表面张力及其实验探讨

液体表面张力及实验探讨

摘要：日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。本文在研读文献的基础上，从分子力的角度对表面张力的概念进行了阐释，然后分析了影响表面张力大小的因素。在一些现象中人们通常会将表面张力与浮力相混淆，本文设计了三个简便易行的实验，通过实验现象的观察及分析，说明表面张力和浮力的不同作用。最后，由于表面张力在人体的呼吸过程中起着重要作用，本文在研读文献的基础上给与归纳、描述，并且从表面张力的角度分析了人体在高烧的时候，呼吸加快的原因。本文意在通过简洁的论述和图示，让人们了解表面张力及其在生活中的应用。

关键词：表面张力；浮力；呼吸过程

一、问题的提出

日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。如：日常生活中人们见到的液滴往往呈球形，是液滴表面张力作用的结果。下雨天人们使用的雨伞是布面的，有微小的缝隙却不漏雨，是雨水表面张力作用的结果。在人体每时每刻的呼吸中，表面张力同样起着非常重要的作用：表面张力使大小不同的肺泡保持一定的形状，不会使大肺泡因扩大而爆裂，也不会使小肺泡因缩小而萎陷；表面张力的这种变化是肺泡表面活性物质所起到的调节作用。用纯水很难吹出泡泡，然而往水中加入一些表面活性物质，就可以很容易的吹出又大又圆的泡泡了。同样，往洗涤剂中加入表面活性物质，不仅可以使洗涤剂更好的溶于水，还可以增强衣物的浸湿效果，更有效的去除污迹。可以说表面张力与人们的日常生活形影不离，要很好的利用表面张力，就要了解表面张力的含义。

二、表面张力的概念

（一）相关概念

1．分子力

物质是由分子构成的，分子间的相互作用，叫做分子力。如图（1）所示，当分子之间的距离等于10-10m时，分子间的引力等于斥力，对外不显示力的作用，因此10-10m叫做分子的平衡距离，用r0表示。当分子间的距离小于平衡距离时，分子力表现为斥力；当分子间的距离大于平衡距离时，分子力表现为引力。当分子间的距离大于10-9m时，引力和斥力消失，分子力为零。所以，分子间的作用力属于短程力。

2．分子作用半径

分子力的有效作用范围，叫做分子作用半径，

数值等于10-9m ，以此值为半径所做的球，称为分子

作用球。

3．液体的表面层和附着层

由于液体具有流动性而往往盛于容器中，这样

液体就会与固体和上面的气体相接触，在气-液表

面取厚度等于分子作用半径（10-9m ）的液体薄层，

叫做液体的表面层，如图（2）所示。而液体与固

体接触的液体薄层，叫做液体的附着层。固体分

子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力，液

体内部分子对附着层液体分子的作用力，叫做附

着力。

（二）液体的表面张力

1．对表面张力的两种解释 董品泸主编的《物理学》中（以下简称“《物理学》1”），

对表面张力的解释为：表面层的液体分子一方面受液体内部分

子的作用，另一方面受液面上方气体分子的微弱作用，这两种

特殊作用的结果，使表面层中液体分子的分布比液体内部稀

疏。由于表面层中液体分子间的距离大于平衡距离，分子间表

现为引力，即液体的表面张力。如图（3），MN 为液体表面的

分界线，分界线左边的分子对分界线右边的分子产生的引力为

F 1，右边分子对左边分子的引力为F 2，F 1与F 2大小相等，方

向相反，与液面相切。[1]

王鸿儒主编的《物理学》中（以下简称“《物理学》2”），对表面张力的解释为：如图（4），M 1为液体表面分子，M 2为液体内部分子，以分子作用半

径为半径，以M 1、M 2为球心分别做球。在液体内部，由

于分子分布均匀，M 2受到来自各个方向的分子力大小相

等，因此其合力为零。以M 1为球心的分子作用球，一部

分在液体内部，另一部分在气体中，M 1受到的来自液体 [1] 董品泸，《物理学》，四川科学技术出版社，1992年

图（1）分子力 气体

液体表面液体 图（2）液M N F 1 F 2 图（3） 图（4） M 1 M 2

内部分子的作用力大于气体分子的作用力，其合力向下，使液面处于一种特殊的紧张状态，宏观上表现为表面张力。[2]

2．对两种解释方式的分析、比较。

从图（3）来看，表面张力作用在液体表面，而从图

（4）来看，好像表面张力垂直于液体表面，二者是否矛

盾呢？

在常温、常压下，空气的密度是1.293kg/m 3，其平均

分子量是29；水的密度是103kg/m 3，其分子量是18；相

同环境、相同体积时，水的摩尔数与空气的摩尔数之比为：（103

／18）／（1.293／29）≈1246倍，即体积相同时，水的分子

数约是空气分子数的1246倍。如图（5），表面层中的液体分

子M 1，受水面上方较少空气分子的作用，受水面以下较多的

液体分子的作用，将所受力进行合成，则M 1在竖直方向和水

平方向的合力分别如图（6）所示，F 2＞F 1使液面处于紧绷状

态，与“《物理学》2”解释一致；F 3＝F 4，即M 1受到来自左边的分子力等于右边的分子力，与“《物理学》1”的解释一致。由此可知，以上两种关于表面张力的阐述并不矛盾，“《物理学》1”中对表面张力的解释是“《物理学》2”的简化版。

在表面张力的作用下，液体表面总是收缩到最小面积，体积相同的各种形状中，球形的面积最小，所以液体表面一般呈球形。

表面张力不仅存在于气-液表面，在两种不相溶的液-液界面，同样存在表面张力的作用，其产生机理与气-液界面相似。

三、影响表面张力系数大小的因素

表面张力的大小F ＝αL, L 为分界线的长度，α为表面张力系数，数值上等于单位面积上表面张力的大小。表面张力的大小主要决定于表面张力系数，而表面张力系数决定于液体的性质、液体的温度、溶质的性质和浓度。

（一）液体性质的影响

对于气-液表面，表面张力是气体分子和液体内部分子共同作用的结果，在自然条件下液体的表面张力主要决定于液体的性质，当液体分子间的作用力远远大于气体分子之间的作用力时，表面层的液体分子所受的合力越大，即表面张力越大。而分子力越大 [2] 王鸿儒，《物理学》，北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社，1991年

图（5） M 1 F 1 F 2 F 3 F 4 图（6） M 1