CN103065531B - 基本电荷电量的自动测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基本电荷电量的自动测量装置及方法，具有：铝合金机箱，油滴盒、带指示灯的电源开关、三档开关、电压调节旋钮、计时按键、图像数据传输线、数字显微摄像头、液晶显示屏和微控制器电路板；其中微控制器电路板包括：数模转换电路和极板驱动电路、晶振电路、图像处理电路和微控制器。实现了电极板间电压的精确调节，克服了传统装置因为分辨率低清晰度不够难以分辨油滴和污点的缺点，准确测量油滴匀速下降的速度，自动计算基本电荷的电量及测量误差。

Description

基本电荷电量的自动测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种物理实验装置，尤其涉及一种油滴法自动测基本电荷电量的装置及方法。

背景技术

密立根是著名的实验物理学家，他在总结前人实验的基础上，着手电子电荷量的测量研究，之后改为以微小的油滴作为带电体，证实了电荷的量子化，完成了基本电荷量的测量工作。我们把密立根测基本电荷电量的方法称为油滴法。

传统教学中采用的油滴法测基本电荷电量的实验设备操作虽然比较简单，但由于仪器自身的限制，加上学生的操作误差，常常不能得到令人满意的测量精度。传统装置的缺点有以下几个方面：

1.油滴盒中两个带电极板间的电压可调精度有限，造成实验中极板间的油滴重力和电场力不能恰好平衡，油滴会存在缓慢的漂移。

2.实验人员肉眼很难判断油滴进入匀速下降的时刻，导致油滴的下降时间和下降距离测量误差，进而导致油滴速度测量误差。

发明内容

本发明为应用于物理实验中，针对传统装置的缺点，设计了一种油滴法自动测基本电荷电量的装置。本装置具有：

铝合金机箱，油滴盒，带指示灯的电源开关，

三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；

电压调节旋钮，精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；

计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；

图像数据传输线，用于将拍摄到的图像数据传输到图像处理电路进行图像处理；

数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；

微控制器电路板；

其特征在于，微控制器电路板包括：

数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；

晶振电路，用于实现定时器的定时功能；

图像处理电路，对图像数据进行处理后送入微控制器进行相关运算；

微控制器LPC2294，控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据相关计算公式计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上，供实验人员进行分析和实验教师为学生评分。

本发明还公开了一种油滴法自动测基本电荷电量的方法，应用于物理实验中，

采用三档开关控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；

设置电压调节旋钮精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；

根据电压调节旋钮的输入，数模转换电路和极板驱动电路输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；

设置计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；

采用一个晶振电路来实现定时功能；

通过数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；

将拍摄到的图像数据通过图像数据传输线传输到图像处理电路进行图像处理；

对图像数据进行处理后将其送入微控制器进行相关运算；

由一个微控制器LPC2294来控制数模转化电路和驱动电路，实现电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据相关公式计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上。

附图说明

图1一种油滴法自动测基本电荷电量的装置正面示意图；

图2一种油滴法自动测基本电荷电量的装置电路板结构框图；

1铝合金机箱、2-油滴盒、3-数字显微摄像头、4-三档开关、5-电压调节旋钮、6-计时按键、7-微控制器电路板、8-图像数据传输线、9-带指示灯的电源开关、10-液晶显示屏。

具体实施方式

如图1所示，是一种油滴法自动测基本电荷电量的装置正面示意图，进行实验时：

1.油滴进入油滴盒（2）的带电极板间，实验人员通过装置上的电压调节旋钮（5）精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止。

2.实验人员控制三档开关（4）去掉电场力，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降。

3.实验人员从液晶显示屏（10）上可以清晰地观察到油滴，发现合适的油滴时，通过按下计时按键（6）开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度。

4.油滴在油滴盒（2）的带电极板间做垂直下降运动，数字显微摄像头（3）对极板间油滴进行扫描摄像，图像数据经过电路（7）中图像处理电路处理后送入微处理器中进行相关运算，并将图像信号送入显示屏驱动电路，显示到液晶屏上。微控制器中处理计算图像中油滴下降距离的步骤如下:a.利用处理器内部的定时器功能，提取出间隔时间相同的若干组图像数据;

b.图像中油滴位置的亮度远大于图像中其他位置的亮度，进行灰度处理后，判断亮度最大点即为油滴，确定此点的坐标即为油滴的横纵坐标。油滴做垂直下降运动，两幅图像中亮度最大点的横坐标相同，为不同时刻的同一个油滴，两幅图像中油滴纵坐标的差值即为油滴下降距离;

c.相同时间间隔下油滴纵坐标差值相同，即为油滴达到匀速下降状态，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下的速度。

5.根据实验装置测得的数据和相关公式计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上，供实验人员分析和实验教师为学生评分。

计算公式如下：

$q=\frac{18\mathrm{\πd}}{V\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ηl}}{t(1+\frac{b}{\mathrm{pr}})}\right)}^3},$ 其中r=(9ηl/2ρgt)^1/2，e=q/n.

式中字母代表含义如下：

q	油滴所带电量	η	空气粘滞系数（常数）
				π	圆周率（常数）	l	油滴匀速下降距离（已知量）
d	带电极板距离（已知量）	t	油滴匀速下降时间（测得量）
				V	带电极板电压（已知量）	b	修正常数（常数）
ρ	油滴密度（常数）	p	大气压强（常数）
				g	重力加速的（常数）	r	油滴半径（计算可得量）
n	油滴中电子数（计算可得量）

如图2所示，是一种油滴法自动测基本电荷电量的装置中电路板的结构框图。油滴进入油滴盒的带电极板间，实验人员需要精确控制极板间电压，使垂直方向上重力和极板电场力平衡，油滴保持静止状态。针对传统装置极板电压精度低，油滴难以静止的缺点，本装置电路板中采用数模转换电路和极板驱动电路，数模转换电路可根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上，满足油滴平衡条件，实现了电极板间油滴盒中电压的精确调节。

数字显微摄像头拍摄的油滴图像数据，通过数据线进入电路板，图像数据处理电路对图像数据进行处理后送入微控制器进行相关运算，显示屏驱动电路控制液晶屏，将图像数据显示到液晶屏上。

本发明的一个实施例是一种油滴法自动测基本电荷电量的装置，应用于物理实验中，该装置具有：铝合金机箱，油滴盒，带指示灯的电源开关，三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；电压调节旋钮，精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；图像数据传输线，用于将拍摄到的图像数据传输到图像处理电路进行图像处理；数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；微控制器电路板；其特征在于，微控制器电路板包括：数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；晶振电路，用于实现定时器的定时功能；图像处理电路，对图像数据进行处理后送入微控制器进行相关运算；

微控制器LPC2294，控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据公式：

$q=\frac{18\mathrm{\πd}}{V\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ηl}}{t(1+\frac{b}{\mathrm{pr}})}\right)}^3},$ 其中r=(9ηl/2ρgt)^1/2，e=q/n

计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上。

本发明的另一个实施例是一种油滴法自动测基本电荷电量的方法，应用于物理实验中，采用三档开关控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；设置电压调节旋钮精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；根据电压调节旋钮的输入，数模转换电路和极板驱动电路输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；设置计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；采用一个晶振电路来实现定时功能；通过数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；将拍摄到的图像数据通过图像数据传输线传输到图像处理电路进行图像处理；对图像数据进行处理后将其送入微控制器进行相关运算；

由一个微控制器LPC2294来控制数模转化电路和驱动电路，实现电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据公式：

$q=\frac{18\mathrm{\πd}}{V\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ηl}}{t(1+\frac{b}{\mathrm{pr}})}\right)}^3},$ 其中r=(9ηl/2ρgt)^1/2，e=q/n

计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上。

本发明具有如下忧点：

1.利用微控制器控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，避免了传统装置因为电压可调精度有限造成的测量误差。

2.利用数字显微摄像头和液晶显示屏捕捉拍摄油滴的清晰图像，克服了传统装置因为分辨率低清晰度不够难以分辨油滴和污点的缺点，实验人员能够清晰观察到合适油滴，排除污点、过大过小油滴的干扰，并按下按键开始实验。

3.利用控制器的定时器功能，每隔相同时间段拍摄油滴下降图像，对图像进行处理，计算油滴下降距离，当下降距离相同时即油滴达到匀速下降状态，不需实验人员依靠肉眼观察液晶屏实现油滴是否匀速的判断，从而准确测量油滴匀速下降的速度，微控制器会根据定时器间隔时间和下降距离，自动计算油滴速度。

根据装置测量的实验数据和相关公式，装置可以自动计算基本电荷的电量及测量误差，并将正确的实验结果保存到数据存储器中或显示到显示屏上。

由于采用高分辨率的数字显微摄像头和图像数据处理电路后得到的图像清晰稳定，实验人员可以很好的分辨适合实验的油滴，排除污点、过大过小油滴的干扰。

微控制器电路利用高清数字显微摄像头的图像自动判断油滴到达匀速下降状态的时刻，准确测量油滴下降时间，自动计算油滴速度。

装置测得实验数据后，电路根据微控制器中相关程序，处理得到油滴所带电荷量、基本电荷电量，并计算实验误差，得到的计算结果将保存到存储器电路中，供实验人员分析和实验教师为学生评分。

以上所述实施例仅表达了本发明优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基本电荷电量的自动测量装置，应用于物理实验中，该装置具有：铝合金机箱，油滴盒，带指示灯的电源开关，

三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；

电压调节旋钮，精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；

计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；

图像数据传输线，用于将拍摄到的图像数据传输到图像处理电路进行图像处理；

数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；

微控制器电路板；

其特征在于，微控制器电路板包括：

数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；

晶振电路，用于实现定时器的定时功能；

图像处理电路，对图像数据进行处理后送入微控制器进行相关运算；

微控制器LPC2294，控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据公式：

$q=\frac{18\mathrm{\πd}}{V\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ηl}}{t(1+\frac{b}{\mathrm{pr}})}\right)}^3},$ 其中r＝(9ηl/2ρgt)^1/2，e＝q/n

计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上，

式中字母代表含义如下：

q为油滴所带电量；

η为空气粘滞系数，为常数；

π为圆周率，为常数；

l为油滴匀速下降距离，为已知量；

d为带电极板距离，为已知量；

t为油滴匀速下降时间，为测得量；

V为带电极板电压，为已知量；

b为修正常数，为常数；

ρ为油滴密度，为常数；

p为大气压强，为常数；

g为重力加速的，为常数；

r为油滴半径，为计算可得量；

n为油滴中电子数，为计算可得量；

微控制器中处理计算图像中油滴下降距离的步骤如下:

a.利用处理器内部的定时器功能，提取出间隔时间相同的若干组图像数据；

b.图像中油滴位置的亮度远大于图像中其他位置的亮度，进行灰度处理后，判断亮度最大点即为油滴，确定此点的坐标即为油滴的横纵坐标；油滴做垂直下降运动，两幅图像中亮度最大点的横坐标相同，为不同时刻的同一个油滴，两幅图像中油滴纵坐标的差值即为油滴下降距离；

c.相同时间间隔下油滴纵坐标差值相同，即为油滴达到匀速下降状态，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下的速度。

2.一种基本电荷电量的自动测量方法，应用于物理实验中，

采用三档开关控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；

设置电压调节旋钮精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；

根据电压调节旋钮的输入，数模转换电路和极板驱动电路输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；

设置计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；

采用一个晶振电路来实现定时功能；

通过数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；

将拍摄到的图像数据通过图像数据传输线传输到图像处理电路进行图像处理；

对图像数据进行处理后将其送入微控制器进行相关运算；

由一个微控制器LPC2294来控制数模转化电路和驱动电路，实现电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度，然后根据公式：

$q=\frac{18\mathrm{\πd}}{V\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ηl}}{t(1+\frac{b}{\mathrm{pr}})}\right)}^3},$ 其中r＝(9ηl/2ρgt)^1/2，e＝q/n

计算油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上，

式中字母代表含义如下：

q为油滴所带电量；

η为空气粘滞系数，为常数；

π为圆周率，为常数；

l为油滴匀速下降距离，为已知量；

d为带电极板距离，为已知量；

t为油滴匀速下降时间，为测得量；

V为带电极板电压，为已知量；

b为修正常数，为常数；

ρ为油滴密度，为常数；

p为大气压强，为常数；

g为重力加速的，为常数；

r为油滴半径，为计算可得量；

n为油滴中电子数，为计算可得量；

微控制器中处理计算图像中油滴下降距离的步骤如下:

a.利用处理器内部的定时器功能，提取出间隔时间相同的若干组图像数据；

b.图像中油滴位置的亮度远大于图像中其他位置的亮度，进行灰度处理后，判断亮度最大点即为油滴，确定此点的坐标即为油滴的横纵坐标；油滴做垂直下降运动，两幅图像中亮度最大点的横坐标相同，为不同时刻的同一个油滴，两幅图像中油滴纵坐标的差值即为油滴下降距离；

c.相同时间间隔下油滴纵坐标差值相同，即为油滴达到匀速下降状态，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下的速度。