新型旋转液体实验——介绍一个研究性物理实验

介绍一种新型旋转液体实验，可以观察离心力现象，测量重力加速度，研究由旋转液体表面所形成的光学系统中焦距与角速度ω的关系，并观察该系统成像与转速的关系。     

旋转液面的光学性质探究及应用

匀速旋转的圆柱形容器带动其中盛放的液体围绕容器中心轴匀速旋转时,液体的表面在离心力与重力的综合作用下会形成一个抛物面.该抛物面的光学焦距与重力加速度和转速有关,从而利用该装置测量了本地的重力加速度,并利用抛物面聚光的性质制成了一个简易的反射式牛顿焦点系统望远镜,还测定了望远镜的横向放大率与转速之间的关系.     

一个集力学和光学实验于一体的综合物理实验

本简述了利用旋转液体测量重力加速度的原理，介绍了测量重力加速度的方法，给出旋转液体凹表面的焦距与旋转周期的关系以及利用其液面成像的方法。     

部分填充水平旋转圆柱筒内涂层流动的实验研究

通过改变液体的动力黏度、填充体积分数(液体体积与圆柱筒容积之比)、圆柱筒转速等实验参数,对部分填充了粘性液体的圆柱筒在绕其水平对称轴旋转时,圆柱筒内液体自由表面出现的各种现象进行了实验探究和初步定性解释.并作出了当固定液体黏度时转速与填充体积分数的实验相图和固定填充体积分数时转速与黏度的实验相图.     

双液体变焦透镜变焦迟滞现象的研究

通过引入接触线摩擦力,建立了基于双液体变焦透镜内壁的液液固三相系统接触线的力学物理模型,重新对非理想状态下液液固三相系统接触线进行了受力分析.在此基础上,对杨氏方程进行了改进,合理地解释了双液体变焦透镜的变焦迟滞现象.通过对疏水介电层厚度为2 μm的双液体变焦透镜进行加电压变焦实验,给出了双液体透镜的焦距与电压之间的迟...     

交流作用下电润湿液体透镜动态过程的测试与分析

基于高斯光束传输理论,研制了一种透镜焦距动态变化的测试装置,给出了测试机理.并采用该测试装置测试了自制的基于电润湿技术的液体透镜焦距随交流信号的动态变化过程,结果表明,液体透镜的焦距随着工作电压幅值和极性的变化而发生相应变化.在一个周期内,依次出现了4个频率为50 Hz的峰值信号1,2,3和4,峰值1和2分别是由工作电压极性引起的,峰值3和4是由振荡模态引起的,且峰值的幅度随电压的增大而增大.这是由于在低压时液体透镜液面的形状随时间按球形变化,高压时液面的形状不再按球形变化,而是会产生新的振荡模态.     

拉脱法测液体表面张力系数中的动态演化过程

利用自制液体表面张力系数测定仪,在计算机上实时监测了表面张力系数测量中电压随时间的变化曲线,并且把电压变化曲线分为6个阶段进行了详细讨论.利用此仪器精确控制了液面的升降速度和液体的温度,进一步详细研究了液面的升降速度和液体温度对表面张力系数测量结果的影响.     

旋转液体反射抛物面镜

利用光学Mach-Zehnder干涉仪对旋转液体产生的轴对称抛物面的光学反射性能进行了研究.液体抛物面反射镜作为干涉仪的一个反射镜产生的球面波与另一条光路中的平面波干涉形成同心圆的干涉条纹,利用CCD相机采集干涉条纹图像,通过计算机图像处理程序得到旋转液体反射波面的形貌,实现对液体反射镜表面形状的分析.光学干涉技术的高精度特点保证了测量的准确性.     

旋转液体实验装置的设计

对如何利用旋转液体这一有趣现象进行物理实验作了探索，设计出一套用于进行旋转液体实验的仪器，并介绍了该仪器的设计思路及特点。     

激光空泡在近自由液面运动特性的实验研究

采用激光技术聚焦击穿液体产生空泡,利用高速摄像系统开展激光空泡与自由液面的相互作用的实验研究。实验研究发现,空泡与自由液面之间的无量纲距离对水下空泡的脉动特性和自由液面的水冢现象存在影响。通过大量实验总结了无量纲距离与空泡半径、空泡脉动周期、自由液面水柱的最大高度和产生水冢时间的相互关系。实验表明无量纲距离越小,空泡脉动周期越短,自由面的水冢现象越明显。同时统计出了在不同无量纲距离范围内所出现的5种不同水冢现象的规律。研究内容为空泡与自由液面相互作用的理论提供了实验依据。     

旋转对邱克拉斯基结构内双组分溶液流动稳定性的影响

为了了解晶体和坩埚旋转对具有水平温度梯度的邱克拉斯基(Czochralski)结构液池内双组分溶液热毛细-浮力对流的影响,以质量分数为50%的正癸烷/正己烷双组分溶液为工质进行了一系列实验。结果表明,当晶体/坩埚单独旋转时,随着晶体转速增加,旋转首先会抑制流动失稳,然后促进失稳,失稳后的振荡主频逐渐增大;坩埚单独旋转会抑制流动失稳,失稳后的振荡主频随坩埚转速增加先减小、后增大,相同条件下双组分溶液比纯工质易于失稳。当晶体/坩埚同时旋转时,随着晶体转速增加,同向旋转时主频逐渐增大,反向旋转时主频先减小、后增大。     

邱克拉斯基结构液池内旋转驱动流动及转变

为了了解旋转对邱克拉斯基(Czochralski)晶体生长结构液池内熔体流动的影响,利用有限差分法进行了三维非稳态数值模拟,坩埚外半径为50 mm,晶体半径为15 mm,液池深度为50 mm。结果表明,当旋转速度较低时,流动为稳态轴对称流动,随着转速的提高,流动会转化为三维非稳态振荡流动;晶体与坩埚同向旋转时,流动转化的临界转速较高,反向旋转时,临界转速较低;晶体单独旋转时,速度波周向速度远小于晶体旋转速度,坩埚单独旋转时,速度波周向速度与坩埚旋转速度保持一致;坩埚转速越快,速度波动幅度和波数越小。     

用液芯柱透镜测量液体折射率

制作了一种液芯变焦柱透镜并将其用于精确测量液体的折射率.在空心的柱透镜内注入待测折射率的液体,通过测量液芯透镜的焦距,根据焦距和折射率之间的关系,计算出液芯介质的折射率.此方法有效地提高了折射率测量的灵敏度,减小了测量系统的景深.选取×20倍显微物镜可实现液体折射率1.3～1.642范围内的精确测量,单次测量误差小于0.000 2.     

旋转抛物透镜的ABCD矩阵

通过傍轴近似及相位匹配技术,推导得到了旋转抛物透镜的反射矩阵及其相应的折射矩阵.利用推导出的反射、折射矩阵,得到了入射光束经旋转抛物透镜作矩阵变换后,其光斑及光波波前曲率半径的变换关系式.为设计具有旋转抛物透镜的特殊光学系统提供了便利.     

旋转对带冲击孔的叶片前缘流动和换热的影响

本文采用数值模拟方法,对带有供气腔和冲击腔的旋转通道内的流动和换热进行了研究,获得了旋转时叶片前缘冲击孔流量系数以及冲击靶面平均Nu数的变化规律.计算结果表明,旋转作用所产生的哥氏力改变了冲击孔的流量系数值,转速越大,哥氏力作用就越明显.流量系数随着旋转雷诺数和出流比的增加而增加,随着入口雷诺数的增加而降低.旋转对冲击靶面的平均Nu数的影响不明显,只有在较高转速时, Nu数才随着转速的增加而稍有增加.     

"牛顿水桶"液面方程的几种巧解

牛顿在1689年构思了一个理想实验,即著名的“水桶实验”．在“水桶实验”中,一个注水的水桶起初保持静止．当它开始发生转动时,水桶中的水最初仍保持静止,但随后也会随着水桶一起转动,于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状,直到最后和水桶的转速一致,水面相对静止．辩证力学的理论预言是：在地球的引力场内,旋转水桶中水面形状由平变凹,其形状是抛物线旋转曲面．笔者尝试从几种不同角度证明最后稳定时液面的形状是抛物线旋转曲面．     

基于可控旋转的像机高精度标定技术

提出了一种基于可控旋转的主动视觉标定方法,通过控制像机围绕光心(或光心附近)做旋转运动,能够将等效焦距与其他参数分离开来,求解精确的等效焦距。该方法需要控制像机绕其坐标轴进行两次旋转以标定横纵等效焦距。当采用横纵等效焦距相等并且图像主点取为图像中心的简化成像模型时,只需要一次旋转运动即可标定像机线性参数。在此基础上提出了传统标定方法和基于可控旋转方法相结合的像机标定技术,控制摄像机拍摄空间坐标已知的标定块并做一定的旋转运动,从而高精度标定包含像差系数的像机内外参数。实验表明,使用基于可控旋转运动标定方法得到的像机参数进行位姿测量时达到了很高的精度。     

大变倍比液体透镜变焦系统设计

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论,将各组元焦距作为变量,列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程,得到符合条件的初始结构;再利用优化设计软件进行像差平衡,设计了一个具有4片液体透镜,焦距为20~120mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66lp/mm处均大于0.3,畸变小于2%,满足设计要求.     

电湿效应变焦光学系统的设计与分析

与传统的通过电机调节透镜相对位置达到变焦目的设计完全不同,提出了一种设计无机械运动变焦光学系统的新方法.利用亥姆霍兹自由能最小化方法推导出适合双液体变焦透镜的杨氏方程,将以气液固三相系统为基础的传统杨式方程扩展到了液液固三相系统.以圆柱结构的双液体变焦透镜为组分设计了一种新型的变焦光学系统,分析了系统在外加电压作用下使焦距变化的同时又能保持像面不变时必须满足的条件.模拟结果表明该系统的变倍比大约可达到1:1.5.     

测量透明液体折射率的一种实验方法

介绍了利用分光计测量透明液体折射率的一种实验方法，实验中使用了两个等边三棱镜，将液体夹在两棱镜之间形成厚度均匀的液膜，利用全反射原理对液膜进行测量，结果表明，这种实验方法操作简便，重复性好，准确度高。