專利名稱：基本電荷電量的自動測量裝置及測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種物理實驗裝置，尤其涉及一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置及方法。
背景技術(shù)：
密立根是著名的實驗物理學家，他在總結(jié)前人實驗的基礎上，著手電子電荷量的測量研究，之后改為以微小的油滴作為帶電體，證實了電荷的量子化，完成了基本電荷量的測量工作。我們把密立根測基本電荷電量的方法稱為油滴法。傳統(tǒng)教學中采用的油滴法測基本電荷電量的實驗設備操作雖然比較簡單，但由于儀器自身的限制，加上學生的操作誤差，常常不能得到令人滿意的測量精度。傳統(tǒng)裝置的缺點有以下幾個方面1.油滴盒中兩個帶電極板間的電壓可調(diào)精度有限，造成實驗中極板間的油滴重力和電場力不能恰好平衡，油滴會存在緩慢的漂移。2.實驗人員肉眼很難判斷油滴進入勻速下降的時刻，導致油滴的下降時間和下降
距離測量誤差，進而導致油滴速度測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為應用于物理實驗中，針對傳統(tǒng)裝置的缺點，設計了一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置。本裝置具有鋁合金機箱，油滴盒，帶指示燈的電源開關，三檔開關，用于控制電場力的施加與否，當去掉電場力時，油滴受重力作用加速下降，同時受到與速度成正比的空氣阻力，當?shù)竭_一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調(diào)節(jié)旋鈕，精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當垂直方向上重力和極板電場力平衡時，油滴保持靜止；計時按鍵，用于控制實驗的開始與結(jié)束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監(jiān)測油滴達到勻速下降狀態(tài)，并計算油滴速度；圖像數(shù)據(jù)傳輸線，用于將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理電路進行圖像處理；數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；微控制器電路板；其特征在于，微控制器電路板包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動電路，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號，該信號通過驅(qū)動電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；晶振電路，用于實現(xiàn)定時器的定時功能；圖像處理電路，對圖像數(shù)據(jù)進行處理后送入微控制器進行相關運算；微控制器LPC2294，控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動電路，實現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時器的時間間隔提取出間隔時間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當油滴達到勻速下降狀態(tài)時，根據(jù)油滴下降距離和定時器時間間隔計算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)相關計算公式計算油滴中總的電量，進而計算基本電荷的電量，并將正確的計算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲器中或顯示到顯示屏上，供實驗人員進行分析和實驗教師為學生評分。本發(fā)明還公開了一種油滴法自動測基本電荷電量的方法，應用于物理實驗中，采用三檔開關控制電場力的施加與否，當去掉電場力時，油滴受重力作用加速下降，同時受到與速度成正比的空氣阻力，當?shù)竭_一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設置電壓調(diào)節(jié)旋鈕精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當垂直方向上重力和極板電場力平衡時，油滴保持靜止；根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動電路輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號，該信號通過驅(qū)動電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；設置計時按鍵，用于控制實驗的開始與結(jié)束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監(jiān)測油滴達到勻速下降狀態(tài)，并計算油滴速度；采用一個晶振電路來實現(xiàn)定時功能；通過數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)綀D像處理電路進行圖像處理；對圖像數(shù)據(jù)進行處理后將其送入微控制器進行相關運算；由一個微控制器LPC2294來控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動電路，實現(xiàn)電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時器的時間間隔提取出間隔時間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當油滴達到勻速下降狀態(tài)時，根據(jù)油滴下降距離和定時器時間間隔計算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)相關公式計算油滴中總的電量，進而計算基本電荷的電量，并將正確的計算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲器中或顯示到顯示屏上。


圖1 一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置正面示意圖；圖2 —種油滴法自動測基本電荷電量的裝置電路板結(jié)構(gòu)框圖；I鋁合金機箱、2-油滴盒、3-數(shù)字顯微攝像頭、4-三檔開關、5-電壓調(diào)節(jié)旋鈕、6-計時按鍵、7-微控制器電路板、8-圖像數(shù)據(jù)傳輸線、9-帶指示燈的電源開關、10-液晶顯示屏。
具體實施例方式如圖1所示，是一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置正面示意圖，進行實驗時1.油滴進入油滴盒(2)的帶電極板間，實驗人員通過裝置上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕(5)精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當垂直方向上重力和極板電場力平衡時，油滴保持靜止。2.實驗人員控制三檔開關(4)去掉電場力，油滴受重力作用加速下降，同時受到與速度成正比的空氣阻力，當?shù)竭_一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降。3.實驗人員從液晶顯示屏(10)上可以清晰地觀察到油滴，發(fā)現(xiàn)合適的油滴時，通過按下計時按鍵(6)開始實驗，微控制器會自動監(jiān)測油滴達到勻速下降狀態(tài)，并計算油滴速度。4.油滴在油滴盒(2)的帶電極板間做垂直下降運動，數(shù)字顯微攝像頭(3)對極板間油滴進行掃描攝像，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過電路(7)中圖像處理電路處理后送入微處理器中進行相關運算，并將圖像信號送入顯示屏驅(qū)動電路，顯示到液晶屏上。微控制器中處理計算圖像中油滴下降距離的步驟如下a.利用處理器內(nèi)部的定時器功能，提取出間隔時間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)；b.圖像中油滴位置的亮度遠大于圖像中其他位置的亮度，進行灰度處理后，判斷亮度最大點即為油滴，確定此點的坐標即為油滴的橫縱坐標。油滴做垂直下降運動，兩幅圖像中亮度最大點的橫坐標相同，為不同時刻的同一個油滴，兩幅圖像中油滴縱坐標的差值即為油滴下降距離；c.相同時間間隔下油滴縱坐標差值相同，即為油滴達到勻速下降狀態(tài)，根據(jù)油滴下降距離和定時器時間間隔計算油滴勻速下的速度。5.根據(jù)實驗裝置測得的數(shù)據(jù)和相關公式計算油滴中總的電量，進而計算基本電荷的電量，并將正確的計算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲器中或顯示到顯示屏上，供實驗人員分析和實驗教師為學生評分。計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基本電荷電量的自動測量裝置，應用于物理實驗中，該裝置具有鋁合金機箱，油滴盒，帶指示燈的電源開關， 三檔開關，用于控制電場力的施加與否，當去掉電場力時，油滴受重力作用加速下降，同時受到與速度成正比的空氣阻力，當?shù)竭_一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調(diào)節(jié)旋鈕，精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當垂直方向上重力和極板電場力平衡時，油滴保持靜止； 計時按鍵，用于控制實驗的開始與結(jié)束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監(jiān)測油滴達到勻速下降狀態(tài)，并計算油滴速度； 圖像數(shù)據(jù)傳輸線，用于將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理電路進行圖像處理； 數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 微控制器電路板； 其特征在于，微控制器電路板包括 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動電路，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號，該信號通過驅(qū)動電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 晶振電路，用于實現(xiàn)定時器的定時功能； 圖像處理電路，對圖像數(shù)據(jù)進行處理后送入微控制器進行相關運算； 微控制器LPC2294，控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動電路，實現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時器的時間間隔提取出間隔時間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當油滴達到勻速下降狀態(tài)時，根據(jù)油滴下降距離和定時器時間間隔計算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)公式
2.—種基本電荷電量的自動測量方法，應用于物理實驗中， 采用三檔開關控制電場力的施加與否，當去掉電場力時，油滴受重力作用加速下降，同時受到與速度成正比的空氣阻力，當?shù)竭_一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設置電壓調(diào)節(jié)旋鈕精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當垂直方向上重力和極板電場力平衡時，油滴保持靜止； 根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動電路輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號，該信號通過驅(qū)動電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 設置計時按鍵，用于控制實驗的開始與結(jié)束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監(jiān)測油滴達到勻速下降狀態(tài)，并計算油滴速度； 采用一個晶振電路來實現(xiàn)定時功能； 通過數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)通過圖像數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)綀D像處理電路進行圖像處理； 對圖像數(shù)據(jù)進行處理后將其送入微控制器進行相關運算； 由一個微控制器LPC2294來控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動電路，實現(xiàn)電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時器的時間間隔提取出間隔時間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當油滴達到勻速下降狀態(tài)時，根據(jù)油滴下降距離和定時器時間間隔計算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基本電荷電量的自動測量裝置及方法，具有鋁合金機箱，油滴盒、帶指示燈的電源開關、三檔開關、電壓調(diào)節(jié)旋鈕、計時按鍵、圖像數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)字顯微攝像頭、液晶顯示屏和微控制器電路板；其中微控制器電路板包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動電路、晶振電路、圖像處理電路和微控制器。實現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)裝置因為分辨率低清晰度不夠難以分辨油滴和污點的缺點，準確測量油滴勻速下降的速度，自動計算基本電荷的電量及測量誤差。
文檔編號G09B23/18GK103065531SQ20131000188
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者仝步升, 高明, 王啟銀, 王曉強, 趙銳 申請人:山西省電力公司大同供電分公司, 國家電網(wǎng)公司