研究性学习毛细现象

研究性学习:毛细现象

指导老师:王兴波小组成员:冯妤陈璐于一徐学艺

研究背景、

“水往低处流”，这似乎是一个定律，可是只要我们细心观察，就会发现现实中有许多事实都告诉我们这是不对的。如果你到河里去玩，没有注意到衣服的下摆已经进在水中，过了一些时候，你上岸时，会发现衣服已经湿了一大片。虽然水只浸到一小部分，可是衣服却湿了一大块。

研究目的

虽然我们对毛细现象都有一些了解，而毛细现象也看似简单易懂，但其实我们了解的都只是一些表皮。为了对知识有更深的理解和学习，我们决定通过实验与理论相结合，更进一步研究此现象对实际生活中的影响。

什么是毛细现象

众所周知，水能够沿着两端有开口的细管或细缝移动，包括上升或下降。插入液体中的毛细管，管内外的液面会出现高度差。当浸润管壁的液体在毛细管中上升（即管内液面高于管外）或当不浸润管壁的液体在毛细管中下降（即管内液面低于管外），这种现象叫做“毛细现象”。

【毛细管】凡内径很细的管子叫“毛细管”。通常指的是内径等于或小于1毫米的细管，因管径有的细如毛发故称毛细管。例如，水银温度计、钢笔尖部的狭缝、毛巾和吸墨纸纤维间的缝隙、土壤结构中的细隙以及植物的根、茎、叶的脉络等，都可认为是毛细管。

如果水倒在地板，桌垫等表面光滑的地方时，因为没有细缝，所以不会发生毛细现象，但是如果水是倒在卫生纸，手帕，报纸等等表面有许多细缝的物体上，水就会沿着细缝上升或下降。

那么毛细现象具体有哪些表现呢？毛巾吸水、灯芯吸油、水彩在纸上散开、水沿著水泥墙上升、植物体內的水可以从根部上升到树梢、內衣會吸汗、毛巾可以吸水、水沿着两片玻璃间的细缝上升、咖啡沿著方糖上升、红色墨水可以沿著芹菜的茎向上移动，一部份浸在水中的砖块，一段時间后，整块砖块都湿了，以及白色的花浸在有顏色的液体中，一段時间后，花会被染色等等。

毛细现象产生原因

产生毛细现象原因之一是由于附着层中分子的附着力与内聚力的作用，造成浸润或不浸润，因而使毛细管中的液面呈现弯月形。原因之二是由于存在表面张力，从而使弯曲液面产生附加压强。由于弯月面的形成，使得沿液面切面方向作用的表面张力的合力，在凸弯月面处指向液体内部；在凹弯月面处指向液体外部。由于合力的作用使弯月面下液体的压强发生了变化——对液体产生一个附加压强，凸弯月面下液体的压强大于水平液面下液体的压强，而凹弯月面下液体的压强小于水平液面下液体的压强。根据在盛着同一液体的连通器中，同一高度处各点的压强都相等的道理，当毛细管里的液面是凹弯月面时，液体不断地上升，直到上升液柱的静压强抵消了附加压强为止；同样，当液面呈凸月面时，毛细管里的液体也将下降。

【浸润现象】亦称润湿现象。当液体与固体接触时，液体的附着层将沿固体表面延伸。当接触角θ为锐角时，液体润湿固体，若θ为零时，液体将展延到全部固体表面上，这种现象叫做“浸润现象”。润湿现象的产生与液体和固体的性质有关。同一种液体，能润湿某些固体的表面，但对另外某些固体的表面就很难润湿。例如，水能润湿玻璃，但不能润湿石蜡。

【不浸润现象】亦称不润湿现象。当液体与固体接触时，液体的附着层将沿固体表面收缩。当接触角θ为钝角时，液体不润湿固体，若θ=π时，液体完全不润湿固体。这种现象称为液体不浸润现象。不润湿现象的产生与液体和固体性质有关。同一种液体，能润湿某些

固体的表面，但不能润湿另一些固体的表面。例如，水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的锌板、铜板、铁板。

浸润现象或不浸润现象是针对不同的固体来说的，同一种液体对不同的固体可能浸润，也可能不浸润，比如水对玻璃浸润，对菏叶不浸润。

【表面张力】液体表面分子间的吸引力。即液体表面的分子有一种使其面积缩成最小的力，或称一种抵抗表面积扩张的力，此力称“表面张力”。液体表面是指液体与空气或其他液体相接触的自由面。表面张力的大小与接触面的物质有密切关系。此外，表面张力还与温度有关，温度越高，性质越不纯，表面张力越小，相反的，水的温度越低，性质越纯，表面张力也越大。表面张力的方向总是与液面相切，与分界线相垂直。若在液面作一长为L的直线，将液面分成两部分，这两部分之间的相互牵引力为F，则表面张力F=kL，其中k为液体表面张力系数。表面张力的单位为牛顿/米。由于表面张力的作用，液滴表面有收缩到最小的趋势，而使液滴成近似球形的状态。所以当你装满一杯水之后，轻轻的把一粒粒小石头放进水杯中，水会慢慢长的比杯口还要高，但却不会溢出来。

所以我们可以换一个角度来解释毛细现象：毛细现象含有细微孔隙的物体与液体接触时，在浸润情况下，液体沿孔隙上升；在不浸润情况下，液体沿孔隙下降的现象。液体的表面张力越大，密度越小，物体的孔隙越小，毛细现象越显著。毛细现象是附着力或内聚力与表面张力共同作用的结果。例如，毛细作用使水沿着玻璃管上升，水对玻璃管的附着力使水沿着管壁爬升，并形成一个凹面，但表面张力又使液体表面收缩而把液面往上拉平，这两种力的联合作用使水逐渐上升到高于周围液面。当这两种力与升高的液柱所受重力相平衡时，水就不再上升。

毛细现象有关因素

那么毛细现象的进行和什么因素有关呢？

下面我们来做几个试验：

试验一：不同材料的物质，毛细现象不同

器材：红墨水，三种种类不同但长度，宽度都相同的纸条。

步骤：①在纸条上，每5厘米画一格。

②将纸条用夹子固定，使它们的末端相平。

③把盛有红墨水的盘放好，并观察水上升的高度

结论：很明显的可以看出，不同种类的纸，水上升的高度不同。因而可以知道水在孔隙多少不同的物体中，上升的高度不一样，孔隙越多，水上升得越高。

试验二：不同的流质物质，毛细现象不同

器材：玻璃杯三个，清水，醋，酱油，小纸条三张。

步骤：①把上述液体倒进杯中。

②把小纸条放进杯中，观察液体上升的快慢。

结论：醋上升的最快，其次是酱油，最后是水。可以看出，毛细现象与物质的种类有关。

那么，除了从试验可以得知的两个影响毛细现象进行的因素外，还有哪些因素也可以影响毛细现象进行呢？从网上以及书上的资料，我们还知道了，纸本身的吸水力，纸的大小、形状和水的高低都会影响到毛细现象的进行，而产生许多不同的结果。而且水的温度也会影响到毛细现象的进行。水温越高，水的上升变越快，反之，则越慢。因此液体本身的特性也是影响毛细現象的主要原因。而且水温的升高会产生大量的水蒸气，因此，水蒸气也会使毛细现象加速进行。另外当液体分子的內聚力小于其与纸张(或具他物质)之间的吸引力时就会产生毛细現象。不同的液体或纸张，其毛细現象就有程度上的差异。如水银因其原子之间的內聚力极強，很难有毛细現象发生。

与渗透的区别

【半透膜】只允许某种混合气体或溶液中的某一种物质透过而不允许另一种物质透过的薄膜，叫做半透膜。例如，动物的膀胱，只允许水分子通过，而不允许糖的分子透过。肠壁膜、玻璃纸等，主要由于膜的微细孔而形成半透膜，半透膜性能与孔的大小有关。

【渗透】被半透膜所隔开的两种液体，当处于相同的压强时，纯溶剂通过半透膜而进入溶液的现象，称为渗透。渗透作用不仅发生于纯溶剂和溶液之间，而且还可以在同种不同浓度溶液之间发生。低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度的溶液中。砂糖、食盐等结晶体之水溶液，易通过半透膜，而糊状、胶状等非结晶体则不能通过。渗透现象，在生物机体内发生的许多过程都与此有关。如各物浸于水中则膨胀；植物从其根部吸收养分；动物体内的养分，透过薄膜而进入血液中等现象都是渗透作用。

毛细现象的应用

试验三：毛细现象应用的可行性

器材：盛水皿，羊毛线，较大的木盒，棉花，绿豆10克

步骤：将棉花铺在盒底，均匀的放上绿豆，将羊毛线的一端放在棉花上，另一端通进盛满水的瓶中。进行长期的观察。

地面上的水会渗透到土壤里，形成地下水。土壤中的毛细现象，会使水向四周移动，维持土壤的湿润。

最新出现了一种以微小粒子为组装对象的自组装技术，它是分子自组装在组装对象上的延伸和拓展。由于组装对象的不同，微粒自组装的主要驱动力不再是

吸附作用，而是来自粒子间弯液面的毛细作用，由毛细作用驱动微粒聚集排列，形成二维有序聚集体系。利用这种技术，已成功实现纳米级的蛋白质[2,3]、病毒[3]、半导体微粒[4,5]，微米级的胶乳粒子[3,6]、聚合物粒子[7,8]，以及毫米量级的小物体[9]在液—固界面或液—液界面的自组装，这些自组装体系具有重要的应用和理论价值。这就是毛细作用驱动的微粒自组装。

工业无损探伤的方法很多，目前国内外最常用的探伤方法有五种，其中一种是渗透探伤。

渗透探伤是利用毛细现象来进行探伤的方法。对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色（常为红色）或带有荧光的、渗透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面。若表面有肉眼不能直接察知的微裂纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部。然后将表面的渗透液洗去，再涂上对比度较大的显示液（常为白色）。放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，原渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在白色的衬底上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状，因此，常称为着色探伤。若渗透液采用的是带荧光的液体，由毛细现象上升到表面的液体，则会在紫外灯照射下发出荧光，从而更能显示出裂纹露于表面的形状，故常常又将此时的渗透探伤直接称为荧光探伤。

设想

了解到了毛细现象在日常生活中的一些表现，一些作用，突然想到在真空条件下毛细现象会有怎样的变化呢？众所周知，液体在太空中会呈现球形，那么这个球形的的液滴在纸面上会不会发生毛细现象呢？汇合在地球上有什么不同吗？

在空间失重环境中，对流、沉积、浮力、静压力等现象都消失了，另外一些物理现象却显现出来。例如，液体的表面张力使液体在不和其他物体接触时，紧紧抱成一团，在空中悬浮；液体和其他物体接触时，液体在物体表面能无限制地自由延展。太空毛细现象加剧了液体的浸润性，气体泡沫能均匀地分布在液体中，不同密度的液体可均匀混合。真空和微重力环境是一种宝贵的资源。高真空或超高真空提供一种超洁净条件。微重力则提供一种重力影响很微弱的极端物理条件。如由重力引起的自然对流基本消除，扩散过程成为主要因素；流体中的浮力基本消失，不同液体密度引起的组分分离和沉浮现象消失，液体仅由表面张力约束；润湿和毛细现象加剧；流体静压消失。

所以虽然没有进行试验，但我们依然可以大胆推测：在太空中毛细现象是不会发生的，液体只会在固体表面延伸，不会沿着毛细管上升或下降。

总结

通过这次的研究性学习，我们不仅增长了不少知识，更重要的是我们的动手能力得到了培养，使我们不仅仅局限于对结论的“死记硬背”，让我们从已知的知识当中总结，让我们大胆的设想。当我们一次次的讨论、寻找资料的时候，我们已经不再局限于平时的思考模式。