CN105259081A - 一种布朗运动测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布朗运动测量仪，包括底座、光源、观察片、支架、三轴程控电机、显微镜、摄像头、电脑，其中光源固定在底座的中间，支架固定在底座一侧，三轴程控电机固定在支架上，摄像头固定在显微镜上端，观察片放在显微镜下方的底座上表面，显微镜竖直固定在三轴程控电机上并可以在轴程控电机的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。以前的装置通过显微镜观察布朗运动并测量位移时，只能测量实际位移在观察平面xy上的投影值，在z轴方向上的位移无法测量，测量误差大，导致最终的阿伏伽德罗常数测量结果比标准值大。本发明通过镜头自动寻踪技术，精确记录镜头xyz方向上的坐标位置，可以得到精确的位移测量结果，提高了测量的精度。

Description

一种布朗运动测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于实验仪器技术领域，尤其涉及一种布朗运动测量仪及测良方法。

背景技术

英国植物学家罗伯特·布朗在1828年和1829年的《哲学》杂志上发表了两篇文章，描述自己在1927年夏天在显微镜下观察到花粉微粒在液体中的不停顿的运动,后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象，人们称微粒的这种运动为布朗运动。起初人们不了解布朗运动的原因,50年后在1877年德耳索才正确地指出,布朗运动是颗粒受到介质分子碰撞不平衡引起的。1903年由于发明了超显微镜之后,用超显微镜可以观察到溶胶粒子也在不停地作布朗运动,而且粒子越小,布朗运动越剧烈,其剧烈的程度随温度升高而增加,但是未做精确的测量。直到1905年和1906年,爱因斯坦和斯莫鲁霍夫斯基分别提出了布朗运动理论,其基本观点是认为布朗运动和分子运动完全类似,爱因斯坦认为尽管布朗运动看起来复杂而无规则,但在一定条件下,在一定时间内粒子所移动的平均位移却具有一定的数值的。1907年佩兰用实验证实了爱因斯坦的理论是正确的，爱因斯坦对布朗运动的研究结果对20世纪物理学的发展具有重要意义，至今,布朗运动的理论已被普遍接受,布朗运动的概念也已写入中学物理教材，但是由于实验仪器和实验条件的限制,布朗运动实验一直都是教学的难点。

爱因斯坦理论给出悬浮物质的扩散系数D可由公式D＝RT/N6πkr(1)得到，其中R是气体常数,T是温度,k是黏度,r是悬浮粒子的半径。一个半径为D的小球型的悬浮物质在液体中的粒子在x轴方向上的均方根位移是因此,平均位移与时间间隔t的平方根成正比。根据(1)式和(2)式我们可以得到由(3)式可知，通过测量一个半径为r的小球型悬浮物质在液体中的x轴方向上的均方根位移可以得到阿伏伽德罗常数N。但目前布朗运动实验仪大多只能作为布朗运动的演示装置，有极少部分仪器可以对布朗运动进行定量的描述和测量，但所测的阿伏伽德罗常数N误差均比较大，难以得到高精度的阿伏伽德罗常数N测量值，分析其原因，主要是因为测量过程中的悬浮粒子的运动是三维的且方向是随机的，其运动位移难以准确测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种布朗运动测量仪，能够准确的测量布朗运动实验中微粒位移。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种布朗运动测量仪，包括底座、光源、观察片、支架、三轴程控电机、显微镜、摄像头、电脑，其中光源固定在底座的中间，支架固定在底座一侧，三轴程控电机固定在支架上，摄像头固定在显微镜上端，观察片放在显微镜下方的底座上表面，显微镜竖直固定在三轴程控电机上并可以在轴程控电机的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。

进一步的，光源为白光LED。

进一步的，观察片由透明的载玻片与盖玻片装配而成，具体装备结构为底部为载玻片，上部为盖玻片，在载玻片与盖玻片四周通过防水固化胶将载玻片与盖玻片平行固定在一起，载玻片与盖玻片中间夹有一厚度在1mm-10mm的花粉悬浊液。

进一步的，三轴程控电机采用CL-03C三轴控制器。

进一步的，显微镜的放大倍数可调且放大倍数B可读。

进一步的，摄像头采用具有自动对焦功能的数码摄像头且屏幕显示的放大倍数b可读。

基于前述的布朗运动测量仪，本发明还提供了一种布朗运动测测量方法，包括如下步骤：

(1)调节显微镜与摄像头，在电脑的屏幕上能观察到清晰的花粉图像，选定其中一个花粉作为测量对象，该测量对象即为布朗粒子；

(2)用游标卡尺直接测量此布朗粒子在屏幕上的半径rr；

(3)读出显微镜的放大倍数B与摄像头7的放大倍数b；

(4)得到此布朗粒子的真实半径r＝rr/Bb；

(5)启动摄像头自动捕捉功能，通过三轴程控电机改变镜头在x轴、y轴z轴上的位置，使得该位置点始终处于镜头中央焦点处位置，根据设定的时间间隔t，记录该位置点坐标；

(6)根据记录的位置点坐标，得到n次的x轴方向的位移测量值λ_x；

(7)根据设定的时间间隔t与记录的位置坐标在电脑屏幕上重构或再现布朗运动过程；

(8)通过温度计得到环境温度T，根据时间间隔t与n次的位移测量值，通过式计算出阿伏伽德罗常数N，其中黏度k取值1.35×10^-3N·s/m²。

本发明所达到的有益效果是：通常的布朗运动装置通过显微镜观察布朗运动并测量位移时，只能测量实际位移在观察平面xy上的投影值，在z轴方向上的位移无法测量，虽然通过压膜技术可实现准二维测量，但还是会给实验带来比较大的测量误差(位移测量值总是比实际位移要小)，导致最终的阿伏伽德罗常数测量结果比标准值大(误差在10％以上)，无法准确测量。本实验装置通过镜头自动寻踪技术，精确记录镜头x、y、z方向上的坐标位置，可以得到精确的位移测量结果，提高了实验测量的精度。解决的核心问题是：精确测量布朗粒子在悬浮液里面的位移值。

附图说明

图1是本发明一种布朗运动测量仪的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

参照图1，一种布朗运动测量仪包括：底座1、光源2、观察片3、支架4、三轴程控电机5、显微镜6、摄像头7、电脑8，其中光源2固定在底座1的中间，支架4固定在底座1一侧，三轴程控电机5固定在支架4上，摄像头7固定在显微镜6上端，观察片3放在显微镜6下方的底座1上表面，显微镜6竖直固定在三轴程控电机5上并可以在轴程控电机5的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。光源2采用广东深圳科天微数码公司的1W大功率80-90LM的白光LED；观察片3其尺寸为30mm*30mm的正方形，由透明的载玻片与盖玻片装配而成，具体装备结构为底部为载玻片，上部为盖玻片，在载玻片与盖玻片四周通过防水固化胶将载玻片与盖玻片平行固定在一起，载玻片与盖玻片中间夹有一厚度在3mm的油菜花花粉悬浊液(其面积为25mm*25mm)；进一步的，三轴程控电机5采用北京奥福宜通CL-03C三轴控制器；显微镜6采用江西凤凰生物显微镜XSP-06-1600X，放大倍数B在50到1600倍间可调且放大倍数可读；摄像头7采用罗技C525高清800万像素自动对焦USB摄像头，屏幕显示的放大倍数b在10-100倍之间可调且可读。

基于上述布朗运动测量仪本发明还提供了一种布朗运动测量方法，包括如下步骤：

(1)调节显微镜6与摄像头7，在电脑8的屏幕上能观察到清晰的花粉图像，选定其中某个花粉作为测量对象，又称之为布朗粒子；

(2)用游标卡尺直接测量此布朗粒子在屏幕上的半径rr＝5.12mm；

(3)读出显微镜6的放大倍数B＝500与摄像头7的放大倍数b＝10；

(4)得到此布朗粒子的真实半径r＝rr/Bb＝0.00102mm；

(5)启动摄像头7自动捕捉功能，通过三轴程控电机5改变镜头的空间坐标位置，使得该点始终处于镜头中央焦点处位置，根据设定的时间间隔t＝3.0s，设定位置坐标(0，0，0)，分别记录n次(n＝6)的xyz的位置坐标(0.456，0.323，0.178)、(0.014，-0.125，-0.196)、(-0.399，-0.512，-0.586)、(0.026，-0.203，-0.189)、(-0.402，0.196，0.267)、(-0.827，-0.258，-0.178)；

(6)根据记录该位置点的xyz的位置坐标，得到n次(n＝6)的x轴方向的位移测量值λ_x＝0.456，0.442，0.413，0.427，0.428，0.425；

(7)根据设定的时间间隔t与记录的xyz的位置坐标，可以在电脑屏幕上重构或再现布朗运动过程；

(8)通过温度计得到环境温度T＝295.4K，黏度k取值1.35×10^-3N·s/m²，根据时间间隔t＝3.0s与n＝6次的位移测量值，通过式可计算出阿伏伽德罗常数N＝6.07，与标准值的误差为1％。

对比例

采用山东菏泽神宏桥教学仪器研究所的X33061布朗运动演示装置测量观察片3中的花粉布朗运动，得到室温T＝295.4K，粒子直径0.001mm，1.35×10^-3N·s/m²，t＝3.0s条件下，测量次数n＝6次的位移测量值分别为：0.432，0.426，0.406，0.402，0.413，0.408，可计算出阿伏伽德罗常数N＝6.9，与标准值的误差为10％。由对比也可得知本发明的测量更加精确。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种布朗运动测量仪，其特征在于：包括底座(1)、光源(2)、观察片(3)、支架(4)、三轴程控电机(5)、显微镜(6)、摄像头(7)、电脑(8)，其中光源(2)固定在底座(1)的中间，支架(4)固定在底座(1)一侧，三轴程控电机(5)固定在支架(4)上，摄像头(7)固定在显微镜(6)上端，观察片(3)放在显微镜(6)下方的底座(1)上表面，显微镜(6)竖直固定在三轴程控电机(5)上并可以在轴程控电机(5)的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种布朗运动测量仪，其特征在于：光源(2)为白光LED。

3.根据权利要求1所述的一种布朗运动测量仪，其特征在于：观察片(3)由透明的载玻片与盖玻片装配而成，具体装备结构为底部为载玻片，上部为盖玻片，在载玻片与盖玻片四周通过防水固化胶将载玻片与盖玻片平行固定在一起，载玻片与盖玻片中间夹有一厚度在1mm-10mm的花粉悬浊液。

4.根据权利要求1所述的一种布朗运动测量仪，其特征在于：三轴程控电机(5)采用CL-03C三轴控制器。

5.根据权利要求1所述的一种布朗运动测量仪，其特征在于：显微镜(6)的放大倍数可调且放大倍数B可读。

6.根据权利要求1所述的一种布朗运动测量仪，其特征在于：摄像头(7)采用具有自动对焦功能的数码摄像头且屏幕显示的放大倍数b可读。

7.一种布朗运动测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)调节显微镜(6)与摄像头(7)，在电脑(8)的屏幕上能观察到清晰的花粉图像，选定其中一个花粉作为测量对象，该测量对象即为布朗粒子；

(2)用游标卡尺直接测量此布朗粒子在屏幕上的半径rr；

(3)读出显微镜(6)的放大倍数B与摄像头7的放大倍数b；

(4)得到此布朗粒子的真实半径r＝rr/Bb；

(5)启动摄像头(7)自动捕捉功能，通过三轴程控电机(5)改变镜头在x轴、y轴z轴上的位置，使得该位置点始终处于镜头中央焦点处位置，根据设定的时间间隔t，位置点坐标；

(6)根据记录的的位置坐标，得到n次的x轴方向的位移测量值λ_x；

(7)根据设定的时间间隔t与记录的位置坐标在电脑屏幕上重构或再现布朗运动过程；

(8)通过温度计得到环境温度T，根据时间间隔t与n次的位移测量值，通过式计算出阿伏伽德罗常数N，其中黏度k取值1.35×10^-3N·s/m²。