房鑫盛

　　(中國石油大學理學院山東青島266580)

　　摘要：利用激光器照射低頻液體產(chǎn)生表面波衍射條紋，不對稱性隨表面波頻率的增大而非線性增加，同時推導(dǎo)出衍射條紋半角寬度與粘度之間的關(guān)系。利用自組實驗設(shè)備，獲得液體表面頻率在230Hz附近變化時的衍射圖樣，分析圖樣，驗證了液體粘度與半角寬度關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞：衍射條紋;半角寬度;粘滯系數(shù)

　　液體表面波是沿著液體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波[1]，在研究低頻液體表面波的光衍射現(xiàn)象時，我們發(fā)現(xiàn)低頻液體表面波衍射條紋是非對稱分布的[2]。光學方法探測物質(zhì)性質(zhì)，具有無損、非接觸、實時快捷等特點[1]。利用激光衍射法產(chǎn)生衍射條紋，通過對衍射因子和干涉因子的分析，得到衍射條紋空間分布與表面波波長的關(guān)系、條紋的半角寬度與入射激光光斑覆蓋表面波的個數(shù)和入射方向的關(guān)系、衍射光強度與表面波振幅的關(guān)系[3]。在借鑒前人得到的衍射條紋強度非對稱分布的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)建立了衍射波半角寬度與粘度分布的關(guān)系。

　　1實驗原理

　　液體表面粒子的運動較為復(fù)雜，但在振幅不太大時，通常把這種運動近似為正弦波：

　　根據(jù)計算結(jié)果及上述公式得出半角寬度△φ與低粘液體粘滯系數(shù)η的關(guān)系。

　　2實驗裝置及改進

　　2.1主要儀器：氦氖激光器、三角形框架激發(fā)器、蒸餾水、信號發(fā)生器、樣品池(足夠大，以使池中的水表面波可以看成為自由邊界)、激光器、光強分布測定儀(thelightintensitydistributioncryoscope)。

　　2.2測量方法及裝置改進：

　　在前人已有理論基礎(chǔ)上，搭建上述裝置進行實驗，最終算出的衰減系數(shù)誤差在10%左右。通過自主思考及實際操作，從以下四個方面進行改進。

　　1.探針方面，將實驗中原有的針狀探頭換成了三角形探頭，主要考慮通過改變探針形狀從而使探頭產(chǎn)生的波從點源向外擴散的方式變成橫向擴散，增強表面波方向性;

　　2.實驗裝置方面，增加緩沖墊減小測量數(shù)據(jù)時儀器間隙振動，增加實驗數(shù)據(jù)準確度。同時制作一個狹縫薄片加裝于光強探測儀的探頭上，目的是減少測量時環(huán)境光對實驗結(jié)果的影響，也比原有裝置增加了測量點，使捕獲的光增強，提高測量準確度;

　　3.搭載探頭的支架部分：用三維調(diào)節(jié)架置換了原有的自組實驗裝置，使實驗裝置與水槽不再接觸以減少多余振動，減弱“多余”光現(xiàn)象。三維調(diào)節(jié)架有三個調(diào)節(jié)軸，X,Y,Z軸，分別對固定在調(diào)節(jié)架上的表面波激發(fā)器進行前后、左右、上下移動，實現(xiàn)準確調(diào)節(jié)入射光斑與探針之間的X,Y,Z三維距離，方便進行數(shù)據(jù)分析。

　　4.改進數(shù)據(jù)分析方法，利用最小二乘法進行數(shù)據(jù)處理，對實驗數(shù)據(jù)進行完善。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如圖1：

　　圖1粘滯系數(shù)函數(shù)曲線

　　3結(jié)論

　　(1)理論上推導(dǎo)出低粘液體表面波衍射條紋半角寬度與粘度的關(guān)系，并通過多組實驗進行驗證，在現(xiàn)有實驗條件下進一步降低粘度測量誤差;

　　(2)利用光強分布測定儀和三維調(diào)節(jié)架等改進實驗裝置，分析數(shù)據(jù)并對圖樣進行處理，得到了準確穩(wěn)定的粘滯系數(shù)曲線。

　　4參考文獻

　　1羅道斌.低頻液體表面波衍射條紋的特征及表面波物理參量的測量[D].陜西：陜西師范大學，2007

　　2亞當森AW.物理化學.北京:高等教育出版社，1981:50—58

　　3苗潤才，楊宗立.液體表面波物理特性及其光學效應(yīng)的研究.物理學報，1996;45(9):1521—1525

　　4王偉麗，液體表面波衍射條紋強度不對稱性與頻率的關(guān)系.科學技術(shù)與工程，2012;12(26)：6739—6742

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