CN113495041B - 一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法，属于液体表面张力和粘滞系数测量技术领域，包括光传感器组件、振荡发生器组件、盛水盘、高度调节机构、激光源、光照度计、游标卡尺、光屏、木质平台、刻度尺、游标、触发条、光传感器组件滑轨和导轨，所述木质平台的一端上表面通过光传感器组件滑轨滑动连接有光传感器组件，所述木质平台的中部上表面固定连接有盛水盘，所述盛水盘的一侧安装有高度调节机构，所述高度调节机构上连接有导轨，所述导轨滑动连接有振荡发生器组件，所述木质平台的另一端放置有激光源。通过水表面张力波的衍射，同时测量并确定给定水样品的表面张力和黏度。

Description

一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法
技术领域
本发明涉与液体表面张力和粘滞系数测量技术领域，特别涉与一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法。
背景技术
在液体表面，波的形成和传播是非常重要并被广泛研究的现象，1979年，G.Weisbuch等人首次提出了利用液体表面波来实现光衍射，并以此建立了表面张力的光学测量方法.对于这种波。振荡液体的回复力部分是重力，部分是表面张力.当波长小于某一临界波长λc，可以仅考虑表面张力。
Figure BDA0002417014440000011
此处σ是表面张力，ρ是液体密度，g是重力加速度。
而在一般范围内，用粘稠度来形容液体粘稠的程度。具体来说，主要用粘度来表征。通俗的讲，粘度是通过物体在液体内部运动所受阻力来测定的(旋转粘度计)。如果物体在液体内部以一定的速度运动所受阻力大，则液体粘度就比较大，反之亦然。目前对于液体的表面张力和粘稠度均是通过仪器单一测量、记录和计算的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法，通过水表面张力波的衍射，同时测量并确定给定水样品的表面张力和黏度，可以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，包括光传感器组件、振荡发生器组件、盛水盘、高度调节机构、激光源、光照度计、游标卡尺、光屏、木质平台、刻度尺、游标、触发条、光传感器组件滑轨和导轨，所述木质平台的一端上表面通过光传感器组件滑轨滑动连接有光传感器组件，所述光传感器组件上安装有光屏，且光传感器组件电性连接有光照度计，所述光屏与游标卡尺相连接，所述木质平台的中部上表面固定连接有盛水盘，所述盛水盘的一侧安装有高度调节机构，所述高度调节机构上连接有导轨，所述导轨滑动连接有振荡发生器组件，所述振荡发生器组件包括刻度尺、游标和触发条，所述刻度尺位于导轨外侧壁上，所述游标与导轨滑动连接，所述振荡发生器组件下端的触发条延伸至盛水盘水面中，所述木质平台的另一端放置有激光源。
进一步地，所述触发条上开设有小孔，激光源、小孔和光屏位于同一条直线上。
进一步地，所述木质平台的上方设有塑料罩。
进一步地，所述激光源、振荡发生器组件和光传感器组件均连接有直流电源，直流电源为蓄电池、插座中的一种或多种。
进一步地，所述木质平台的下端安装有螺栓。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验方法，包括如下步骤：
S1：实验前预准备；
将激光源导线插入直流电源插孔，并调整激光源至特殊的入射角；
使用量筒量出500ml水倒入盛水盘中，并通过高度调节机构调整振荡发生器组件垂直位置，将振荡发生器组件的触发条一半放置在水中，小孔位于水面上方，沿导轨移动振荡发生器组件水平位置，使游标位于刻度尺上的8.0cm处，并调节振荡发生器组件频率至100Hz；
利用光传感器组件滑轨水平方向调整木质平台和光传感器组件的水平位置，利用游标卡尺调节光传感器组件垂直位置，使激光光点准确进入光屏；
S2：测量激光束和水面的夹角θ；
S3：确定所给的水样品的表面张力σ；
S4：确定衰减常量δ和液体的黏度η。
进一步地，S2中，以合适的步长沿轨道移动光传感器组件，记录X方向位移和相应的Y方向上激光点的位移，画出X-Y关系图，并由其斜率确定θ角度，单位为度。
进一步地，S2中调节正弦波振幅使光照度计的读数在A挡位且显示值为100。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法，由于液体表面波长远小于临界波长的表面张力波，表面张力是液体的一个特性，液体表面就像延展的薄膜，当表面被扰动，该扰动的传播就如同薄膜上形成的波，用电驱动振荡器在水面产生波，当激光束以某一角度掠入射到这些表面波，这些表面波就像是反射光栅，可以产生清晰的衍射图样；在传播过程中，表面张力波逐渐衰减，振幅逐渐减小，这一衰减是由于液体的黏滞性引起的，液体的黏滞性将导致毗邻液体层之间的相对运动受阻；因此该装置可通过水表面张力波的衍射，同时测量并确定给定水样品的表面张力和黏度。
附图说明
图1为本发明的实验装置的整体结构图；
图2为本发明图1中A处局部放大图；
图3为本发明的触发条和水面位置图；
图4为本发明的实验方法原理图；
图5为本发明图4中B处局部放大图；
图6为本发明的实验方法S2中的X-Y关系图；
图7为本发明的实验方法流程图。
图中：1、光传感器组件；2、振荡发生器组件；3、盛水盘；4、塑料罩；5、高度调节机构；6、激光源；7、光照度计；8、游标卡尺；9、光屏；10、木质平台；11、直流电源；12、刻度尺；13、游标；14、触发条；141、小孔；15、光传感器组件滑轨；16、导轨。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-3，一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，包括光传感器组件1、振荡发生器组件2、盛水盘3、高度调节机构5、激光源6、光照度计7、游标卡尺8、光屏9、木质平台10、刻度尺12、游标13、触发条14、光传感器组件滑轨15和导轨16，木质平台10的一端上表面通过光传感器组件滑轨15滑动连接有光传感器组件1，光传感器组件1上安装有光屏9，且光传感器组件1电性连接有光照度计7，光屏9与游标卡尺8相连接，木质平台10的中部上表面固定连接有盛水盘3，盛水盘3的一侧安装有高度调节机构5，高度调节机构5为LWS-ZJ-1型号的升降立柱，高度调节机构5上连接有导轨16，导轨16滑动连接有振荡发生器组件2，振荡发生器组件2包括刻度尺12、游标13和触发条14，触发条14上开设有小孔141，激光源6、小孔141和光屏9位于同一条直线上，激光源6波长为635nm，刻度尺12位于导轨16外侧壁上，游标13与导轨16滑动连接，振荡发生器组件2下端的触发条14延伸至盛水盘3水面中，木质平台10的另一端放置有激光源6，木质平台10的下端安装有螺栓，旋转螺栓能够水平旋转木质平台10，木质平台10的上方设有塑料罩4，该塑料罩4采用不透光不透风的有色塑料制成，遮光防风，避免影响实验结果，触发条14能够更换为探针，激光源6、振荡发生器组件2和光传感器组件1均连接有直流电源11，直流电源11为蓄电池、插座中的一种或多种。
参阅图4-7，为了更好的展现液体表面张力和粘滞系数测量的实验的流程，本实施例现提出一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验方法，包括如下步骤：
S1：实验前预准备；
S101：将激光源6导线插入直流电源11插孔，并调整激光源6至特殊的入射角，激光源6用于发出激光束，激光束照射在水面波上发生衍射，衍射图样呈现在光屏9上，启动激光源6，将反射光点定位在光传感器组件1上，光传感器组件1沿着光传感器组件滑轨15来回移动，其中激光光点垂直运动且不与垂直方向产生夹角，若激光光点和光屏9中光孔中心重合，则光照度计7示数最大；
S102：使用量筒量出500ml水倒入盛水盘3中，并通过高度调节机构5调整振荡发生器组件2垂直位置，将振荡发生器组件2的触发条14一半放置在水中，小孔141位于水面上方，沿导轨16移动振荡发生器组件2水平位置，使游标13位于刻度尺12上的8.0cm处，并调节振荡发生器组件2频率至100Hz，振荡发生器可以水平地前后移动，振荡发生器位置指针指示了刻度尺12上的振荡发生器的位置，并且记录数据时，为了保护水面不受气流影响，请将塑料罩4盖帘放下；
S103：利用光传感器组件滑轨15水平方向调整木质平台10和光传感器组件1的水平位置，利用游标卡尺8调节光传感器组件1垂直位置，使激光光点准确进入光屏9；
S2：测量激光束和水面的夹角θ；以合适的步长沿轨道移动光传感器组件1，记录X方向位移和相应的Y方向上激光点的位移，画出X-Y关系图，并由其斜率确定θ角度，单位为度，调节正弦波振幅使光照度计7的读数在A挡位且显示值为100；
S3：确定所给的水样品的表面张力σ；
从衍射理论可知：
Figure BDA0002417014440000061
表面张力波的波数k＝2πλw，λw和λL分别是表面张力波和激光波长.角γ是中央主极大和1级主极大的角间距.表面张力波的振动频率f与波数k有关
Figure BDA0002417014440000062
其中ω＝2πf，ρ是水的密度；
将光传感器组件1用螺钉固定木质平台10的远端，选择光照度计7的适合的量程；振荡发生器组件2，使其位置游标13指向水平刻度尺12的7.0cm处；设置正弦波频率为60Hz，调节振幅以便衍射图样的1级、2级主极大都能清晰可见；测量光传感器光孔和盛水盘外边缘的距离L1，激光掠过水面时，将看见一条线，该线中心是激光入射点，测量该点与盛水盘3外边缘的距离L2，计算出L＝L1+L2；测量中央主极大上方和下方的2个2级主极大之间的间距，并由此计算x1，记录数据以恰当的步长10Hz逐渐增加频率，重复测量数据；选择恰当形式的变量画出合适的关系线，由其斜率得出q的值，并根据数据求出q的值，对于合适的整数值q，由方程式
Figure BDA0002417014440000063
以和
Figure BDA0002417014440000064
为f2画出合适的关系线，由其斜率得出σ的值，其中ρ＝1000kg·m－3；
S4：确定衰减常量δ和液体的黏度η；
表面张力波由于水的黏性而衰减，波振幅h随距离s发生指数衰减，s为距振荡发生器的距离，因此有h＝h0e-δs；
此处h0是振荡发生器处表面张力波的振幅，δ为衰减常量.实验上，振幅h0与振荡发生器组件2所加电压V有关：h0∝(V)0.4，衰减常量与液体的黏度有关，
Figure BDA0002417014440000071
式中η为液体的黏度。
综上所述：本发明提出的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置与方法，由于液体表面波长远小于临界波长的表面张力波，表面张力是液体的一个特性，液体表面就像延展的薄膜，当表面被扰动，该扰动的传播就如同薄膜上形成的波，用电驱动振荡器在水面产生波，当激光束以某一角度掠入射到这些表面波，这些表面波就像是反射光栅，可以产生清晰的衍射图样；在传播过程中，表面张力波逐渐衰减，振幅逐渐减小，这一衰减是由于液体的黏滞性引起的，液体的黏滞性将导致毗邻液体层之间的相对运动受阻；因此该装置可通过水表面张力波的衍射，同时测量并确定给定水样品的表面张力和黏度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案与其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，其特征在于，包括光传感器组件(1)、振荡发生器组件(2)、盛水盘(3)、高度调节机构(5)、激光源(6)、光照度计(7)、游标卡尺(8)、光屏(9)、木质平台(10)、刻度尺(12)、游标(13)、触发条(14)、光传感器组件滑轨(15)和导轨(16)，所述木质平台(10)的一端上表面通过光传感器组件滑轨(15)滑动连接有光传感器组件(1)，所述光传感器组件(1)上安装有光屏(9)，且光传感器组件(1)电性连接有光照度计(7)，所述光屏(9)与游标卡尺(8)相连接，所述木质平台(10)的中部上表面固定连接有盛水盘(3)，所述盛水盘(3)的一侧安装有高度调节机构(5)，所述高度调节机构(5)上连接有导轨(16)，所述导轨(16)滑动连接有振荡发生器组件(2)，所述振荡发生器组件(2)包括刻度尺(12)、游标(13)和触发条(14)，所述刻度尺(12)位于导轨(16)外侧壁上，所述游标(13)与导轨(16)滑动连接，所述振荡发生器组件(2)下端的触发条(14)延伸至盛水盘(3)水面中，所述木质平台(10)的另一端放置有激光源(6)。
2.如权利要求1所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，其特征在于，所述触发条(14)上开设有小孔(141)，激光源(6)、小孔(141)和光屏(9)位于同一条直线上。
3.如权利要求1所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，其特征在于，所述木质平台(10)的上方设有塑料罩(4)。
4.如权利要求1所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，其特征在于，所述激光源(6)、振荡发生器组件(2)和光传感器组件(1)均连接有直流电源(11)，直流电源(11)为蓄电池、插座中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置，其特征在于，所述木质平台(10)的下端安装有螺栓。
6.一种如权利要求1所述的液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置的 实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实验前预准备；
将激光源(6)导线插入直流电源(11)插孔，并调整激光源(6)至特殊的入射角；
使用量筒量出500ml水倒入盛水盘(3)中，并通过高度调节机构(5)调整振荡发生器组件(2)垂直位置，将振荡发生器组件(2)的触发条(14)一半放置在水中，小孔(141)位于水面上方，沿导轨(16)移动振荡发生器组件(2)水平位置，使游标(13)位于刻度尺(12)上的8.0cm处，并调节振荡发生器组件(2)频率至100Hz；
利用光传感器组件滑轨(15)水平方向调整木质平台(10)和光传感器组件(1)的水平位置，利用游标卡尺(8)调节光传感器组件(1)垂直位置，使激光光点准确进入光屏(9)；
S2：测量激光束和水面的夹角θ；
S3：确定所给的水样品的表面张力σ；
S4：确定衰减常量δ和液体的黏度η。
7.如权利要求6所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置的 实验方法，其特征在于，S2中，以合适的步长沿轨道移动光传感器组件(1)，记录X方向位移和相应的Y方向上激光点的位移，画出X-Y关系图，并由其斜率确定θ角度，单位为度。
8.如权利要求7所述的一种液体表面张力和粘滞系数测量的实验装置的 实验方法，其特征在于，S2中调节正弦波振幅使光照度计(7)的读数在A挡位且显示值为100。
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