《醫(yī)用物理學(xué)：第3章 液體的表面現(xiàn)象》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《醫(yī)用物理學(xué)：第3章 液體的表面現(xiàn)象（48頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、植物花瓣和葉面上的露珠植物花瓣和葉面上的露珠玻璃板上的水銀滴玻璃板上的水銀滴 液體除了具有流體的一般特性外，它還有液體除了具有流體的一般特性外，它還有一個(gè)特殊的重要性質(zhì)，即一個(gè)特殊的重要性質(zhì)，即表面特性表面特性(surface characterization )。液體與氣體和固體相接觸時(shí)都有一界面，液體與氣體和固體相接觸時(shí)都有一界面，處于界面的分子同時(shí)受到同種分子以及氣處于界面的分子同時(shí)受到同種分子以及氣體或固體分子的作用力，因而產(chǎn)生一系列體或固體分子的作用力，因而產(chǎn)生一系列的特殊現(xiàn)象，稱之為液體的的特殊現(xiàn)象，稱之為液體的表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象()。液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象()包括包括:表面張
2、力表面張力(surface tension)、附加壓強(qiáng)、附加壓強(qiáng)(additional pressure)、毛細(xì)現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象(capillarity)等等本次課內(nèi)容本次課內(nèi)容一、一、液體的表面張力液體的表面張力 surface tension二、二、表面能表面能 surface energy 三、三、附加壓強(qiáng)附加壓強(qiáng) additional pressure 四、四、毛細(xì)現(xiàn)象與氣體栓塞毛細(xì)現(xiàn)象與氣體栓塞 capillarity&air embolism 五、五、表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) surfactant 六、六、總結(jié)總結(jié) summary一、液體的表面張力一、液體的表面張力surface t
3、ension 表面張力概念表面張力概念 分子力、液體的表面層分子力、液體的表面層 表面張力的方向表面張力的方向 the direction of surface tension 表面張力的大小表面張力的大小 the magnitude of surface tension 表面張力：表面張力：液體的表面如緊張的薄膜，液體的表面如緊張的薄膜，有有收縮成表面積最小的趨勢(shì)，這說明液體的收縮成表面積最小的趨勢(shì)，這說明液體的表面存在著張力，這種作用力叫表面張力表面存在著張力，這種作用力叫表面張力（surface tensionsurface tension）。）。自然現(xiàn)象：自然現(xiàn)象：露珠，荷葉上水滴，雨
4、點(diǎn)等呈圓形露珠，荷葉上水滴，雨點(diǎn)等呈圓形產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：分子相互作用的分子力。分子相互作用的分子力。分子間的平衡距離分子間的平衡距離r0為為10 10m；FOrr0斥力斥力引力引力10 9m 液體分子的間距約液體分子的間距約1010m，相鄰幾個(gè)液體分子，相鄰幾個(gè)液體分子間通常表現(xiàn)為間通常表現(xiàn)為引力引力。r 10r 10 1010m m:斥力；斥力；1010 1010mrmr 10 10r 10 9 9m m:引力趨近引力趨近0 0 10 9 m為半徑作一球面，則只有在這個(gè)球面內(nèi)為半徑作一球面，則只有在這個(gè)球面內(nèi)的分子才對(duì)位于球心的分子有作用力，此球稱的分子才對(duì)位于球心的分子有作用力，此球稱
5、為為分子作用球，分子作用球，球的半徑為球的半徑為分子作用半徑分子作用半徑。FOrr0斥力斥力引力引力10 9m 表面層：表面層：液體表面取厚度等于液體表面取厚度等于分子作用半徑分子作用半徑 的一層稱為表面層的一層稱為表面層surface layer。表面層表面層B分子分子受力為受力為0分子作分子作用球用球10-9mB 表面層表面層-液表下厚度等于分子作用半徑的液表下厚度等于分子作用半徑的一層液體稱為表面層一層液體稱為表面層surface layer.表面層內(nèi)的分子都有往液體內(nèi)部遷移的趨勢(shì)表面層內(nèi)的分子都有往液體內(nèi)部遷移的趨勢(shì),從而從而使液體表面面積趨于縮小使液體表面面積趨于縮小.A A處分子受
6、處分子受力力A 表面張力的方向表面張力的方向the direction of surface tension 表面張力是沿著液體的表面表面張力是沿著液體的表面與液面相切與液面相切并且與并且與分界線相垂直分界線相垂直的。的。表面層分子所受分子作用力：垂直液面向下表面層分子所受分子作用力：垂直液面向下表面張力：與液面相切，垂直分界線表面張力：與液面相切，垂直分界線表面張力的大小表面張力的大小 the magnitude of surface tension 假設(shè)在液面上作一長(zhǎng)度為假設(shè)在液面上作一長(zhǎng)度為L(zhǎng)的分界線，的分界線，A、B兩液兩液面都以一定的拉力面都以一定的拉力F作用于對(duì)方，其大小與長(zhǎng)度作用
7、于對(duì)方，其大小與長(zhǎng)度L成正比：成正比：ABFLABLFFLF 為液體的表面張力系數(shù)為液體的表面張力系數(shù)coefficient of surface tension，它等于單位長(zhǎng)度分界線，它等于單位長(zhǎng)度分界線上表面張力的大小。在國(guó)際單位制中，上表面張力的大小。在國(guó)際單位制中，其單位為其單位為N/m(牛頓牛頓/米米)，量值的大小取，量值的大小取決于液體性質(zhì)、溫度。決于液體性質(zhì)、溫度。LF同一種液體，溫度愈高，同一種液體，溫度愈高，值愈小。值愈小。二、液體的表面能二、液體的表面能surface energy 表面層內(nèi)的分子比液體內(nèi)部的分子具有更多的勢(shì)能。表面層內(nèi)的分子比液體內(nèi)部的分子具有更多的勢(shì)能。
8、表面積越大，勢(shì)能越大。表面積越大，勢(shì)能越大。系統(tǒng)的能量有減小到最小的系統(tǒng)的能量有減小到最小的趨勢(shì)趨勢(shì)，所以只要有可能，表面積將減到最小。，所以只要有可能，表面積將減到最小。如果要增加液體的表面積，就得作功把如果要增加液體的表面積，就得作功把液體內(nèi)部分子移到表面層，從而增加了液體內(nèi)部分子移到表面層，從而增加了液面的勢(shì)能。液面的勢(shì)能。表面能表面能surface energy：液體表面的勢(shì)能液體表面的勢(shì)能lxABBCCD2 LFsLF2SxLxFW 2)(2mJSW表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)coefficient of surface tension:增加單位液體表面積所作的功，即：增加單位液體表面積
9、所作的功，即：增加單位表面積時(shí)所增加的表面能增加單位表面積時(shí)所增加的表面能 單位長(zhǎng)度上表面張力的大小單位長(zhǎng)度上表面張力的大小SW思考：一半徑為思考：一半徑為1 mm的小水滴，分裂成的小水滴，分裂成8個(gè)小水滴個(gè)小水滴，表面能是增加還是減少？，表面能是增加還是減少？)(2mJSW三、彎曲液面的附加壓強(qiáng)三、彎曲液面的附加壓強(qiáng)additional pressure 平面、凸面、凹面的受力分析平面、凸面、凹面的受力分析 附加壓強(qiáng)附加壓強(qiáng) 附加壓強(qiáng)的大?。ㄇ蛎?，球膜）附加壓強(qiáng)的大?。ㄇ蛎妫蚰ぃ┈F(xiàn)象解釋現(xiàn)象解釋 靜止的液體表面有平面和曲面兩種形式。靜止的液體表面有平面和曲面兩種形式。SffPo SPi S
10、曲面受力分析曲面受力分析在液體表面上取一面積元在液體表面上取一面積元 S，S同時(shí)受到三個(gè)力同時(shí)受到三個(gè)力的作用：表面張力、空氣的壓力的作用：表面張力、空氣的壓力Po S、表面內(nèi)部、表面內(nèi)部液體的壓力液體的壓力Pi S（重力忽略）。（重力忽略）。液體的表面為平面時(shí)液體的表面為平面時(shí)SPSPio附加壓強(qiáng)附加壓強(qiáng)additional pressure：液面內(nèi)外靜壓強(qiáng)液面內(nèi)外靜壓強(qiáng)差為液面的差為液面的附加壓強(qiáng)附加壓強(qiáng)oisPPPf Sf平液面的附加壓強(qiáng)平液面的附加壓強(qiáng) Po SPi S0sP結(jié)論：對(duì)于平面，附加壓強(qiáng)為結(jié)論：對(duì)于平面，附加壓強(qiáng)為0 0凸液面的附加壓強(qiáng)凸液面的附加壓強(qiáng) 液體的表面為凸面時(shí)，
11、液體的表面為凸面時(shí)，合力合力F指向液體內(nèi)部：指向液體內(nèi)部：結(jié)論：結(jié)論：對(duì)對(duì)凸面凸面而言，而言，液面內(nèi)的壓強(qiáng)大于液面外的壓強(qiáng)。液面內(nèi)的壓強(qiáng)大于液面外的壓強(qiáng)。0sPSPFSPioSffFPo SPi S 立體圖立體圖F凹液面的附加壓強(qiáng)凹液面的附加壓強(qiáng) 結(jié)論：結(jié)論：對(duì)對(duì)凹面凹面而言，而言，液面內(nèi)的壓強(qiáng)小于液面外的壓強(qiáng)。液面內(nèi)的壓強(qiáng)小于液面外的壓強(qiáng)。0sP 液體的表面為凹面時(shí)，液體的表面為凹面時(shí)，合力合力F指向液體外部：指向液體外部：FSPSPioffF SFPi SPo S凸面和凹面的判斷：凸面和凹面的判斷：液面相對(duì)于液體的形狀液面相對(duì)于液體的形狀曲面附加壓強(qiáng)的大小magnitude of addi
12、tional pressure 曲面內(nèi)外的壓強(qiáng)差，拉普拉斯公式：曲面內(nèi)外的壓強(qiáng)差，拉普拉斯公式：R2SP液面的附加壓強(qiáng)與液面的附加壓強(qiáng)與表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)成正比，與液面成正比，與液面的的曲率半徑曲率半徑成反比。成反比。液面為凸時(shí)，液面為凸時(shí)，P Ps s取正，即指向液體內(nèi)部取正，即指向液體內(nèi)部液面為凹時(shí)，液面為凹時(shí)，P Ps s取負(fù)，即指向液體外部。取負(fù)，即指向液體外部。球膜附加壓強(qiáng)球膜附加壓強(qiáng)RPs2RCAB 球膜附加壓強(qiáng)球膜附加壓強(qiáng)R 結(jié)論：球膜內(nèi)部壓強(qiáng)結(jié)論：球膜內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)，內(nèi)外大于外部壓強(qiáng)，內(nèi)外壓強(qiáng)差為：壓強(qiáng)差為：RPs2RPs4C、B兩點(diǎn)間液面的附加壓強(qiáng)為：兩點(diǎn)間液面的
13、附加壓強(qiáng)為：即即C C點(diǎn)壓強(qiáng)比點(diǎn)壓強(qiáng)比B B點(diǎn)大；點(diǎn)大；B B、A A兩點(diǎn)間液面的附加壓強(qiáng)為：兩點(diǎn)間液面的附加壓強(qiáng)為：即即B B點(diǎn)壓強(qiáng)比點(diǎn)壓強(qiáng)比A A點(diǎn)大；點(diǎn)大；附加壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)附加壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)1.出現(xiàn)什么現(xiàn)象？出現(xiàn)什么現(xiàn)象？2.最終結(jié)果是什么？最終結(jié)果是什么？RP40rP40四、毛細(xì)現(xiàn)象與氣體栓塞四、毛細(xì)現(xiàn)象與氣體栓塞capillarity&air embolism 濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象 wetting&non-wetting 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象capillarity 氣體栓塞氣體栓塞air embolism 濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象 wetting&non-wetting 讓水滴
14、滴到表面潔凈的玻璃上，這些水滴很快讓水滴滴到表面潔凈的玻璃上，這些水滴很快擴(kuò)展開并附著在玻璃上；如果讓水銀滴到玻璃擴(kuò)展開并附著在玻璃上；如果讓水銀滴到玻璃上，水銀滴會(huì)自動(dòng)收縮成球形。上，水銀滴會(huì)自動(dòng)收縮成球形。濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象濕潤(rùn)、不濕潤(rùn)現(xiàn)象 wetting&non-wetting 由此可知，當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，有兩由此可知，當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，有兩種情況，一種是液體與固體的接觸面有種情況，一種是液體與固體的接觸面有擴(kuò)大的趨勢(shì)，液體易于附著固體，稱為擴(kuò)大的趨勢(shì)，液體易于附著固體，稱為潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕現(xiàn)象wetting；另一種是液體與固體的接觸面有收縮的另一種是液體與固體的接觸面有收縮的趨勢(shì)，稱為趨
15、勢(shì)，稱為不潤(rùn)濕現(xiàn)象不潤(rùn)濕現(xiàn)象non-wetting。潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕是由潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕是由分子力分子力決定的。決定的。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因Origins 當(dāng)內(nèi)聚力大于附著力時(shí)，液體不潤(rùn)濕固體。當(dāng)內(nèi)聚力大于附著力時(shí)，液體不潤(rùn)濕固體。當(dāng)液體分子間的吸引力（內(nèi)聚力）小于液體當(dāng)液體分子間的吸引力（內(nèi)聚力）小于液體 分子與固體分子間的吸引力（附著力）時(shí)，即：分子與固體分子間的吸引力（附著力）時(shí)，即：內(nèi)聚力小于附著力，液體潤(rùn)濕固體；內(nèi)聚力小于附著力，液體潤(rùn)濕固體；潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕一般用潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕一般用接觸角接觸角 來描述。來描述。潤(rùn)濕潤(rùn)濕不潤(rùn)濕不潤(rùn)濕不潤(rùn)濕不潤(rùn)濕潤(rùn)濕潤(rùn)濕 接觸角接觸角是指在液體表面與固體表面的接觸處作
16、一是指在液體表面與固體表面的接觸處作一與液面相切的切線，此與液面相切的切線，此切線切線與與液體液體 固體界面固體界面之間之間的夾角。的夾角。接觸角接觸角contact angle 當(dāng)當(dāng) 為銳角時(shí)，液體為銳角時(shí)，液體潤(rùn)濕潤(rùn)濕固體；固體；當(dāng)當(dāng) 為零時(shí)，為為零時(shí)，為完全潤(rùn)濕完全潤(rùn)濕；當(dāng)當(dāng) 為為180 時(shí)，為時(shí)，為完全不潤(rùn)濕完全不潤(rùn)濕。當(dāng)當(dāng) 為鈍角時(shí)，液體為鈍角時(shí)，液體不潤(rùn)濕不潤(rùn)濕固體；固體；毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象h毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 潤(rùn)濕液體潤(rùn)濕液體在細(xì)管中上升或在細(xì)管中上升或不潤(rùn)濕液體不潤(rùn)濕液體在細(xì)管中下降在細(xì)管中下降的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象(capillarity)。毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象capi
17、llarity是是表面張力現(xiàn)象表面張力現(xiàn)象surface tension產(chǎn)生的另一個(gè)重要效應(yīng)。產(chǎn)生的另一個(gè)重要效應(yīng)。能產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的管子稱為能產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的管子稱為毛細(xì)管毛細(xì)管capillary。上升：如水，下降：如水銀上升：如水，下降：如水銀毛細(xì)現(xiàn)象capillarity的計(jì)算cosRr rRPScos22ghPPPPACB000cos2PghrPRr hP0ABCP0SAPPP0grhcos2cos2grh（1）毛細(xì)管中液面上升的高）毛細(xì)管中液面上升的高度與度與表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)成正比，成正比，與與毛細(xì)管的內(nèi)徑毛細(xì)管的內(nèi)徑成反比。管成反比。管徑越細(xì)液面上升越高。徑越細(xì)液面上升越高。R
18、r hP0ABCP0（2 2）不潤(rùn)濕液體在毛細(xì)管中下降的高度的計(jì)算式，）不潤(rùn)濕液體在毛細(xì)管中下降的高度的計(jì)算式，此時(shí)接觸角此時(shí)接觸角 大于大于9090，所以，所以coscos 為負(fù)，表示為負(fù)，表示 管內(nèi)液面低于管外液面。管內(nèi)液面低于管外液面。思考：液柱下降時(shí)，此時(shí)液面是凸面還是凹面？思考：液柱下降時(shí)，此時(shí)液面是凸面還是凹面？毛細(xì)現(xiàn)象在生命過程以及日常生活中都有毛細(xì)現(xiàn)象在生命過程以及日常生活中都有重要的意義。植物的吸收和水分的輸送，重要的意義。植物的吸收和水分的輸送，人體血液在毛細(xì)血管中的流動(dòng)等過程，毛人體血液在毛細(xì)血管中的流動(dòng)等過程，毛細(xì)現(xiàn)象都起著重要的作用。細(xì)現(xiàn)象都起著重要的作用。cos2g
19、rh 氣體栓塞氣體栓塞air embolism 液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體的流動(dòng)將受到阻礙，氣泡多時(shí)將能發(fā)生阻塞，這的流動(dòng)將受到阻礙，氣泡多時(shí)將能發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為氣體栓塞氣體栓塞(air embolism)。氣體栓塞是由于氣體與液體間的氣體栓塞是由于氣體與液體間的曲面有曲面有附加壓附加壓 強(qiáng)強(qiáng)additional pressure而產(chǎn)生而產(chǎn)生的。的。ppP左左P右右液柱不動(dòng)液柱不動(dòng)P左左P右右ppp p液柱不動(dòng)液柱不動(dòng)3 p2 p ppnp 液柱開始移動(dòng)液柱開始移動(dòng)PPPPP右左左右PPP液柱不動(dòng)左右PPPp液柱移動(dòng)左右
20、PPPp人體血管栓塞人體血管栓塞 人體血管中若有氣泡，當(dāng)氣泡很小時(shí)，人體血管中若有氣泡，當(dāng)氣泡很小時(shí)，可以通過血液循環(huán)從肺部排出，但若氣可以通過血液循環(huán)從肺部排出，但若氣泡很大或多到一定量，則將造成血液循泡很大或多到一定量，則將造成血液循環(huán)障礙。所以在環(huán)障礙。所以在靜脈注射或輸液中應(yīng)特靜脈注射或輸液中應(yīng)特別注意防止空氣輸入到血管中別注意防止空氣輸入到血管中。五、表面活性物質(zhì)五、表面活性物質(zhì)surfactant 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)surfactant 肺泡的物理現(xiàn)象肺泡的物理現(xiàn)象表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)surfactant 溶液的表面張力系數(shù)是由溶液本身的性質(zhì)決定的。溶液的表面張力系數(shù)是由
21、溶液本身的性質(zhì)決定的。當(dāng)在一種溶液中加入另一種物質(zhì)時(shí)，溶液的表面當(dāng)在一種溶液中加入另一種物質(zhì)時(shí)，溶液的表面張力系數(shù)將可能改變。張力系數(shù)將可能改變。水的表面活性物質(zhì)有：膽鹽、肥皂、蛋黃素等。水的表面活性物質(zhì)有：膽鹽、肥皂、蛋黃素等。能夠減小溶液表面張力系數(shù)的物質(zhì)，稱為能夠減小溶液表面張力系數(shù)的物質(zhì)，稱為表面活表面活 性物質(zhì)。性物質(zhì)。肺泡的物理現(xiàn)象肺泡的物理現(xiàn)象 肺泡內(nèi)壁附著有一層特殊的肺液，類似于肺泡內(nèi)壁附著有一層特殊的肺液，類似于一個(gè)個(gè)相互連通的微液泡。一個(gè)個(gè)相互連通的微液泡。肺泡的物理現(xiàn)象肺泡的物理現(xiàn)象 大肺泡的表面活性物質(zhì)的濃度小于小肺泡的大肺泡的表面活性物質(zhì)的濃度小于小肺泡的 表面活性物
22、質(zhì)的濃度，所以大泡的表面張力表面活性物質(zhì)的濃度，所以大泡的表面張力 系數(shù)大于小泡的表面張力系數(shù)。這樣，大肺系數(shù)大于小泡的表面張力系數(shù)。這樣，大肺 泡不會(huì)越來越大，小肺泡也不會(huì)越來越小。泡不會(huì)越來越大，小肺泡也不會(huì)越來越小。液體表面層液體表面層表面張力表面張力表面能表面能附加壓強(qiáng)附加壓強(qiáng)應(yīng)用應(yīng)用接觸角接觸角毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象氣體栓塞氣體栓塞表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)總結(jié)總結(jié)summary基本概念和規(guī)律基本概念和規(guī)律（1 1）表面張力表面張力 surface tension（2 2）表面能表面能 surface energy（3 3）曲面下附加壓強(qiáng)曲面下附加壓強(qiáng) additio
23、nal pressure（4 4）濕潤(rùn)和不濕潤(rùn)濕潤(rùn)和不濕潤(rùn) wetting&non-wetting（5 5）毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 capillarity（6 6）氣體栓塞氣體栓塞 air embolism（7 7）表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) surfactant LFcos2grh R2P表面張力的大小：表面張力的大?。簊urface tension 表面能的增量：表面能的增量：surface energy 曲面下的附加壓強(qiáng)：曲面下的附加壓強(qiáng)：additional pressure R4P球膜內(nèi)外附加壓強(qiáng)：球膜內(nèi)外附加壓強(qiáng)：毛細(xì)管液面上升高度：毛細(xì)管液面上升高度：capillarity)(JSW相關(guān)習(xí)題：相關(guān)習(xí)題：習(xí)題三習(xí)題三3.1-3.83.1-3.8
醫(yī)用物理學(xué)：第3章 液體的表面現(xiàn)象
