光衍射法研究水表面波的性质.pdf

第26卷第10期 大学物理 V01．26No．10 2007年10月 COLLEGEPHYSJCS oct．2007 编者按：在大学物理教学中，组织本科生进行一些切合实际的课题的研究，是指导教师的一项极为有效、 非常良好的教学措施．这样做，既打通了师生间的教学通道，又使学生在与人合作、道德精神方面有所获益； 并且在制订课题研究计划、动手实验、查阅文献、总结写作等一系列环节中使学生在动手、实践、阅读、写作等 方面的能力得到很大提高．本文在这方面可以说是一个范例． 光衍射法研究水表面波的性质 倪宏程，林锦达，王思慧，周 进，周惠君 (南京大学物理系，江苏南京210093) 摘要：将水的表面波视作一种正弦相位型光栅，导出了水表面波衍射光斑间距与其波长的关系，从而利用水表面波对激 光的衍射测定了水波波长，确定了表面波成分，即在所用实验频率范围内毛细波占主导地位，验证了表面波的色散关系． 关键词：水波；表面波；相位型光栅；毛细波；色散关系 中图分类号：0436．1 文献标识码：A 文章编号：1000—0712(2007)10．0060．04 众所周知，当水受到扰动之后，水面会形成表面 波，即水波．物质的表面波又叫做瑞利波(Raylei曲 waves)．固体和液体表面都能形成瑞利波，瑞利波在 凝聚态物理中有着重要而广泛的应用．如果我们研 水褶 究的水波波长或者振幅比较小，我们就无法用肉眼 图1实验装置示意图 看到它，这给水波性质的研究带来一定的困难．为解 射面与大头针较接近却又不通过大头针，否则将引 决这个问题，最近有人采用激光干涉方法…精确地 人大头针的衍射．在我们所用的频率范围(，=100 测定了水表面波的色散关系，但是其仪器比较复杂 ～500Hz)内，激光束在水面上光点的线度范围内水 昂贵且不易搭建；还有人采用激光衍射方法旧J，利 波的振幅可以视为恒定，这是因为水波的衰减长度 用干涉水波通过测量其衍射光斑强度来研究水波结 为艿=3仃／4棚[2，3|，其中口为水的表面张力系数，盯 构．本文拓展后者思路，通过测量衍射光斑间距，利 =7．2×10-2 N／m；刁为水的黏度，在25℃时，叩= 用简单的实验装置方便准确地测定了水表面波波 8．9×10—4N·s／m2；n为信号圆频率．取频率厂= 长，确定了表面波成分，即在我们实验频率范围内毛 300 Hz，有艿=32mm，它远大于光点的大小．以下 细波占主导地位，并验证了色散关系． 我们把水波视为一种正弦相位型光栅． 1 实验原理 我们按照图1搭建实验装置，水槽和激光器置 于防震台上，以减轻环境噪声的影响，水槽底部衬有 1．1 实验构架 黑纸来消除激光束经水面折射后的光线．图2是实 如图1所示，我们在一个扬声器的振动膜上固 验过程