为什么水滴是球体的形状

来源 :中学生数理化·八年级物理人教版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:AJ0704
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  读者“飞扬”问:“为什么水滴是球体的形状,而不是其他的形状呢?”要回答这个问题。要从液体的表面张力说起。
  很多现象说明,液体的表面犹如张紧的弹性薄膜,它有收缩的趋势,例如,我们小心地将一枚细小的钢针横放在水面上,钢针不会下沉,仅仅将液面压下,略显弯形,既然液体表面像张紧的弹性薄膜,则表面内一定存在着张力,我们可以用一个简单的实验来显示液体表面有张力的现象。
  图1所示的是用金属丝弯成的一个框架。它的右边(AB)是可以滑动的,现将框架浸入肥皂水中后拿出,可在框架内形成肥皂水薄膜,肥皂水液面因存在表面张力而有收缩的趋势,若要加大液体的表面积,必须对图1中的AB边施加一个向右的外力F.如果在施力的过程中,AR边做匀速运动,说明在液体表面积扩大的过程中,F与液面向左边收缩的表面张力相平衡,这就是说,在扩大液体表面的过程中,外力因克服液体表面张力而对液体表面做了功,根据能量守恒定律。外力所做的功就转化成液体表面的能量(简称表面能)。
  上述的实验不仅说明液体表面因存在表面张力而具有收缩的趋势,而且说明液体表面具有一定的能量,不同液体的表面张力情况各异。我们常用表面张力系数来表示它们的不同,表面张力系数的一个定义是:在某温度下的表面张力系数,在数值上等于增加单位液体表面积时所增加的表面能,纯水的表面张力系数要比肥皂水的表面张力系数大,说明在增加同样液体表面积的情况下,肥皂水所需的能量要比纯水的小,由几何知识可知,物体在一定体积条件下,在各种形体中,球体的表面积最小。这就是说一定体积的水,取球体形状时表面积最小,由于表面能与表面积成正比,所以球体表面具有最小的表面能,在一般自然情况下,物体都处在最低的能量状态,因此在一般情况下,水滴的形状是球体的。
  若将一定体积的水(如一杯水)都化成具有一定半径的水珠,由于这些水珠的总表面积比一杯水的表面积增加了许多,水液面的表面能也就增加了许多,所以,将一杯水化成许许多多的水珠,外界是需要做一定功的,例如,家庭用的加温器就是这种情况,相反,天空下雨,许许多多的雨滴落在湖里,均化成湖水,则许许多多的雨滴表面能都转化成湖水的能量,此外,下落的雨滴具有一定的速度,即具有一定的动能,如果雨滴的温度和下雨前的湖水温度是相同的,那么,从原理上讲,下雨后的湖水温度应该稍稍有所提高。
  责任编辑 蔡华杰
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