斥力=引力r<r0r=r空气液体ACB表面层A是液内分子；B和C是液体表面层分子。液内分子A受力分析：A分子受到的分子作用力的合力为零：fi=0空气液体ACB表面层A是液内分子；B和C是液体表面层分子。液空气液体ACB表面层表面层分子B和C的受力分析：处于表面层的分子受到一个指向液体内部的分子吸引力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。空气液体ACB表面层表面层分子B和C的受力分析：处于表面层的

由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面张力。这些表面张力的方向都与液面相切，并且与线段AB

垂直；它们大小相等，方向相反，分别作用在两部分液面上。

实验表明:表面张力的大小正比于线段AB的长度。表面张力系数(surfacetensioncoefficient)：2.表面张力(surfacetension)ffAB由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面l液体薄膜ABCDf2l表面张力的测定：平衡时：*表面张力系数：（1）表面张力系数是液体本身的固有性，与液体的种类相关。（2）与液体的温度有关。温度愈高，液体的表面张力系数愈小。（3）与液体的纯度有关。（4）与相邻的介质有关。

l液体薄膜ABCDf2l表面张力的测定：平衡时：*表面张力增加单位表面积所作的功：l液体薄膜ABCDF2lf△xΔSD′C′二、表面能(surfaceenergy)表面张力系数等于液体增加单位表面积所作的功。表面层中液体分子所具有比液体内部分子所多出的势能总和。增加单位表面积所作的功：l液体薄膜ABCDF2lf△xΔS不同液体与空气接触时的表面张力系数α不同液体与空气接触时的表面张力系数α

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性引起的。

分别以液体表面层分子A

和内部分子B为球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作用球）。

对于液体内部分子B，分子作用球内液体分子的分布是对称的；ABB

从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。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性引

对于液体表面层的分子A，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；

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。由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。从力的角度看，就有表面张力存在。

统计平均效果所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。AfL对于液体表面层的分子A，分子作用球中有一部分在液体表大水滴的面积为解：设小水滴数目为n，n个小水滴的总面积为表面张力系数溶合过程中释放的能量

例1、半径为r=2×10-3mm的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。(假设水滴呈球状，水的表面张力系数α=73×10-3N/m在此过程中保持不变)试求此过程中释放出的能量。溶合过程中水体积不变大水滴的面积为解：设小水滴数目为n，n个小水滴的总面积为表例2、与水接触的油的表面张力系数a=1.8×10-2N/m

，为了使1.0×10-3kg的油滴在水内散布成半径r=10-6m小油滴，（散布过程可以认为是等温的，油的密度为ρ=900kg/m3）。求需做多少功？解：设一个半径为R的大油滴等温地散布成N个小油滴，因而所需作的功为油的质量m

不变，则可得：例2、与水接触的油的表面张力系数a=1.8×10-2N/m平面液面：空气水P0P液内P液内=P0弯曲球面液面：P0P液内水由于表面张力f产生附加的压强P附,所以P液内P0P附ff三、弯曲液面附加压强(Theadditionalpressureunderacurvedsurface)P0P液内水P附ff凹面凸面1.弯曲液面的附加压强ff表面层中取一小薄层液片ΔSΔSΔS平面液面：空气水P0P液内P液内=P0弯曲球面液面：P0P液Rfsr=RsinO球冠底面积：表面张力的垂直分量:表面张力的水平分量相互抵消:球冠表面张力:表面张力产生的附加压强:Rfsr=RsinO球冠底面积：表面张力的垂直分量:表面P0PiPSffP0PiPSff凹面凸面附加压强指向曲面的曲率中心P0PiPSffP0PiPSff凹面凸面附加压强指向曲面对外表面：对内表面：R1R2(R1≈R2≈R)肥皂泡2、球形液膜的附加压强对外表面：对内表面：R1R2(R1≈R2≈R)肥皂泡2、球形演示实验：（大泡小泡）P0对大泡：对小泡：因为R1>R2，所以P1<

P2。结果：大泡变大，小泡变小。P1P2肥皂泡当两泡的曲率半径相等时，才处于平衡状态。演示实验：（大泡小泡）P0对大泡：对小泡：因为R1>四、表面活性物质与表面非活性物质(surface-activeagentandnon-surface-activeagent)表面层肥皂分子水分子f1f2f1<f2，使溶剂分子尽可能进入液体内部，液体表面层分子势能减少，因而表面张力系数减小。1、表面活性物质：使液体表面张力系数减小的溶质。（举例：水：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）四、表面活性物质与表面非活性物质(surface-activ2、肺组织中的表面活性物质：*肺泡壁分泌某种磷脂是表面活性物质；它的重要作用：维持正常呼吸。R活性物质密度粘液的P内吸气过程：R

活性物质密度粘液的P内呼气过程：3、表面非活性物质：使液体表面张力系数增大的物质。尽量离开表面层而进入液体内部，使表面张力系数增大。（如水中的盐份，淀粉，糖类等）4、表面吸附(surfaceabsorption)：表面活性物质在表面层聚集并伸展成薄膜的现象。2、肺组织中的表面活性物质：*肺泡壁分泌某种磷脂是表面活性物五、毛细现象（Capillarityandairembolism）1、润湿和不润湿附着层：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层。是由附着层分子力引起的润湿不润湿内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：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液体和固体的性质。五、毛细现象（Capillarityandairemb内聚力大于附着力A不润湿内聚力小于附着力A润湿

液体对固体的润湿程度由接触角来表示。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切线所夹的角。通常用θ表示内聚力大于附着力A不润湿内聚力小于附着力A润湿液体对固θθ浸湿现象不浸湿现象当f附>

f内时，附着层扩展，液体浸湿固体；当f附<

f内时，附着层收缩，液体不浸湿固体；θθ浸湿现象不浸湿现象当f附>f内时，附着层扩展，液体浸湿θθ>900<900水玻璃玻璃水银θθ>900<900水玻璃玻璃水银当θ<π/2时，液体润湿固体当θ>π/2时，液体不润湿固体当θ=0时，液体完全润湿固体当θ=π时，液体完全不润湿固体水银水当θ<π/2时，液体润湿固体当θ>π/2时，液体不润湿固2、毛细现象（Capillarity

）

液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升；液体不浸湿毛细管壁时，管内液面下降。ABhC液面上升的原因:PB<PA平衡时，PB=PARr(对于下降同样适用)2、毛细现象（Capillarity）液体浸湿毛细3、毛细现象的应用临床应用：A、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液。

B、普通手术缝合线要经过蜡处理。药学应用：A、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通

过药材内毛细管才能气化。

B、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细

管作用使水分进入片剂，利于人体对药

物的吸收。日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、

煤油灯、植物吸收和运输水分等。3、毛细现象的应用临床应用：A、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液六、气体拴塞(gasembolism)

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（假设活塞下的气柱中压强为大气压P0）时，即

给活塞施加压强并逐渐增大，发现当施加的压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面