基本電荷電量的自動測量裝置及測量方法
2023-10-21 11:11:12 1
專利名稱：基本電荷電量的自動測量裝置及測量方法
技術領域：
本發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：
密立根是著名的實驗物理學家，他在總結前人實驗的基礎上，著手電子電荷量的測量研究，之後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。傳統教學中採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，但由於儀器自身的限制，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。
發明內容
本發明為應用於物理實驗中，針對傳統裝置的缺點，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，用於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，當到達一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調節旋鈕，精確調節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，用於控制實驗的開始與結束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監測油滴達到勻速下降狀態，並計算油滴速度；圖像數據傳輸線，用於將拍攝到的圖像數據傳輸到圖像處理電路進行圖像處理；數字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用於捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；微控制器電路板；其特徵在於，微控制器電路板包括數模轉換電路和極板驅動電路，根據電壓調節旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同佔空比的電壓信號，該信號通過驅動電路產生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；晶振電路，用於實現定時器的定時功能；圖像處理電路，對圖像數據進行處理後送入微控制器進行相關運算；微控制器LPC2294，控制數模轉化電路和驅動電路，實現了電極板間電壓的精確調節，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據，當油滴達到勻速下降狀態時，根據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，然後根據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，並將正確的計算結果保存的數據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。本發明還公開了一種油滴法自動測基本電荷電量的方法，應用於物理實驗中，採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，當到達一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設置電壓調節旋鈕精確調節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；根據電壓調節旋鈕的輸入，數模轉換電路和極板驅動電路輸出不同頻率、不同佔空比的電壓信號，該信號通過驅動電路產生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；設置計時按鍵，用於控制實驗的開始與結束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監測油滴達到勻速下降狀態，並計算油滴速度；採用一個晶振電路來實現定時功能；通過數字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用於捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；將拍攝到的圖像數據通過圖像數據傳輸線傳輸到圖像處理電路進行圖像處理；對圖像數據進行處理後將其送入微控制器進行相關運算；由一個微控制器LPC2294來控制數模轉化電路和驅動電路，實現電極板間電壓的精確調節，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據，當油滴達到勻速下降狀態時，根據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，然後根據相關公式計算油滴中總的電量，進而計算基本電荷的電量，並將正確的計算結果保存的數據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構框圖；I鋁合金機箱、2-油滴盒、3-數字顯微攝像頭、4-三檔開關、5-電壓調節旋鈕、6-計時按鍵、7-微控制器電路板、8-圖像數據傳輸線、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節旋鈕(5)精確調節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，當到達一定速度時，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，發現合適的油滴時，通過按下計時按鍵(6)開始實驗，微控制器會自動監測油滴達到勻速下降狀態，並計算油滴速度。4.油滴在油滴盒(2)的帶電極板間做垂直下降運動，數字顯微攝像頭(3)對極板間油滴進行掃描攝像，圖像數據經過電路(7)中圖像處理電路處理後送入微處理器中進行相關運算，並將圖像信號送入顯示屏驅動電路，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.利用處理器內部的定時器功能，提取出間隔時間相同的若干組圖像數據；b.圖像中油滴位置的亮度遠大於圖像中其他位置的亮度，進行灰度處理後，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，根據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.根據實驗裝置測得的數據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，並將正確的計算結果保存的數據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
權利要求
1.一種基本電荷電量的自動測量裝置，應用於物理實驗中，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，用於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，當到達一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調節旋鈕，精確調節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，用於控制實驗的開始與結束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監測油滴達到勻速下降狀態，並計算油滴速度； 圖像數據傳輸線，用於將拍攝到的圖像數據傳輸到圖像處理電路進行圖像處理； 數字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用於捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 微控制器電路板； 其特徵在於，微控制器電路板包括 數模轉換電路和極板驅動電路，根據電壓調節旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同佔空比的電壓信號，該信號通過驅動電路產生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 晶振電路，用於實現定時器的定時功能； 圖像處理電路，對圖像數據進行處理後送入微控制器進行相關運算； 微控制器LPC2294，控制數模轉化電路和驅動電路，實現了電極板間電壓的精確調節，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據，當油滴達到勻速下降狀態時，根據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，然後根據公式
2.—種基本電荷電量的自動測量方法，應用於物理實驗中， 採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，當到達一定速度時，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設置電壓調節旋鈕精確調節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； 根據電壓調節旋鈕的輸入，數模轉換電路和極板驅動電路輸出不同頻率、不同佔空比的電壓信號，該信號通過驅動電路產生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 設置計時按鍵，用於控制實驗的開始與結束，當按下計時按鍵時，開始實驗，微控制器會自動監測油滴達到勻速下降狀態，並計算油滴速度； 採用一個晶振電路來實現定時功能； 通過數字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用於捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 將拍攝到的圖像數據通過圖像數據傳輸線傳輸到圖像處理電路進行圖像處理； 對圖像數據進行處理後將其送入微控制器進行相關運算； 由一個微控制器LPC2294來控制數模轉化電路和驅動電路，實現電極板間電壓的精確調節，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據，當油滴達到勻速下降狀態時，根據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，然後根據公式
全文摘要
本發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、電壓調節旋鈕、計時按鍵、圖像數據傳輸線、數字顯微攝像頭、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模轉換電路和極板驅動電路、晶振電路、圖像處理電路和微控制器。實現了電極板間電壓的精確調節，克服了傳統裝置因為解析度低清晰度不夠難以分辨油滴和汙點的缺點，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 優先權日2013年1月5日
發明者仝步升, 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, 國家電網公司