液體表面波衍射條紋的不對(duì)稱性及液體參數(shù)測(cè)量.pdf

1、表面波是傳播能量集中于介質(zhì)表面的一種彈性波。表面波沿介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，它攜帶大量的表面信息。因此表面波的研究引起了越來越多的重視。與體相相比，液體表面無論在組成、結(jié)構(gòu)、分子所處的能量狀態(tài)，以及受力情況等方面都有差異，這些差異使液體表面具有某些特殊的性質(zhì)，通過研究這些特性，可以獲得液體的某些參數(shù)。光學(xué)方法是研究物質(zhì)性質(zhì)的重要手段，通過研究光在液體表面的衍射、反射、折射等行為，可以測(cè)得液體的某些參數(shù)。該方法廣泛用于流體力學(xué)，海洋光學(xué)等領(lǐng)域。本文

2、也是利用光學(xué)的方法來研究液體表面及表面波的特性。 通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，主要得到以下結(jié)論： 1．對(duì)于頻率為幾百赫茲的低頻液體表面波，實(shí)驗(yàn)上觀察到了清晰、穩(wěn)定、反襯度很高的衍射條紋，并發(fā)現(xiàn)衍射條紋的強(qiáng)度及位置具有明顯的不對(duì)稱分布。把拍攝到的衍射條紋數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)編程，得到衍射條紋的強(qiáng)度隨位置的分布曲線，讀出各級(jí)衍射條紋的強(qiáng)度及位置，同時(shí)求出對(duì)于同一級(jí)次衍射條紋，正負(fù)級(jí)次衍射條紋與零級(jí)衍射條紋間距比及強(qiáng)度比。從實(shí)

3、驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著衍射條紋級(jí)次的增高，衍射條紋的位置及強(qiáng)度的不對(duì)稱性越明顯。 2．理論上將表面波看作是一位相型光柵，推導(dǎo)出衍射條紋的強(qiáng)度與表面波的解析關(guān)系。對(duì)衍射條紋的位置及半角寬度的近似條件進(jìn)行分析，分別解釋了衍射條紋位置及強(qiáng)度的不對(duì)稱分布規(guī)律。理論分析得到：一般情況下，低頻液體表面波的衍射條紋的強(qiáng)度及位置都是非對(duì)稱分布的，只有在垂直入射的條件下，衍射條紋的強(qiáng)度及位置才是對(duì)稱分布的。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。 3．基于

4、這種低頻液體表面波的光衍射效應(yīng)，提出了一種測(cè)量液體表面張力及粘滯系數(shù)的光學(xué)方法。理論上導(dǎo)出了表面張力與表面波波矢量、粘滯系數(shù)與表面波衰減系數(shù)和表面波波矢量之間的解析關(guān)系，進(jìn)一步給出表面波衰減系數(shù)和波矢量與衍射圖樣的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)上給出了測(cè)量裝置，觀察到高清晰穩(wěn)定的液體表面波衍射條紋，衍射圖樣隨表面波傳播距離的變化，衍射條紋強(qiáng)度隨表面波傳播距離的變化，得到了表面波衰減曲線，以水為例，測(cè)得了水的表面張力及粘滯系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得水的表面張力為53.4

5、×10<'-3>Nm<'-1>，水的粘滯系數(shù)為0.730×10<'-3>N.m/s<'2>。多次重復(fù)，所測(cè)的數(shù)據(jù)沒有多大的變化，傳統(tǒng)方法所測(cè)純水的表面張力及粘滯系數(shù)的公認(rèn)值分別為72.8×10<'-3>Nm<'-1>、1.018×10<'-3>N.m/s<'2>。相對(duì)而言，所測(cè)的表面張力及粘滯系數(shù)略小于公認(rèn)值。一般來講，少量的溶質(zhì)將會(huì)使液體的表面張力減小，進(jìn)而降低液體的粘滯系數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)水槽是一個(gè)開放系統(tǒng)，空氣中的雜質(zhì)會(huì)吸附在液體的表面，