房鑫盛

　　(中國(guó)石油大學(xué)理學(xué)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(duì)稱性隨表面波頻率的增大而非線性增加，同時(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備，獲得液體表面頻率在230Hz附近變化時(shí)的衍射圖樣，分析圖樣，驗(yàn)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(shí)，我們發(fā)現(xiàn)低頻液體表面波衍射條紋是非對(duì)稱分布的[2]。光學(xué)方法探測(cè)物質(zhì)性質(zhì)，具有無(wú)損、非接觸、實(shí)時(shí)快捷等特點(diǎn)[1]。利用激光衍射法產(chǎn)生衍射條紋，通過(guò)對(duì)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(zhǎng)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(gè)數(shù)和入射方向的關(guān)系、衍射光強(qiáng)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(qiáng)度非對(duì)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(shí)驗(yàn)原理

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

　　根據(jù)計(jì)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(shí)驗(yàn)裝置及改進(jìn)

　　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(hào)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(qiáng)分布測(cè)定儀(thelightintensitydistributioncryoscope)。

　　2.2測(cè)量方法及裝置改進(jìn)：

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

　　1.探針?lè)矫�，將�?shí)驗(yàn)中原有的針狀探頭換成了三角形探頭，主要考慮通過(guò)改變探針形狀從而使探頭產(chǎn)生的波從點(diǎn)源向外擴(kuò)散的方式變成橫向擴(kuò)散，增強(qiáng)表面波方向性;

　　2.實(shí)驗(yàn)裝置方面，增加緩沖墊減小測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)儀器間隙振動(dòng)，增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。同時(shí)制作一個(gè)狹縫薄片加裝于光強(qiáng)探測(cè)儀的探頭上，目的是減少測(cè)量時(shí)環(huán)境光對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，也比原有裝置增加了測(cè)量點(diǎn)，使捕獲的光增強(qiáng)，提高測(cè)量準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)裝置與水槽不再接觸以減少多余振動(dòng)，減弱“多余”光現(xiàn)象。三維調(diào)節(jié)架有三個(gè)調(diào)節(jié)軸，X,Y,Z軸，分別對(duì)固定在調(diào)節(jié)架上的表面波激發(fā)器進(jìn)行前后、左右、上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

　　4.改進(jìn)數(shù)據(jù)分析方法，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。實(shí)驗(yàn)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(guò)多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)一步降低粘度測(cè)量誤差;

　　(2)利用光強(qiáng)分布測(cè)定儀和三維調(diào)節(jié)架等改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，分析數(shù)據(jù)并對(duì)圖樣進(jìn)行處理，得到了準(zhǔn)確穩(wěn)定的粘滯系數(shù)曲線。

　　4參考文獻(xiàn)

　　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(cè)量[D].陜西：陜西師范大學(xué)，2007

　　2亞當(dāng)森AW.物理化學(xué).北京:高等教育出版社，1981:50—58

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

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

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