毛細現象

毛細現象

毛細現象,又稱毛細管作用,是指液體在細管狀物體內側,由於內聚力與附著力的差異、克服地心引力而上升的現象。毛細管插入浸潤液體中,管內液面上升,高於管外,毛細管插入不浸潤液體中,管內液體下降,低於管外的現象。毛巾吸水,地下水沿土壤上升都是毛細現象。在潔淨的玻璃板上放一滴水銀,它能夠滾來滾去而不附著在玻璃板上。把一塊潔淨的玻璃板浸入水銀里再取出來,玻璃上也不附著水銀。這種液體不附著在固體表面上的現象叫做不浸潤。對玻璃來說,水銀是不浸潤液體。

基本信息

現象

毛細現象毛細現象

液體表面類似張緊的橡皮膜,如果液面是彎曲的,它就有變平的趨勢.因此凹液面對下面的液體施以拉力,凸液面對下面的液體施以壓力。浸潤液體在毛細管中的液面是凹形的,它對下面的液體施加拉力,使液體沿著管壁上升,當向上的拉力跟管內液柱所受的重力相等時,管內的液體停止上升,達到平衡.同樣的分析也可以解釋不浸潤液體在毛細管內下降的現象。

在自然界和日常生活中有許多毛細現象的例子。植物莖內的導管就是植物體內的極細的毛細管,它能把土壤里的水分吸上來。磚塊吸水、毛巾吸汗、粉筆吸墨水都是常見的毛細現象。在這些物體中有許多細小的孔道,起著毛細管的作用。

有些情況下毛細現象是有害的。例如,建築房屋的時候,在砸實的地基中毛細管又多又細,它們會把土壤中的水分引上來,使得室內潮濕。建房時在地基上面鋪油氈,就是為了防止毛細現象造成的。

水沿毛細管上升的現象,對農業生產的影響很大。土壤里有很多毛細管,地下的水分經常沿著這些毛細管上升到地面上來。如果要保存地下的水分,就應當鋤松地面的土壤,破壞土壤表層的毛細管,以減少水分的蒸發。

浸潤液體

毛細現象實驗毛細現象實驗

在潔淨的玻璃上放一滴水,它會附著在玻璃板上形成薄層。把一塊潔淨的玻璃片浸入水中再取出來,玻璃的表面會沾上一層水。這種液體附著在固體表面上的現象叫做浸潤。對玻璃來說

,水是浸潤液體。

同一種液體,對一種固體來說是浸潤的,對另一種固體來說可能是不浸潤的。水能浸潤玻璃,但不能浸潤石蠟。水銀不能浸潤玻璃,但能浸潤鋅。

把浸潤液體裝在容器里,例如把水裝在玻璃燒杯里,由於水浸潤玻璃,器壁附近的液面向上彎曲,把不浸潤液體裝在容器里,例如把水銀裝在玻璃管里,由於水銀本身的表面張力大於水銀與管壁之間的附著力,器壁附近的液面向下彎曲。在內徑較小的容器里,這種現象更顯著,液面形成凹形或凸形的彎月面。

毛細現象把幾根內徑不同的細玻璃管插入水中,可以看到,管內的水面比容器里的水面高,管子的內徑越小,裡面的水面越高。把這些細玻璃管插入水銀中,發生的現象正好相反,管子裡的水銀面比容器里的水銀面低,管子的內徑越小,裡面的水銀面越低。

浸潤液體在細管里升高的現象和不浸潤液體在細管里降低的現象,叫做毛細現象。能夠產生明顯毛細現象的管叫做毛細管。

附加壓強

表面張力對液體球的作用好像增加了一個垂直於球面的壓強,稱為附加壓強。

對液滴,附加壓強為2*表面張力係數/球面半徑。

對肥皂泡等空心液體球,附加壓強為4×表面張力係數/球面半徑。

上升高度

毛細現象中液體上升、下降高度。h的正負表示上升或下降。

浸潤液體上升,接觸角為銳角;不浸潤液體下降,接觸角為鈍角。

上升高度h=2×表面張力係數/(液體密度×重力加速度g×液面半徑R)。

上升高度h=2×表面張力係數×cos接觸角/(液體密度*重力加速度g×毛細管半徑r)。

公式

液柱上升高度是:h=2γcosθ/(ρgr)

此處,

γ= 表面張力;θ= 接觸角;ρ= 液體密度;g= 重力加速度;r= 細管半徑。

當θ>90度,這表示彎液面為凸面;同時h<0,表示流體在毛細管下降,即汞在玻璃管的情況。

對於在海平面上,裝了水的玻璃管,

γ= 0。0728 J m θ= 20° ρ= 1000 kg m g= 9。8 m s 液柱高度為:

根據此方程式,理論上在1m寬的管中,水可以上升0。014 mm(因此極不容易被察覺);另外在1 cm寬的管中,水可以上升1。4 mm;而在半徑0。1 mm 的毛細管中,水可以上升14 cm。

推導

方法一:考慮表面張力的力 2πrγcosθ = ρghπr2方法二:考慮流體內非常接近彎液面的點A和非常接近毛細管外表面的點B的壓力,按伯努利定律有:P0 − 2γ / R+ ρgh= P0 其中R為彎液面的半徑,Rcosθ = r;P0為大氣壓力。

生物現象

毛細現象毛細現象與植物飲水

毛細現象在生物學中有廣泛的套用,如動植物的毛細血管,鋤鬆土壤以破壞土壤的毛細管,減少表面水分的蒸發等。本文就部分毛細現象實驗與植物體的毛細現象實驗進行對比,以此了解物理學與生物學綜合的意義。

根和莖的毛細現象

1、根和莖的毛細現象根是維管植物由胚根發育而來的體軸的地下部分。由主根及其許多側根構成根系。主要的功能是為了固著植物體和支持地上部,並從土壤中吸收水和溶於水中的無機養料,亦有運輸、貯存和合成某些有機物質的功能,並能向外分泌代謝廢物。根尖表皮細胞向外突出的毛狀物稱為根毛,是根吸收水分和無機鹽的主要部分。

由於根的上述功能,在進行植物吸收水分的教學時,一般用有根的鳳仙花進行吸收水分實驗;將鳳仙花插入有紅墨水的水杯中,水面上滴入植物油,杯口用脫脂棉堵塞,以減少蒸發。靜置十多小時後,首先觀察液面的下降。為了說明植物吸收水分導致液面下降,可以進行對照實驗,幾隻杯子的水同樣多,水面滴入同樣多的植物油,並都用脫脂棉塞住瓶口,經過同樣長的時間後,插有鳳仙花的瓶子水面下降更明顯。還可觀察鳳仙花的葉子和莖,剪斷或揭去表皮,可以看到紅色墨水已沿莖的表皮上升。後者只需幾個小時。

事實上,直接用莖來做實驗,同樣可以看到紅色墨水上升的現象。莖是維管植物由胚芽發育而來的體軸部分。其主要功能出是輸導及支持。如果我們用蠶豆、油菜、蔥、柳枝、松樹及菊花的莖等,插入到紅色水中,幾個小時後,就可以在莖的表皮下觀察到水的上升現象,在花瓣和葉脈上也可見紅色。

植物的蒸騰作用

植物體能由根、莖輸送水分,主要由根床(地下水的壓力)、毛細現象和蒸騰作用。大氣壓由於互相抵消,不應是主要原因。

蒸騰作用主要是由葉下表面的氣孔產生。將密閉的塑膠袋扎在植物的樹葉上,在陽光下很快就會有大量水珠在塑膠袋中形成。這一蒸發導致植物要不斷地從根莖中輸送水分。

葉下表皮的氣孔觀察也是很有趣的活動。用蠶豆葉或蔥葉,由刮鬍刀片在葉背面淺淺劃一小方塊,再用及時貼揭下表皮,並用酒精洗(或用刀片刮)去葉綠體,然後直接貼到載玻片上,就可以用顯微鏡觀察氣孔了。

葉的氣孔在早晨張開的較大,中午太熱,為了減少蒸發量,張開的小。為了觀察氣孔,顯然應選擇在早晨摘取的葉子。證明這一結論也是一項有趣的研究活動。在同一植株(如同一棵蠶豆植株)上,分別在早晨及中午摘取多片葉子,獲得葉下表皮,並儘可能用同樣處理方法,在顯微鏡下觀察,結果是早晨的葉子氣孔多且大。

實驗時,為了比較莖中存在的毛細現象與蒸騰作用的大小,進行對照實驗:分別用剪去葉子和未剪去葉子的同一種植物的莖,插入同一個紅色水的瓶中,結果,莖中都有紅色水上升,而沒有去掉葉子的莖上升的時間長。

莖能傳輸水分與蒸騰作用有關,同時葉的氣孔能進行蒸騰,也是通過葉的毛細現象來傳輸水分的。

實驗

不同液體的毛細現象

用三種液體進行比較:肥皂液、風油精、水。

拉伸的同一根尖嘴玻璃管,分別插入到三種液體中,上升的高度各不相同。風油精上升的高度最小,肥皂液其次。風油精實驗,直接將玻璃管的尖端插入風油精的瓶中即可。

同種液體,在溫度不同時,毛細現象也不同。

毛細現象上升的高度差異不是十分明顯,要先用及時貼或記號筆作出標記,再用尺量。

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