低粘液体表面波衍射条纹半角宽度与粘度关系的分析

所属栏目：物理教学论文
发布时间：2011-02-25 11:14:06  更新时间：2025-01-06 17:02:11

　　房鑫盛

　　(中国石油大学理学院山东青岛266580)

　　摘要：利用激光器照射低频液体产生表面波衍射条纹，不对称性随表面波频率的增大而非线性增加，同时推导出衍射条纹半角宽度与粘度之间的关系。利用自组实验设备，获得液体表面频率在230Hz附近变化时的衍射图样，分析图样，验证了液体粘度与半角宽度关系。

　　关键词：衍射条纹;半角宽度;粘滞系数

　　液体表面波是沿着液体表面传播的一种弹性波[1]，在研究低频液体表面波的光衍射现象时，我们发现低频液体表面波衍射条纹是非对称分布的[2]。光学方法探测物质性质，具有无损、非接触、实时快捷等特点[1]。利用激光衍射法产生衍射条纹，通过对衍射因子和干涉因子的分析，得到衍射条纹空间分布与表面波波长的关系、条纹的半角宽度与入射激光光斑覆盖表面波的个数和入射方向的关系、衍射光强度与表面波振幅的关系[3]。在借鉴前人得到的衍射条纹强度非对称分布的基础上，推导建立了衍射波半角宽度与粘度分布的关系。

　　1实验原理

　　液体表面粒子的运动较为复杂，但在振幅不太大时，通常把这种运动近似为正弦波：

　　根据计算结果及上述公式得出半角宽度△φ与低粘液体粘滞系数η的关系。

　　2实验装置及改进

　　2.1主要仪器：氦氖激光器、三角形框架激发器、蒸馏水、信号发生器、样品池(足够大，以使池中的水表面波可以看成为自由边界)、激光器、光强分布测定仪(thelightintensitydistributioncryoscope)。

　　2.2测量方法及装置改进：

　　在前人已有理论基础上，搭建上述装置进行实验，最终算出的衰减系数误差在10%左右。通过自主思考及实际操作，从以下四个方面进行改进。

　　1.探针方面，将实验中原有的针状探头换成了三角形探头，主要考虑通过改变探针形状从而使探头产生的波从点源向外扩散的方式变成横向扩散，增强表面波方向性;

　　2.实验装置方面，增加缓冲垫减小测量数据时仪器间隙振动，增加实验数据准确度。同时制作一个狭缝薄片加装于光强探测仪的探头上，目的是减少测量时环境光对实验结果的影响，也比原有装置增加了测量点，使捕获的光增强，提高测量准确度;

　　3.搭载探头的支架部分：用三维调节架置换了原有的自组实验装置，使实验装置与水槽不再接触以减少多余振动，减弱“多余”光现象。三维调节架有三个调节轴，X,Y,Z轴，分别对固定在调节架上的表面波激发器进行前后、左右、上下移动，实现准确调节入射光斑与探针之间的X,Y,Z三维距离，方便进行数据分析。

　　4.改进数据分析方法，利用最小二乘法进行数据处理，对实验数据进行完善。实验结果数据如图1：

　　图1粘滞系数函数曲线

　　3结论

　　(1)理论上推导出低粘液体表面波衍射条纹半角宽度与粘度的关系，并通过多组实验进行验证，在现有实验条件下进一步降低粘度测量误差;

　　(2)利用光强分布测定仪和三维调节架等改进实验装置，分析数据并对图样进行处理，得到了准确稳定的粘滞系数曲线。

　　4参考文献

　　1罗道斌.低频液体表面波衍射条纹的特征及表面波物理参量的测量[D].陕西：陕西师范大学，2007

　　2亚当森AW.物理化学.北京:高等教育出版社，1981:50—58

　　3苗润才，杨宗立.液体表面波物理特性及其光学效应的研究.物理学报，1996;45(9):1521—1525

　　4王伟丽，液体表面波衍射条纹强度不对称性与频率的关系.科学技术与工程，2012;12(26)：6739—6742

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