题目
把一半径为r的毛细管插在密度为ρ的液体中,液体上升高度为h,若接触角为θ,则液体的表面张力系数为:A. ρghr/2CosθB. ρghCosθ/2rC. ρghr/CosθD. ρghCosθ/r
把一半径为r的毛细管插在密度为ρ的液体中,液体上升高度为h,若接触角为θ,则液体的表面张力系数为:
A. ρghr/2Cosθ
B. ρghCosθ/2r
C. ρghr/Cosθ
D. ρghCosθ/r
题目解答
答案
A. ρghr/2Cosθ
解析
考查要点:本题主要考查毛细现象中液体上升高度与表面张力系数的关系,需要结合液体表面张力的平衡条件进行推导。
解题核心思路:
液体在毛细管中上升是表面张力与重力平衡的结果。表面张力产生的向上力需等于液体柱的重量。关键在于正确分析表面张力的垂直分量,并建立平衡方程。
破题关键点:
- 表面张力的垂直分量:表面张力作用在液体表面周长($2\pi r$)上,接触角$\theta$的余弦分量参与平衡。
- 液体柱的重量:体积为$\pi r^2 h$,重量为$\rho g \pi r^2 h$。
- 平衡方程:将两部分相等,消去公共因子后解出表面张力系数$\gamma$。
步骤1:建立平衡方程
表面张力的垂直分量为$\gamma \cdot 2\pi r \cdot \cos\theta$(周长$2\pi r$,垂直分量$\cos\theta$),液体柱重量为$\rho g \pi r^2 h$。
平衡条件:
$\gamma \cdot 2\pi r \cdot \cos\theta = \rho g \pi r^2 h$
步骤2:消去公共因子
两边同时除以$\pi r$:
$\gamma \cdot 2 \cos\theta = \rho g r h$
步骤3:解出$\gamma$
整理得:
$\gamma = \frac{\rho g h r}{2 \cos\theta}$