高中物理竞赛讲座讲稿：固体与液体的性质.doc

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高中物理竞赛讲座讲稿
课题：固体与液体的性质
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，温度升高到℃时长度为，长度增量与温度的增量成正比，也跟成正比，即，．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胀，其变化规律分别为，．
式中、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：，．

（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。
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。
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。
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（）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