● 摘要
与体相相比，液体表面无论在组成、结构、分子所处的能量状态，以及受力情况等方面都有差别，这些差别使得液体表面具有某些特殊的性质，通过研究这些特性，可以获得液体的某些参数。 光学方法是研究物质性质的重要手段，通过研究光在液体表面的衍射、反射、折射等行为，可以测量液体的某些参数。该方法广泛应用于流体力学，海洋光学等领域。本文运用光学手段研究液体表面：一方面研究动态液体表面，即利用液体表面波对光的衍射效应，根据衍射光强分布与液体表面波的关系，研究液体表面张力、表面相、表面共振等物理特性；另一方面研究静态液体表面，即利用静态液面对光的反射和透射，根据反射光和透射光的光强分布，研究润湿效应、表面张力等表面性质以及折射率和浓度等液体性质。 通过研究，得到以下新的实验现象和结论： 1. 在低频液体表面声波的研究中，不但观察到了表面波的衍射效应，而且得到了几乎100%的衍射效率；并运用傅立叶光学理论给出了解释。 2. 当光束倾斜入射在平静的液体表面上时，在液体表面观察到一个环形暗场。运用几何光学理论对此现象的形成机理进行了分析；同时确定了环形暗场半径与液体介质折射率之间的定量关系。基于这一发现，建立了一种测量液体折射率的新方法。另外，又根据溶液浓度与其折射率之间存在的定量关系，提出了通过测量溶液折射率间接测量溶液浓度的新方法。 3. 由于液体与固体之间的润湿效应，液体表面出现局域弯曲：当液体与固体之间润湿时，液面向上弯曲；当液体与固体之间非润湿时，液面向下弯曲。实验发现：当强度均匀分布的平行入射光束照射到局域弯曲的液面上时，其反射光场的光强分布出现不均匀的现象：对上弯液面，反射光场为均匀分布的亮场中心出现了近似椭圆形的暗场,并且在暗场的边缘，出现衍射条纹和干涉条纹；对下弯液面，反射光场为均匀分布的亮场中心出现了强度分布不均匀的星形亮场，并且星形亮场的边缘也有条纹出现；当采用不同的固体棒或液体时，椭圆形暗场和星形亮场分布的大小不同。进一步研究发现，椭圆形暗场的大小与液体的表面张力有关，对同一固体棒，表面张力大的液体形成的椭圆形暗场的面积大。利用这一现象，提出了用光学方法测量液体的表面张力。基于杨－拉普拉斯（Yong-Laplace）方程，推导出了本次实验条件下杨－拉普拉斯方程的具体形式，并用数值积分方法求解得出了弯曲液面的曲线方程，最后把数值解与实验测量结果进行了对比分析。 基于液体表面光学特性的研究，再结合现代电子和计算机技术，建立了液体参数的测量技术，为液体表面张力、折射率、溶液浓度的测量提供了光学无损、智能化的测量方法。这些测量技术具有精度高、不受人为主观因素干扰、软件重构性强、相关仪器易于升级等优点。