1、 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打开阀门后?它们为什么可以它们为什么可以漂在水面上漂在水面上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。能收缩成最小的宏观张力。表面张力表面张力:说明：液面上存在沿表面的收缩力作说明：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。用，这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
2、界面处厚度等于分子有效作用半径的那层厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为液体称为液体的表面液体的表面。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的那层厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为液体称为液体的表面液体的表面。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 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，这种存在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于液体表面上的张力称为表面张力表面张力。说明：力的作用是均说明：力的作用是均匀分布的，力的方向与匀分布的，力的方向与液面相切；液面收缩液面相切；液面收缩至最小。至最小。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LfAB(1)(2)ffAB(2)f(1)f 从做功的角度定义从做功的角度定义LF2f fFF 做功为：做功为：xFWxL 2SS 指的是这一过程
4、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：SW 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，表示单位长度直线两旁液面的相单位长度直线两旁液面的相互作用拉力互作用拉力，在国际单位制中的单位为，在国际单位制中的单位为 N m-1 。1、表面张力系数的定义、表面张力系数的定义xfF Ff液液膜膜二、表面张力二、表面张力Lf 与分界线垂直并与液体表面相切。与分界线垂直并与液体表面相切。并且指向施力的液面一侧。并且指向施力的液面一侧。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
5、F 所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为液膜的液膜的表面能表面能 E 储存起来，即：储存起来，即：SWE所以：所以：SE 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不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。）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。（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，表面张力系数越小。有关，温度越高，表面张力系数越小。（3 3）液体表面张力系数与）液体表面张力系数与相
6、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 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对于肥皂膜，膜厚对于肥皂膜，膜厚10-4 m，
7、肥皂肥皂膜有两个表面膜有两个表面LfF22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 1mNlf 与分界线垂直并与液体表面相切。与分界线垂直并与液体表面相切。并且指向施力的液面一侧。并且指向施力的液面一侧。fAfBABlNMPa91056.1指水柱在断裂前，单位面积上所承受的最大张指水柱在断裂前，单位面积上所承受的最大张力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SA2dAF/ddSASFPc2抗拉强度抗拉强度单位面积黏结力单位面积黏结力液体表面是一个厚度等于分子引力的液体表面是一个
8、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性引起的。是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。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 和内部分子和内部分子B为为球心、分子有效作用距离为半径作球（球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作分子作用球用球）。）。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子的分，分子
9、作用球内液体分子的分布是布是对称的对称的；ABB B 受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。能性相等。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液体表，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；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，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
10、部分子的相互液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大作用势能大。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。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。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，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的趋势。，因此有向液体内部运动的趋势。AfL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，然后让其缓慢地流内，然后让其缓慢地流出。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。此时颈部表颈部表面层的表面张力均为竖直向
11、上，且合力正好支持重力。面层的表面张力均为竖直向上，且合力正好支持重力。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，移液管中液体全部滴尽时，移液管中液体全部滴尽时的总滴数为的总滴数为 n，则每一滴液体的重量为：，则每一滴液体的重量为：nmgG 所受的表面张力为：所受的表面张力为：df则有则有nmgd 即即dnmg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）则大水滴的面积为则大水滴的面积为 nrS2424 RS 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，小水滴的总体积与大水滴的
12、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333434Rnr33rRn 表面张力系数表面张力系数 SE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SE2)1(4RrR)44(22Rnr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 =73=731010-3-3N Nm m-1-1在此过程中保在此过程中保持不变持不变)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
13、.010-3 kg 的油滴的油滴在水内散布成半径在水内散布成半径 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=900kg=900kgm m-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，因而所需作的功为因而所需作的功为SW)(422RNrS例例解解油的质量油的质量 m 不变，则不变，则334Rm 343rmN3143mR334rNm求求需要作多少功需要作多少功J10062.W可得：可得：二、弯曲液面下的附加压强二、弯曲液面下的附加压强（The additional p
14、ressure under a curved surface）自然界中有许多情况下液面是弯曲的，弯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，称为附加压强曲液面内外存在一压强差，称为附加压强,用用Ps 表示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。表示。附加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外内PPPs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。内P外P外内PPPs22 rPrPf内外df/dfdfrA
15、BCRdl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、曲（附加压强与表面张力系数、曲率半径的定量关系）率半径的定量关系）lfddsindsinddlffcoscosdldfdf/sinddlfffsin2 rdlsinRrsinRrf222R2SPR表明：表明：球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的曲率半径与液面的曲率半径成反比。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RPs2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。22 rPrP
16、f内外Rrf222 rfPP外内 rOORP外SP内S 球冠形液体元对于水平液面，附加压强为对于水平液面，附加压强为0PP 内表面张力抵消表面张力抵消内P0Pff0sPSfPP合内0合合ffsP0PsP内内凹形液面凹形液面PsP内内0PSfP合内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0sPsP0sP凸形液面凸形液面f合合fffP0s=P0+Ps=P0-PsSPP 0SPPP0内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。已知液体的表面张力系数为已知液体的表面张力系数为 ，求球形液泡内部压强。，求球形液泡内部压
17、强。（大气压为（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RPPAB2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RPS4球形液泡内气体的压强为球形液泡内气体的压强为RPPPPS400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 RPPCB2 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:AARPP 40 BBRPP 40 BARR BAPP AB（假设肥皂薄膜厚度为定值）（假设肥皂薄膜厚度为定值）在水下深度为在水下深度为h 处有一直
18、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、水密度、水密度 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dhP00sP P PP液 柱RghP水水20弯曲液面是如何形成的呢弯曲液面是如何形成的呢?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
19、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表面张力的存在使弯曲液面内外形成一个附加压强表面张力的存在使弯曲液面内外形成一个附加压强。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rf2sin1
20、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RPS2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 PRRPPo2RPPo2oPP RPPo4一、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是由附着层分子力引起的润湿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
21、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f f 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的角。在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角。通常用通常用q q 来表示。来表示。液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，2q当当 时，时，2q液体液体不润湿不润湿固体；固体；当当 时，时，0q液体液体完全润湿完全润湿固体；固体；当当 时，时，q液体液体完全
22、不润湿完全不润湿固体；固体；q q润湿润湿q q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，当内聚力大于附着力内聚力大于附着力时，时，A 分子受到的合力分子受到的合力 f 垂直于附着层指向液体内部。垂直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 做做功（即分子势能增大），附着层内分子势能比液体内部分功（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。子势能大。根据根据平衡态势能最小的原则平衡态势能最
23、小的原则，附着层内的分子要尽量挤入液体内（即尽量处，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。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 受到受到的合力的合力 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子间作用液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做力做正功正功（即分子势能减小），使得附着层内分子势（即分子势能减小），使得附着层内分子势能比液体内部分
24、子势能小。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，表现为液体润湿固液体润湿固体体。二、毛细现象二、毛细现象 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；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，液体将在管内下降。这种现象称为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。1、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因毛细现
25、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起的。共同作用引起的。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，则接触，则接触角为角为锐角锐角。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，则接触角则接触角为为锐角锐角。h 容器口径非常小，附加压强的存在容器口径非常小，附加压强的存在将使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，附加压强的存在容器口径很小，附加压强的存在将使将使管内液面降低管内液面降低，产生，产生毛细现象毛细现象。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
26、)1)液体润湿管壁液体润湿管壁 毛细管刚插入水中时，管内毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面，液面为凹液面，PD=P0 ,PC P0 ,D、C 为等高点，但为等高点，但PC PD ，所以液体不能静止，所以液体不能静止，管内液面将上升，直至管内液面将上升，直至PD=PC 为止：为止：0PPPPDCA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qcosRr 附加压强为：附加压强为：0PPPAsrPPAqcos20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，液体润湿管壁，的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为接
27、触角为q q。由几何关系可知：由几何关系可知：RR2rqcos2CBAr0P又ghPPAB且且0PPPCBgrhqcos2得：得：h若液体不润湿管壁，则若液体不润湿管壁，则grhqcos2可得可得：q20 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体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。的表面张力系数成正比，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，q q =0=0 或或q q =，则：，则：grh2F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grhqc
28、os2得qcos2rf lfVgGghr2 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，当活塞不施加压强（假设假设活塞下的气柱中压强为大气压活塞下的气柱中压强为大气压P0）时，即）时，即grhqcos2给活塞施加压强并逐渐增大，发给活塞施加压强并逐渐增大，发现现当施加的压强很小时，液面并不降当施加的压强很小时，液面并不降低低，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
29、塞施加一较小压强时，只是，当给活塞施加一较小压强时，只是凹形液凹形液面的曲率半径变小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，即液面下压强仍然能够保持不变，即液面不下降。液面不下降。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。时，液滴才开始移动。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。如图，如图，PPPP PP如果毛细管中有如果毛细管中有 n 个液滴，
30、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。这种现象称为果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动。这种
31、现象称为气体气体栓塞现象栓塞现象。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）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；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，）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
32、的水分或营养缺乏而枯萎。使部分枝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由由 可知：可知：grhqcos2 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”上升上升的的 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，小，液体能否自动从管子中流出来形成液体能否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
33、动机是不可能存在的。P0AP0液体润湿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q q ，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，在大气压的作用下，液面会上升；作用下，液面会上升；002PRPPAgRh2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 。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 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
34、部导管是一个典型的毛细管系统，它由许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，直径约为多丧失了原生质的死细胞构成，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，取毛细管的半径的半径 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：grhqcos2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满足水分向上运靠毛细现象就可以满足水分向
35、上运输的需要。输的需要。m1028.910107325330.74m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（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，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。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。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，如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等，它们都存
36、在衣等，它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。成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，而不允许糖类分子、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。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
37、称为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，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻在早春，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，时水分
38、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直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止产生的压强为止。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。冷杉冷杉 这时无论是这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。水分向上运输的需要，或许还有其他的运输机
39、制。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 的的压强才能将活塞与水柱分离。压强才能将活塞与水柱分离。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，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，即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用，称为即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用，称为负压强作用负压强作用。正是因为正是因为负压强作用负压强作用，当水分
40、不断从叶片中蒸发出去或参与植，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。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。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，因此气气体不能产生负压强体不能产生负压强。在冬季，如果木质部导管中溶液冻结，冰中会产生许多气泡，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。功能。3 气体栓塞：气体栓塞：1）定义：）定义：液体在细
41、管中流动时，如果管中有气泡，液体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，这种现象称为气体栓塞。气体栓塞。、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，气泡两端的液面弯曲程度相等相等时，气泡两端的液面弯曲程度相等曲率半径相等曲率半径相等，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：、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，气泡两端的液面弯曲程度不再相等，左边曲率半径变大，右边曲率半径变小右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。
