基于phyphox软件研究声波干涉的居家实验

信息技术的发展日新月异,智能手机的出现使得居家实验成为了现实.基于智能手机phyphox软件的声波干涉实验现象明显,且从定性和定量的角度辅助学生更好地理解波的干涉.此实验仪器简单,操作简易,有利于培养学生的自主探究能力.     

利用智能手机外设传感器可视化测量导热系数

基于传统导热系数的测量方法,将集成式温度传感器换为测温更加灵敏且能通过蓝牙与智能手机连接实现可视化测温的探针温度传感器,利用其配套软件导出实验数据至手机Excel并直接利用手机Excel拟合出“温度-时间”曲线,计算待测物体的导热系数.研究结果表明,与传统方法相比探针法测得的实验结果相对误差更小、不确定度也更小.利用智能手机外设传感器进行可视化测量,不仅可以扩充智能手机的物理测量范围,还可以发挥智能手机的计算功能,从而在一部手机上完成物理测量和数据处理的全过程,方便开展居家实验,为今后创新性实验研究开创新的思路.     

基于对轴对称液桥边缘轮廓拟合的液体表面张力系数测量研究

基于Yang-Laplace公式与液桥平均曲率的关系,研究两平行板间液桥的形貌与表面张力系数的关系,探索出通过对液桥边缘进行轮廓拟合来测量液桥液体的表面张力系数的方法.搭建了一套可以拍摄液桥的边缘放大图的实验平台,利用sobel算子提取边缘信息的Matlab算法,对液桥轮廓进行边缘提取,进而拟合得到液体表面张力系数,计算结果显示表面张力系数的相对误差在5%以内.     

气泡在自由液面破碎后的射流断裂现象研究

在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响. 关键词： 气泡 自由液面 破碎 断裂     

居家实验：硬币弹跳

本文给出了居家环境下基于智能手机研究硬币弹跳的声学频率和产生的共振模式一种方案。理论上首先根据圆板的振动方程,给出了硬币固有振动频率的表达式。之后结合特定边界条件,利用有限元的方法分析了三种类型硬币的固有振动模式及对应频率。实验上利用智能手机测量了不同硬币在自由振动时产生的声音频率,并与模拟计算结果进行比较,给出了合理的误差分析。该居家实验方案简单有趣,物理原理丰富,易于在基础物理实验教学中推广。     

基础实验试题A-1:水钟计时

介绍了第7届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题A"流体的流动"第一部分"水钟计时"的实验内容,并给出了参考解答以及竞赛结果分析.通过阅读材料,学生了解基于质量守恒和能量守恒的伯努利方程,利用简单的居家实验器材自组实验装置,探究水钟计时现象.试题考查了学生对水钟计时的理论、随机误差、精度及准确度、表面张力、雷诺数和层流状...     

基于智能手机的液体表面张力系数测量

对FD-NST-B型液体表面张力测量仪加装额外的蓝牙通讯模块,并利用智能手机的蓝牙功能,使实验仪器能够通过蓝牙连接到智能手机上;同时开发出了专门的手机实验软件对该实验仪器进行控制,通过手机实验软件完成仪器数据的采集,并把采集到的所有数据在手机屏幕进行绘图,只需要观察手机屏幕上数据曲线,就能快速地得到精确的实验数据.该手机实验软件克服了传统实验模式的缺点,能够排除人为因素的影响,减小实验的偶然误差,提高测量的精确度.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

拉脱法测量纯水表面张力系数实验的研究

从实验和理论上对拉脱法测量表面张力系数的实验进行了研究.用微力传感器代替约利弹簧,并在此基础上改进了实验仪器.研究分析了使用约利弹簧和传感器测量表面张力系数实验的实验原理,指出了它们的区别,并给出了利用传感器测量表面张力系数实验的理论计算公式.改进后的实验降低了拉脱法测量表面张力系数实验的技术难度,提高了测量表面张力系数的精确度.     

基于智能手机的静电场描绘及模拟

鉴于疫情防控期间物理实验的居家学习难度,以静电场描绘实验为例,针对其打点量多造成的数据测算和处理量大、复杂且耗时等特点,提出了基于智能手机中的相机及Geogebra软件的数据处理方法,可利用手机完成实验后续的半径测量、等势线绘制、数据拟合及三维等势面的模拟等过程。相比于其他测算方法,基于智能手机的静电场描绘方法可行性及准确性高,操作简单且模拟的电场分布图像生动直观,有助于学生提高实验效率并加强对静电场分布的把握,对物理实验的线上教学具有一定的参考意义。     

Nonlinearities in sedimentation: a microscopic study

Effect of temperature and surface tension on surface during sedimentation is studied using atomic force microscopy. Effects of surface tension is incorporated by using ∼1 mm radius water droplets. Surface tension of water droplet directed the deposition of dissolved particles around the perimeter of the droplet; leaving almost hollow circle in the middle with light deposition due to the particles being close to the surface. Evaporating shallow water solutions left random salt structures on the surface. Growth exponents are calculated along with the fractal dimension. For sedimentation process in shallow water (depth of ∼2 mm), a transition is observed from continuum model (1.88±0.2) to KPZ (0.406±0.082) universality class around ∼1 μm at room temperature. For droplets evaporation, turbulent (multi-affine) to self-affine transition is observed. Fractal dimensions (FD) for the droplets are found to be between one and two. The FD values are consistent with the fact that competing nonlinear terms are present in the system.     

Deformation of liquid droplets during collisions with hot walls: Experimental and Numerical Results

Measurements of droplet deformation during wall impingement were performed for ethanol droplets and water droplets with diameters ranging from 100 to 200 μm. The wall temperature is well above the Leidenfrost temperature of the droplet liquid. With monodisperse droplet streams and a special illumination technique, slow motion images of the phenomena can be obtained. Measurements with high temporal resolution below 1 μs are possible using a standard video camera. The experimental results are compared with numerical results, which were obtained by solving the three-dimensional Navier-Stokes equations for incompressible fluids including surface tension effects. The fluids are treated with the volume-of-fluid method and the free surface is modeled according to the continuum-surface-force model. Numerical and experimental results show good agreement.     

Size effect on surface tension of liquid binary alloy droplets

A simple model for size-dependent surface tension of liquid binary alloy droplets has been established based on Bulter’s equation and our model for size-dependent surface tension of pure liquid component. As an example, the surface tension of liquid Bi–Sn alloy droplets are calculated and discussed. The results show that as the size of the liquid alloy droplets decreases, the corresponding surface tension decreases. The component with lower surface tension is enriched in the surface layer at all times while relatively more another component with higher surface tension appear in the surface region when the size decreases. The effect of decreasing size on liquid alloy surface tension is like that of increasing temperature. When size is larger than about 12 nm, the size effect is small and negligible.     

微流控法二乙烯基苯乳液粒子成型机理研究

采用相界面跟踪(V()F)数值模拟方法,研究了轴流型微流控芯片中流速比、界面张力、粘度等对乳液粒子粒径的影响。模拟结果表明:乳液粒子粒径与流速比的对数存在线性关系,在一定范围内,当流速比增大时,粒径变小;当界面张力小于0.025 N/m时,乳液粒径随界面张力增大而增加,当界面张力超过0.03N/m时,乳液粒径变化趋于平缓;分散相粘度对乳液粒径的影响甚微。以聚乙烯醇(PVA)水溶液为连续相,二乙烯基苯(DVB)溶液为分散相,采用自制的聚二甲基硅氧烷(PDMS)轴流型微流控芯进行了DVB乳液粒子成型实验研究,获得了0.5~3.0 mm的DVB乳液粒子。     

Molecular dynamics study of size effect on surface tension of metal droplets

We investigate the size-effect on the surface tension of nano-scale gallium droplets by molecular dynamics simulations. The interaction among gallium metal atoms is described by a many-body potential. We derive a generic expression of the stress tensor to evaluate the surface tension of systems including many-body interactions. The equivalency between the mechanical and thermodynamic definitions of the surface tension is also proved in such systems. It is shown that the surface tension of gallium droplets increases with the droplet size approaching its value for a planar surface, which is consistent with the resent experimental result.     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不同We下,液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关,在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数γ随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定;但在疏水侧,表现为回弹现象,铺展系数γ会出现类似"抛物线"形状;当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时,液滴铺展和回弹同时发生.基于能量平衡和受力分析发现,液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键,液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。      

格子Boltzmann方法模拟双液滴撞击液膜的流动过程

采用单相自由面格子Boltzmann方法中流场计算,自由面条件和表面张力处理方法,研究双液滴撞击液膜的流动过程,实现对垂直间隔的两液滴相继撞击液膜流动过程的模拟.数值结果表明,液滴相继冲击液膜时,液滴间上下距离对液膜状态有很大的影响,液滴间距不同,液膜形状会出现很大差异.数值结果与实验结论定性一致.     

A new method for the determination of surface tension from molecular dynamics simulations applied to liquid droplets

For the determination of surface tension of liquid droplets by molecular dynamics simulations, the most time-consuming part is the calculation of pressure tensor in the transition layer, which makes it difficult to enhance the precision of the computation. A new method for the calculation of surface tension of liquid droplets to reduce the calculation quantity of pressure tensor in transition layer to the minimum is proposed in this paper. Two thousand particles are taken as example to show how to carry out our scheme.