第二章 5 液体

问题?

在杯子中盛满清水。将曲别针一枚一枚依次放入杯中,比一比看谁放入的曲别针数量最多,而杯中的水不会溢出。你能解释这一现象吗?

问题插图

液体的表面张力

我们发现:一些昆虫可以停在水面上(图2.5-1);叶面上的露珠呈球形……这些现象表明,液体表面可能具有与内部不同的性质。

图2.5-1
图 2.5-1 水黾可以停在水面

实验

观察肥皂膜和棉线的变化

1.把一条细棉线的两端分别系在铁丝环的两侧,要使棉线处于略为松弛的状态。然后将铁丝环浸入肥皂液里,再拿出来时环上就留下了一层肥皂液的薄膜。这时薄膜上的棉线仍是松弛的(图 2.5-2 甲)。用烧热的针刺破棉线一侧的薄膜(图 2.5-2 乙),观察薄膜和棉线发生的变化。

图2.5-2
图 2.5-2 观察肥皂膜和棉线的变化

2.把一个棉线圈系在铁丝环上,使环上布满肥皂液的薄膜,这时膜上的棉线圈仍是松弛的(图 2.5-2 丙)。用烧热的针刺破棉线圈里的薄膜,观察棉线圈外的薄膜和棉线圈发生的变化(图 2.5-2 丁)。


观察结果表明,用烧热的针刺破棉线某一侧的薄膜后,另一半肥皂膜就会立即收缩把松弛的棉线绷紧,并且始终向着肥皂膜一侧收缩,液体的表面具有收缩趋势。

为什么液体表面具有收缩趋势呢?原来,液体表面有一层跟气体接触的薄层,叫作表面层。表面层与液体内部的微观结构不同(图2.5-3甲)。在第一章我们已经了解了分子间的作用力跟分子间距离的关系问题。在液体内部,分子间平均距离r略小于r0 ,分子间的作用力表现为斥力;在表面层,分子比较稀疏,分子间距离r略大于r0 ,分子间的作用力表现为引力。设想在液体表面画一条直线MN,把液体表面分为1、2两部分,MN两侧的液体之间存在着一对与MN垂直、大小相等、方向相反的作用力(图2.5-3乙)。[1]由于是任意画的,所以这种力在液体表面层内的各个方向上都存在,力的方向总是跟液面相切,且与分界面垂直。这种力使液体表面绷紧,叫作液体的表面张力(surface tension)

图2.5-3
图 2.5-3 液体的表面张力

思考与讨论

还记得《普通高中教科书物理必修第一册》中展示的“太空授课”画面吗?在空间站里,水滴的形状是一个完美的球形。生活中我们还经常看到荷叶上的露珠呈扁平球形等现象。你能解释这是为什么吗?


到现在为止,我们已经从实验和理论两个方面了解了液体的表面张力,知道它具有使液体表面收缩的趋势。为什么那么多曲别针沉入杯中水却还没溢出?为什么水黾可以停在水面上?相信你可以给出解释了。

浸润和不浸润

在一块洁净的玻璃板上滴一滴水,我们看到,这滴水会逐渐散开并附着在玻璃板上(图 2.5-4 甲);在一块涂了蜡的玻璃板上滴一滴水,这滴水却可以滚来滚去,而不能附着在蜡面上(图 2.5-4 乙)。这个结果表明,水可以润湿玻璃,但水不能润湿蜡。

图2.5-4
图 2.5-4 浸润和不浸润

一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上,这种现象叫作浸润;一种液体不会润湿某种固体,也就不会附着在这种固体的表面,这种现象叫作不浸润。当液体和与之接触的固体的相互作用比液体分子之间的相互作用强时,液体能够浸润固体。反之,液体则不浸润固体。

一种液体是否浸润某种固体,与这两种物质的性质都有关系。例如,水银不浸润玻璃,但浸润铅。如果把水银滴到干净的铅板上,水银就会附着在铅板上,很难擦去。

液体放在玻璃管中,液面与管壁接触的位置是弯曲的,但有的向上弯,有的向下弯(图 2.5-5)。这也是浸润与不浸润两种现象的区别。

图2.5-5
图 2.5-5 玻璃管中的水和水银

实验

观察毛细现象

将内径不同、两端开口的洁净细玻璃管竖直插入水中(图2.5-6甲),观察细玻璃管中液面的高度;再将另一组内径不同、两端开口的塑料笔芯竖直插入水中(图2.5-6乙),观察笔芯中液面的高度。

图2.5-6
图 2.5-6 细玻璃管和塑料笔芯的毛细现象

实验结果表明,洁净细玻璃管内的液面比水面高;塑料笔芯内的液面比水面低。管的内径越小,上述现象就越明显。像这样浸润液体在细管中上升的现象,以及不浸润液体在细管中下降的现象,称为毛细现象(capillarity)

由于液体浸润管壁,液面呈图2.5-7所示的形状,液面弯曲。液体表面张力形成向上的拉力,这个力使管中液体向上运动。当管中液体上升到一定高度时,液体所受重力与这个使它向上的力平衡,液面稳定在一定的高度。

图2.5-7
图 2.5-7 表面张力对管中液体形成向上的拉力的示意图

有些物体内部有许多细小的孔道,孔道起到了毛细管的作用。例如,土壤里有很多毛细管,地下的水分可以沿着它们上升到地面。如果要保存地下的水分,就要把地面的土壤锄松(图2.5-8),破坏这些土壤里的毛细管。相反,如果想把地下的水分引上来,就不仅要保持土壤里的毛细管,而且还要使它们变得更细,这时就要用磙子压紧土壤。

图2.5-8
图 2.5-8 保墒

液晶

液晶在现代生活中扮演着重要角色,广泛应用于手机屏幕、平板电视等显示设备中。为什么“液体”和“晶体”联系在一起了?

液晶到底是什么物质?构成液晶的分子为有机分子,大多为棒状,其棒长多为棒直径的5倍以上,由于这种长棒状的分子结构,使得分子集合体在没有外界干扰的情况下趋向分子相互平行排列(图2.5-9甲)。

图2.5-9
图 2.5-9 液晶材料的分子排列特性

液晶具有液体的流动性,但在低温时液晶会凝固成结晶态,不仅分子的取向是有序的,而且分子重心的位置也是有序的(图2.5-9甲)。如果把结晶态分子的有序排列程度定为1的话,则当温度升高时,晶体中分子的热运动增强,使分子重心位置的有序性消失,转为液晶态(图2.5-9乙),分子取向有序程度也下降为0.6。当温度进一步升高时,分子取向有序性也消失,完全进入无序的状态,变成液态(图2.5-9丙)。

可见,液晶是介于固态和液态之间的一种物质状态。液晶态既具有液体的流动性,又在一定程度上具有晶体分子的规则排列的性质。有些物质在特定的温度范围之内具有液晶态;另一些物质,在适当的溶剂中溶解时,在一定的浓度范围具有液晶态。

分子取向排列的液晶具有光学各向异性,具体地说,沿分子长轴方向上的折射率不同于沿短轴的。入射光的偏振方向与液晶分子长轴的方向成不同夹角时,液晶对光的折射率不同。因此,一束非偏振光射入液晶层后再射出时,由于液晶折射率的各向异性会产生两束光程不同的光。这样两束光在出射点处矢量叠加(等效于干涉),我们在显微镜下就可以观察到某种色光。

液晶的研究在生命科学中也有应用。例如,某些物质在水溶液中能够形成薄片状液晶,而这正是生物膜的主要构成部分。目前在实验室中已经可以利用这样的人造生物膜研究离子的渗透性,从而了解机体对药物的吸收等生理过程。另外,在脑、肌肉和视网膜等多种人体组织中都发现了液晶结构,有关液晶的研究已经成为物理科学与生命科学的一个重要结合点。

科学漫步

液晶显示

如图 2.5-10,某种液晶分子取向可沿轴旋转,形成连续扭曲状态,TN 模式显示器里用的就是这种液晶。扭曲排列的液晶分子具有旋光性,即光的偏振方向沿液晶的排列方向旋转。上下基板外侧附着两片透光轴互相垂直的偏振片,上侧的偏振片透光轴与上侧基板处的液晶取向平行,下侧的偏振片透光轴与下侧基板处的液晶取向平行。上下基板内侧带有透明电极。中间部分的液晶分子则连续扭曲 90º 排列(图 2.5-10 甲)。

图2.5-10
图 2.5-10 TN 模式液晶显示器的基本工作原理示意图

不加电场时,自然光通过第一块偏振片变为平行于上基板处液晶取向的偏振光,偏振光被液晶层旋光,转过 90º 后偏振方向正好与下基板处偏振片的透光轴相平行,光透过时呈现亮态。

加电场后,原来扭曲排列的液晶分子变为垂直平行排列,液晶分子沿电场方向竖起,透过第一块偏振片的偏振光通过液晶层时不再发生旋光,到达出射端的偏振片时,透光轴与出射光的偏振方向垂直,光被截止,呈现暗态(图 2.5-10 乙)。

如果电场不够强,液晶分子处于半竖立状态,旋光作用也处于半完全状态,则会有部分光透过,呈现中间灰度。

当液晶用于显示时,要将上下基板的电极刻蚀成条形,两基板上的条形电极垂直对置,每两个极板对应的位置就是一个像素,它有自己的 x、y 坐标,如此形成了像素的“矩阵”用于“电寻址”(图 2.5-11)。选通的像素为开态,未选通的像素为关态。为了具有彩色显示,每一个像素又分为三个子像素对应红、蓝、绿三基色彩色滤光膜。对三个子像素的光强分别进行调制,通过三基色混色获得彩色显示。这就是液晶显示器的基本工作原理。

图2.5-11
图 2.5-11 像素矩阵显示中的条形电极

液晶显示器轻便、节能且只需低压(小于 5 V)驱动,目前已经广泛应用在便携式设备上。

练习与应用

1.把玻璃管的裂口放在火焰上烧熔,它的尖端就会变钝(图2.5-12)。这是什么缘故?

图2.5-12
图 2.5-12

2.在玻璃的蒸发皿中,较小的水银滴接近球形,较大的水银滴呈扁平形(图2.5-13)。那么,在处于失重状态的宇宙飞船中,一大滴水银会呈什么形状?

图2.5-13
图 2.5-13

3.把一枚缝衣针在手上蹭一蹭,然后放到一张餐巾纸上。用手把餐巾纸轻放在水面上。餐巾纸浸湿下沉,而缝衣针会停在水面。把针按入水下,针就不再浮起。做这个实验,并解释上述现象。

4.要想把凝固在衣料上的蜡迹去掉,可以把两层棉纸分别放在蜡迹处衣服的上面和下面,然后用热熨斗在棉纸上来回烫熨。为什么这样做可以去掉衣料上的蜡迹?

5.若你和家人要外出度假一段时间,家里的盆栽又需要时常浇少量的水。你能否利用毛细现象设计一种自动浇水装置呢?请绘制一个设计图。

6.在一次小发明讨论会上,某同学有一个创意。他发现厨房碗柜里酱油瓶的下面总是有黑乎乎的酱油痕迹,这是由于每次倒酱油的时候总会有一些酱油沿着瓶口流淌下来并渗透所造成的。他想,只要选择恰当的材料做酱油瓶的瓶口,就能保持瓶子清洁。于是,他把酱油分别滴在不同的材料上进行实验。请观察图2.5-14,为实现上述目的,你认为应该选择哪一种材料?请解释这项创意的道理。

图2.5-14
图 2.5-14
 

[1] 如果液面是曲面,这种作用力与液体表面相切。

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发布时间:2021-1-12 22:48:33  阅读次数:32

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