【最新】高中物理竞赛讲座讲稿固体与液体的性质

用心爱心专心高中物理竞赛讲座讲稿课题：固体与液体的性质一、基础知识部分（一）固体的特性（1）晶体与非晶体固体可以分为晶体与非晶体。晶体又可分为单晶体与多晶体。从本质上说，非晶体是粘滞性很大的液体。因此，固体严格地讲主要指晶体。晶体的特点：具有一定的熔点。在熔解或凝固的过程中，固、液态并存，温度保持不变。而单晶体，除此之外还具有天然的规则几何外形。物理性质（如弹性模量、导热系数、电阻率、吸收系数等）具有各向异性。多晶体是由许多小的单晶粒组成。（晶粒的线度约为10-3cm）由于晶粒的排列的无序性，故物理性质表现为各向同性。外形也不具有规则性。（2）晶体的微观结构所有的晶体从微观结构上看，都是大量的相同的粒子（分子或原子或离子，统称为结构基元）在空间周期性规则排列组成的。由这些结构基元在空间周期性排列的总体称之为空间点阵结构。每个几何点称之为结点。空间点阵是一种数学抽象。只有当点阵中的结点被晶体的结构基元代替后，才成为晶体结构。各粒子（即结构基元）并不是被束缚在结点不动，而是在此平衡位置不停地无规则振动。由于这种周期性的并且有某种对称性晶体点阵的规则排列，决定了晶体宏观上的规则的天然几何形状决定了物理性质呈现出出各向异性。又由于晶体的空间点阵决定的每个粒子所保持的严格的相互位置关系，即结合关系，当晶体被加热时达到瓦解程度的温度是一样的，不断加热，不断对结合关系进行瓦解直到瓦解完成，完全变成液体，温度始终不必升高。因此，晶体有一定的熔点。（3）物体的热膨胀在外界压强不变的条件下，物体的长度、面积、体积随温度升高而增加的现象叫热膨胀。在相同的条件下，气体、液体、固体的热膨胀不同。气体最显著，固体最不明显。也有极少数物质，在某一温度范围内（如：水在0℃～4℃）当温度升高时体积反而减小。这种现象叫反常膨胀。水、锑、铋、铸铁等都有反常膨胀。在温度变化范围不太大时，线度膨胀近似遵从如下关系：l=l0（1+αt）或△l=αl△T式中的α叫膨胀系数。一般金属的膨胀系数约为10-5/度。大多数物体都具有热胀冷缩的性质，在一定的温度下固体的线度(如长度、直径、周长)是一定的，当温度升高时固体的线度会增加．设温度为0℃时固体的长度0l，温度升高到t℃时长度为tl，长度增量0tlll与温度的增量tt成正比，也跟0l成正比，即00tlllt，0(1)tllt．式中称为固体的线膨胀系数，与材料的性质有关，其数量级为10－6K－1～10－5K－1．当固体的线度发生膨胀时，固体的表面积和体积也在发生膨胀，分别称为面膨胀和体膨用心爱心专心胀，其变化规律分别为0(1)tSSt，0(1)tVVt．式中0S、0V分别为固体在0℃时的表面积和体积，、分别为面胀系数和体胀系数．对于各向同性的固体有：2，3．（二）液体的性质液体的性质一方面像固体具有一定的体积，不易压缩，另一方面像气体，没有一定的形状，具有流动性。而且物理性质也具有各向同性。液体的这种宏观特性是由于其微观结构决定的。液体分子具有近程有序，远程无序的特点。液体分子的热运动与固体相近。但与固体相比，液体分子结构松散，间隙较大，液体分子不会长时间在一个固定的平衡位置上振动，而是不断变化的，因而导致宏观上出现液体具有流动性。（1）液体的表面张力液体与气体相互接触有液体薄层（厚度为10-9m）称为表面层。液体的表面层有如一张紧的弹性薄膜，有收缩趋势。因此表面内有不定期定的张力，液体的表面出现的张力叫表面张力。设液体的表面有一长为L的线段，线段两边的液面间相互作用力为：f=σl式中的σ称为液体的表面张力系数。数值上等于作用在单位长度线段上的表面张力单位：N/m。表面张力系数与液体的成分、性质及温度有关。与液面的大小无关。（2）液体的表面张力系数液体的表面层存在表面张力而具有收缩趋势，要扩大液面就要做功。如图所示：为一沾有液膜的金属框长为L的BC边可以自由滑动，由于所张的液膜有两个面。故有：W=F△x=2σl△x=σ△S∴σ=W/△S单位：J/m2。（3）任意弯曲液面内外的压强差假设有一个弯曲的液面如图所示，图（a）中的O点是曲面上的任意一个点，ON为曲面上O点处的法线方向/包含ON的两个互相垂直的平面P1和P2在曲面上截出曲线A1OB1和A2OB2（称为小曲面的两个正截面）。对于任意一个确定的球面，正截口都是圆，且半径为此球面的半径。对于任意一个曲面，通过同一点O的各个不同的正截口，属不同的几何曲线，有不同的曲率半径。几何学上可以证明：过O点的任意一对相互垂直的正截口曲线的曲率之和（2111RR）为一定值，并称此定值为曲面在O点的平均曲率，曲率中心在球面内时R1和R2为正值，在液面外时则取负值。如右下图所示，在液面上过O点的小曲面上取非常小的以EFGHE曲线为边界的四边形，并设：A1B1=EF=HG=△l2，A2B2=HE=GF=△l1，小曲面边缘HE、GF受到表面张力△f1和△f2。此微小曲面的切向分力相互抵消，法向分量的合力为：△f1’+△f2’=△f1sin△φ1+△f2sin△φ1FADCBA1A2B1B2OR1R2C1C2P2P1NA1A2B1OR1R2C1C2B2△f2△f2”△f1△f2’△f1”△f1’△φ1HEFG用心爱心专心=2σ△l1△φ1=σ△l1A1B1/R1=σ△l1△l2/R1=σS/R1同样可以得到小曲面边缘EF、HG受到表面张力法向分量的合力为：△f=σ（2111RR）利用小液面的平衡条件，不计小液面的重力，弯曲液面必须提供一个附加压强，（也称压超）△P=σ（2111RR）（此式即为拉普拉斯方程）。对于球面，R1=R2=R。附加压强为：△P=σR2，对于球面液膜（如肥皂泡），球内外的压强差为：△P=R4。（4）浸润与不浸润、接触角液体与固体相互接触的一层很薄的液体层叫附着层。在附着层内液体分子与固体分子间的吸引力叫附着力。在附着层内液体分子与内部液体分子间的吸引力叫内聚力。若附着力大于内聚力，产生液体浸润固体现象；若附着力小于内聚力，产生液体不浸润固体现象。在液体与固体的接触处作液体表面的切线与固体表面的切线，这两切线通过液体内部所成的角度θ称为接触角。当θ＜π/2（锐角）时，液体浸润固体，当θ＞π/2（钝角）时，液体不浸润固体，当θ=π时，液体完全不浸润固体。当0时，称为完全浸润，如酒精与玻璃。在细管内，若液体能浸润细管，则管内液面呈凹弯月面，如图(b)所示；若液体不能浸润细管，则管内液面呈凸弯月面，如图(a)所示．若是完全浸润，则凹弯月面是以管径为直径的凹半球面：若是完全不浸润，则凸弯月面是以管径为直径的凸半球面．（5）毛细现象浸润管壁的液体在细管内的液面升高,不浸润管壁的液体在细管内液面下降的现象称为毛细现象.能够发生毛细现象的管子叫毛细管.如图(a)、(b)所示。对于液体浸润管壁的情形，液面为凹面，设大气压强为P0，则有关系：gRhghPghPPRPPBAA2200其中R为凹面曲率半径，它与管半径的关系为：θθ（a）（b）液液附着层附着层hhABAB液液ab平板玻璃玻璃管水水银（a）不浸润（b）浸润用心爱心专心cosrRgrcosh2同样这个公式对（b）中的情况也是正确的。只要各取相应的接触角θ，并且h的代表值，即上升时h＞0，下降时h＜0。（三）物态变化物态变化就是在一定条件下物质的三种存在状态的变化，即固态、液态、气态之间的相互转化，这些变化如右图所示．物质由液态变为气态的过程叫汽化，在液体表面发生的汽化即蒸发．在密闭容器中，当因蒸发而使汽化达到动态平衡时；此时的蒸气叫饱和汽，它的压强叫饱和汽压(sp)，饱和汽压的大小与液体的种类及有无杂质有关；对于同一种液体，饱和汽压随温度的升高而增大；在温度不变的情况下，饱和汽的压强不随体积而变化．气体实验定律对饱和汽不适用．未达到动态平衡的蒸汽叫未饱和汽，它近似遵守理想气体状态方程；在液体表面和内部同时发生的汽化叫做沸腾．液体的内部和容器的器壁上存在小气泡，气泡内的总压强是气泡内空气的压强amRTpMV和液体的饱和汽压久的sp的总和；气泡外的压强是液面上的外界压强p外、液体静压强gh与气泡的表面张力所引起的附加压强2r之和，在通常情况下，gh、2r与p外相比可以忽略不计．因此，在某一温度下，液体内气泡的平衡条件可以近似地表示为smRTppMV外．当液体温度升高时，sp增大，同时由于温度升高和汽化，气泡通过体积的增大，导致ap减小，这样在新的条件下实现与p外的平衡．但当温度升高到使spp外时，这时无论气泡体积如何增大也不能实现平衡，即气泡处于非平衡态，此时骤然胀大的气泡，在浮力的作用下，迅速上升到液面破裂后排出蒸气，整个液体剧烈汽化，形成沸腾现象．所以，液体沸腾的条件是液体的饱和汽压等于外界压强，且此时的温度称为沸点．对于同种液体，沸点与液面上的压强有关，压强越大，沸点越高；沸点还与液体的种类有关．地球表面不断地进行着水分的蒸发，空气中总会有水蒸气，而空气中所含水汽的多少决定了空气的潮湿程度．空气的湿度通常定义为：①绝对湿度(p)，即空气中所含水汽的分压强大小．②相对湿度(B)，某温度下空气的绝对湿度跟同一温度下水的饱和汽压的百分比：固液态固态气态熔化化化汽化凝升化凝液用心爱心专心100%spBp，sp表示同一温度下水的饱和汽压，不同温度下水的饱和汽压可以查表得到．空气中未饱和的水蒸气，当气温逐渐降低时会逐渐接近饱和，当气温降低到使空气中的水蒸气刚好达到饱和时的温度叫露点．空气中所含的水蒸气越多，只要降低少许温度，就可达到露点；相反，如果空气中所含的水蒸气较少，则要降低较多的温度才能达到露点．因此气温与露点差值越小，空气中水蒸气离饱和状态越近，空气中的相对湿度越大；反之相对湿度就越小．当夜间的气温降到露点以下，且气温高于0℃，就会出现露水，这是水蒸气的液化；当夜间的气温降到露点以下，且气温低于0℃，就会出现霜，这是水汽的凝华；如果夜间的气温虽在0℃以下，但仍高于露点，就不会出现霜．各种气体都有一个特殊温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强也不能使气体液化，这个温度称为气体液化的临界温度．物质从固态直接转变为气态的过程称为升华，其逆过程称为凝华．升华时组成物质的粒子直接由空间点阵变为自由分子，这一方面要克服粒子间结合力做功，另一方面还要克服外界压强做功．使单位质量的固态物质升华时所吸收的热量称为升华热，它等于汽化热与熔解热之和，即LLL升熔汽＝＋．将同一物质的液体、固体和上方的饱和汽压随温度变化的汽化曲线CK和升华曲线CS，以及熔点随压强变化的熔解曲线CL，同时画在图上，就能标出固、液、气三态存在的区域；每条曲线对应着两态平衡共存的情况；三条曲线的交点C(三相点)，对应着三态平衡共存的状态．如图15—11所示是水的三相图，水的三相点是(C点)T＝273.16K(0.01℃)，p＝6.106102Pa(6.010-3atm)，图中标度仅示意．（四）热传递方式热传递的方式有三种：对流、热传导和热辐射．下面具体说说热传导和热辐射．物体或物体系由于各处温度不同引起的热量从温度较高处传递到温度较低处的现象叫热传导．是固体中热传递的主要形式，在气体和液体中热传导往往和对流同时发生．从分子动理论的观点来看，温度较高的物体的分子的平均热运动的能量大，温度较低的物体的分子平均热运动能量小，通过分子间的相互碰撞，一部分内能将从温度高处传递到温度低处．如果导热物体各点的温度不随时间变化，这种导热过程称为稳定导热，在这种情况下，考虑长度为l，横截面积为S的柱体，两端截面处的温度为了1T、2T，且1T＞2T，则热量沿着柱体长度方向传递，在t时间内通过横截面S所传递的热量为12TTQkStl式中k为物质的导热系数．物体因自身的温度变化而向外发射能量，发射出的是不同波长的电磁波，这种现象叫热辐射，其特点是不依靠气体或液体的流动，又不依靠分子间的碰撞来传导，因此在真空环境0/t℃/atmpO0.01374.151001