CN104298819A - 一种密立根油滴实验数据的处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密立根油滴实验数据的处理方法和装置。该处理方法包括：计算多个油滴的电荷量；将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。

Description

一种密立根油滴实验数据的处理方法和装置

技术领域

本发明涉及物理实验设备领域，尤其涉及一种密立根油滴实验数据的处理方法和装置。

背景技术

密立根油滴实验是美国物理学家密立根所做的测量电子电荷实验。1907-1913年期间，密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带电量均是一最小电荷的整数倍，该最小电荷即是电子电荷。通常测量密立根油滴的方法为静态法，即选好一颗适当的油滴，加平衡电压，使之基本不动。加升降电压，让油滴缓慢移动到视场上方某一刻度线上，记下平衡电压。去掉平衡电压，油滴开始加速下降，当达到匀速时开始计时，记下匀速状态下下降的距离和时间。对每一颗油滴测量5～8次，并选择至少10颗不同油滴进行测量。

由于电子电荷电量属于微小物理量的测量，此实验有相当的难度，传统密立根油滴测量方法利用手动调节控制油滴运动，通过CCD和监视器观察并读取油滴数据，然后手动计算电子电荷，也就是最小电荷的实验值，这种测量方法缺陷是人为误差较大，测量不够准确，并且数据不能实时计算。

发明内容

本发明提出了一种密立根油滴实验数据的处理方法和装置，其通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。

为实现上述设计，本发明采用以下技术方案：

一方面采用一种密立根油滴实验数据的处理方法，包括：

计算多个油滴的电荷量；

将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

其中，所述计算多个油滴的电荷量之前，还包括：

采集多个油滴的视频数据；

所述计算多个油滴的电荷量，包括：

在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

其中，所述采集多个油滴的视频数据，具体为：

摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

其中，所述在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴，具体为：

在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

其中，所述采集多个油滴的视频数据时，还包括：

调整油滴平衡电压。

另一方面采用一种密立根油滴实验数据的处理装置，包括：

电荷量计算单元，用于计算多个油滴的电荷量；

坐标投射单元，用于将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

直线拟合单元，用于拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

斜率计算单元，用于获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

其中，还包括：

视频采集单元，用于采集多个油滴的视频数据；

所述电荷量计算单元，包括：

视频数据显示模块，用于在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

油滴参数计算模块，用于根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

其中，所述视频采集单元，具体用于：

摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

其中，所述视频数据显示模块，具体用于：

在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

其中，还包括：电压调整单元，用于在所述采集采集单元采集多个油滴的视频数据时，调整油滴平衡电压。

本发明的有益效果在于：通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第一实施例的方法流程图。

图2是发明实施例提供的改进的作图法的示意图。

图3是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第二实施例的方法流程图。

图4是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第三实施例的方法流程图。

图5是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理装置的第一实施例的结构方框图。

图6是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理装置的第二实施例的结构方框图。

图7是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理系统的硬件结构图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第一实施例的方法流程图。本实施例中的密立根油滴实验数据的处理方法主要用于科研机构、高效、私人实验室以对电子电荷提供更为精确和方便的实验测量。如图所示，该方法包括：

步骤S101：计算多个油滴的电荷量。

为了使得计算尽可能减小误差，对单个油滴会进行多次测量，最后求取平均值作为该油滴的电荷量。

步骤S102：将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量。

在现有技术中，计算得到多个油滴的电荷量之后，基本通过求平均值的方式或其他略微复杂的统计学方法以求获得尽可能理想的实验数值。但是这些计算方式的误差依然比较大。

在本方案中，通过一种改进的作图法实现更优的计算过程，获得更精确的计算数据。在计算得到油滴的电荷量之后，根据油滴的电荷量和最小电荷的理论值可以得到油滴中的带电荷数，这种个数一般不会出现一个或接近一个的误差。将油滴的电荷量和油滴中的带电荷数分别作为直角坐标系中的横坐标和纵坐标，投射得到对应的点。

步骤S103：拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线。

步骤S104：获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

以下内容是上述操作过程的一更详细的基于实验数据的说明。

首先，获取多个油滴的电荷量。如表1所示，其中数据为对10个油滴分别进行多次测量后得到的电荷量的各自的平均值。

表1多次测量油滴的平均值(单位：10^-19C)

如果利用现有的求取平均值的方式，根据上表中的实验数据可得：电荷的实验值平均相对误差E＝1.87％。

然后，采用本方案中改进的作图法处理表1中的密立根油滴实验的数据。如图2所示，其为表1中的油滴投射于直角坐标系中的示意图。其中横坐标为自然数n(0、1、2、3、4、…)，表示油滴的带电荷数；纵坐标表示油滴的电荷量q。将各个油滴的带电荷数和电荷量作为坐标值，将其投射到直角坐标系中可以得到图2中所示的各个点。

之后，对图2中的点进行拟合得到直线，由于电荷的量子化特性，满足q_i＝n_ie，此为一直线方程，其中n为自变量，q为因变量，e为斜率。因此m个油滴对应的数据在n～q坐标系中将在同一条过原点的直线上，找到满足这一关系的直线，通过各组数据的误差抵消，就可以求得非常精确的e值，即直线斜率。从图2中的直线中可以得到最小电荷的实验值e＝k＝1.615×10^-19C，计算得到的平均相对误差E＝0.81％，与理论值的误差小于1％。可见利用改进作图法有效地克服了原来方法的局限性，很好地解决了现有方案中实验数据的结果精度不高的问题；数据的统计分析由计算仪器自动完成，提高了运算精度和效率。

综上所述，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。

请参考图3，其是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第二实施例的方法流程图。如图所示，该方法包括：

步骤S201：采集多个油滴的视频数据。

在密立根油滴实验中，油滴的运动需要通过显微镜进行观察，为了更好地对油滴进行反复观察和轨迹回溯，通过显微镜拍摄油滴的视频数据。

步骤S202：在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴。

为了方便观察油滴的运动距离，在一个刻度界面上显示视频数据，将油滴显示于刻度界面上，方便读取油滴的运动距离。

步骤S203：根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量。

油滴的运动距离从刻度界面上可以快速读取。在刻度界面上还设置有秒表，通过点击秒表的案件进行计时并直接将计时结果输送到对应的油滴。在本方案中，为方便计算，可以设置一确定的运动距离，例如2mm。在具体的计算过程中，当油滴的运动状态稳定后，选择一刻度作为运动起点，点击秒表开始计时，该油滴运动距离达到2mm时，点击秒表结束计时，获得的时间作为油滴的运动时间，油滴的运动距离则直接为2mm，对于用户而言，操作更为简便。

所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}}$

或， $q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U}$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

上述两个计算公式分别用于密立根油滴实验的动态测量法和静态测量法，用两种方法计算电子电荷是密立根油滴实验中的公知常识，在此不做进一步的推导。

在本实施例中，两种方法用到的参数的不同主要在于时间，如表2所示，其中提供了动态测量法下的测得的数据。表中的下降时间和上升时间都是通过测量获得，其余数据都是预设(例如电压)或计算获得(例如带电量、带电荷数和单位电荷值)。

表2动态测量法测得的数据

步骤S204：将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量。

例如表2中的油滴1和油滴2投射到直角坐标系中，其对应的点分别为(7，11.376)和(7，11.228)。

步骤S205：拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线。

步骤S206：获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

拟合和计算斜率的过程可以通过现有的数学工具，例如MATLAB绘图工具实现。

综上所述，本实施例中进一步说明了视频数据的采集过程和获得运动距离以及运动时间的方法。总而言之，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。预定运动距离的操作方式使得用户的操作更为方便。

请参考图4，其是本发明实施例提供的一种密立根油滴实验数据的处理方法的第三实施例的方法流程图。如图所示，该方法包括：

步骤S301：调整油滴平衡电压，采摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

为了一次获取多个油滴的多组数据，可以在录制油滴的运动过程中实时调整油滴的平衡电压，在每个平衡电压下停留一定时间后去掉平衡电压，再停留一定时间后加上另一平衡电压，以获得油滴的多个数据，以减小误差。

步骤S302：在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

为了使油滴的观察更加清晰，油滴的参数读取更加准确，在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，在视频数据中突出显示某个或一部分油滴，获得精确的数据。

步骤S303：根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量。

所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

在上述参数中，l、t_u、t_d、U是在实验过程中获得的，其他参数是常量，无需在实验过程中获取。

步骤S304：将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量。

步骤S305：拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线。

步骤S306：获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

综上所述，本实施例中进一步说明了更详细的实验数据的生成方式，更精确的数据读取方式。总而言之，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。对实验数据生成和读取的改进尽可能降低了实验结果的误差。

以下为本发明一种密立根油滴实验数据的处理装置的实施例。处理装置的实施例基于处理方法的实施例实现，在处理装置的实施例中未尽的说明，请参考前述处理方法的实施例。

请参考图5，其是本发明一种密立根油滴实验数据的处理装置的第一实施例的结构方框图，如图所示，该处理装置包括：

电荷量计算单元510，用于计算多个油滴的电荷量；

坐标投射单元520，用于将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

直线拟合单元530，用于拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

斜率计算单元540，用于获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

上述各单元的配合工作，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。

请参考图6，其是本发明一种密立根油滴实验数据的处理装置的第二实施例的结构方框图，如图所示，该处理装置包括：

电荷量计算单元510，用于计算多个油滴的电荷量；

坐标投射单元520，用于将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

直线拟合单元530，用于拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

斜率计算单元540，用于获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

其中，还包括：

视频采集单元500，用于采集多个油滴的视频数据；

所述电荷量计算单元510，包括：

视频数据显示模块511，用于在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

油滴参数计算模块512，用于根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

上述模块的配合工作进一步优化了视频数据的采集过程和获得运动距离以及运动时间的方法。总而言之，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。预定运动距离的操作方式使得用户的操作更为方便。

以下是本发明一种密立根油滴实验数据的处理装置的第三实施例，该处理装置包括：

电荷量计算单元510，用于计算多个油滴的电荷量；

坐标投射单元520，用于将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

直线拟合单元530，用于拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

斜率计算单元540，用于获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

其中，还包括：

视频采集单元500，用于采集多个油滴的视频数据；

所述电荷量计算单元510，包括：

视频数据显示模块511，用于在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

油滴参数计算模块512，用于根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

其中，所述视频采集单元500，具体用于：

摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

其中，所述视频数据显示模块511，具体用于：

在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

其中，还包括：电压调整单元501，用于在所述采集采集单元采集多个油滴的视频数据时，调整油滴平衡电压。

综上所述，本实施例中进一步说明了更详细的实验数据的生成方式，更精确的数据读取方式。总而言之，通过计算多个油滴的电荷量，将多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中，将投射得到点拟合生成直线，直线的斜率即为电子电荷的实验值，数据的计算过程为计算设备自动实时处理，拟合求斜率的计算方式更精确。对实验数据生成和读取的改进尽可能降低了实验结果的误差。

本方案还提供了一种密立根油滴实验数据的处理系统的硬件结构，如图7所示，所述密立根油滴实验数据的处理系统包括：密立根油滴室101、CCD显微镜102、摄像机103、视频采集卡104、存储器105、处理器106和显示控制外设107。密立根油滴室101用于进行密立根油滴实验；CCD显微镜102用于观察密立根油滴室内的油滴；摄像机103用于从CCD显微镜102的目镜采集油滴运动图像；所述视频采集卡104用于将油滴运动图像转换为视频数据；所述存储器105可以包括一个或一个以上计算机可读存储介质，而且其不但包括内部存储器，还包括外部存储器。该存储器105中存储有操作系统及密立根油滴实验数据的处理应用程序等；显示控制外设107用于显示视频数据、数据处理结果以及对实验过程中平衡电压的控制；处理器106用于调用存储器105中的密立根油滴实验数据的处理应用程序，以执行以下操作：

计算多个油滴的电荷量；

将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种密立根油滴实验数据的处理方法，其特征在于，包括：

计算多个油滴的电荷量；

将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

2.根据权利要求1所述的一种密立根油滴实验数据的处理方法，其特征在于，所述计算多个油滴的电荷量之前，还包括：

采集多个油滴的视频数据；

所述计算多个油滴的电荷量，包括：

在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

3.根据权利要求2所述的一种密立根油滴实验数据的处理方法，其特征在于，所述采集多个油滴的视频数据，具体为：

摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

4.根据权利要求2所述的一种密立根油滴实验数据的处理方法，其特征在于，所述在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴，具体为：

在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

5.根据权利要求2所述的一种密立根油滴实验数据的处理方法，其特征在于，所述采集多个油滴的视频数据时，还包括：

调整油滴平衡电压。

6.一种密立根油滴实验数据的处理装置，其特征在于，包括：

电荷量计算单元，用于计算多个油滴的电荷量；

坐标投射单元，用于将所述多个油滴的电荷量投射到直角坐标系中得到多个点，所述直角坐标系的横轴表示所述油滴的带电荷数，所述直角坐标系的纵轴表示所述电荷量；

直线拟合单元，用于拟合所述多个点生成过直角坐标系的原点的直线；

斜率计算单元，用于获得最小电荷的实验值，所述实验值为所述直线的斜率。

7.根据权利要求6所述的一种密立根油滴实验数据的处理装置，其特征在于，还包括：

视频采集单元，用于采集多个油滴的视频数据；

所述电荷量计算单元，包括：

视频数据显示模块，用于在刻度界面上显示视频数据，以从所述视频数据中选取多个油滴；

油滴参数计算模块，用于根据所述视频数据获取所述油滴的运动距离和运动时间，将所述运动距离和运动时间代入计算公式算得电荷量，所述计算公式为：

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{1+\frac{b}{\mathrm{pa}}}\right]}^{\frac{3}{2}}\·\frac{d}{U}(\frac{1}{t_u}+\frac{1}{t_d}){\left(\frac{1}{t_d}\right)}^{\frac{1}{2}},$ 或

$q=\frac{18\mathrm{\π}}{\sqrt{2\mathrm{\ρg}}}{\left[\frac{\mathrm{\ηl}}{t_d(1+\frac{b}{\mathrm{pa}})}\right]}^{\frac{3}{2}}\frac{d}{U},$

其中：ρ表示油滴密度；g表示重力加速度；η表示空气粘滞系数；l表示油滴匀速运动的运动距离；b表示修正常数；a表示油滴半径；p表示大气压强；d表示平行极板间距离；t_u表示油滴匀速上升l的运动时间；t_d表示油滴匀速下降l的运动时间；U表示油滴平衡电压。

8.根据权利要求7所述的一种密立根油滴实验数据的处理装置，其特征在于，所述视频采集单元，具体用于：

摄像机的镜头正对CCD显微镜的目镜采集油滴运动图像，视频采集卡将所述油滴运动图像转换为视频数据。

9.根据权利要求7所述的一种密立根油滴实验数据的处理装置，其特征在于，所述视频数据显示模块，具体用于：

在刻度界面上显示视频数据，调整视频数据的图像亮度和对比度，从调整后的视频数据中选取多个油滴。

10.根据权利要求7所述的一种密立根油滴实验数据的处理装置，其特征在于，还包括：电压调整单元，用于在所述采集采集单元采集多个油滴的视频数据时，调整油滴平衡电压。