基本電荷電量的自動測量裝置的製作方法
2023-10-21 11:07:17 1
專利名稱：基本電荷電量的自動測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型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。
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.傳統裝置採用CRT顯示屏，屏幕不能清楚地顯示油滴，實驗人員無法分辨油滴和鏡頭上的汙點。3.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。
實用新型內容本實用新型為應用於物理實驗中，針對傳統裝置的缺點，設計了一種基本電荷電量的自動測量裝置，其特徵在於，該裝置中測量油滴速度的部分包括:電壓調節旋鈕，可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；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；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，供實驗人員進行分析和實驗教師為學生評分。
圖1為一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置正面示意圖；圖2為一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。當油滴進入油滴盒(2)的帶電極板間時，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。通過控制三檔開關
(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。在液晶顯示屏(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)開始計時，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。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。其中，處理器利用內部的定時器功能，提取出間隔時間相同的若干組圖像數據。由於圖像中油滴位置的亮度遠大於圖像中其他位置的亮度，因此進行灰度處理後，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，是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。當相同時間間隔下油滴縱坐標差值相同時，即為油滴達到勻速下降狀態，然後處理器根據油滴下降距離和定時器時間間隔計算出油滴勻速下降的速度和油滴中總的電量，從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。如圖2所示，是一種油滴法自動測基本電荷電量的裝置中電路板的結構框圖。油滴進入油滴盒的帶電極板間，實驗人員通過控制極板間電壓，使垂直方向上重力和極板電場力平衡，油滴保持靜止狀態。針對傳統裝置極板電壓精度低，油滴難以靜止的缺點，本裝置電路板中採用數模轉換電路和極板驅動電路，數模轉換電路可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，力口在油滴盒的極板上，滿足油滴平衡條件，實現了電極板間油滴盒中電壓的精確調節。數字顯微攝像頭拍攝的油滴圖像數據，通過數據線進入電路板，圖像數據處理電路對圖像數據進行處理後送入微控制器，顯示屏驅動電路控制液晶屏，將圖像數據顯示到液晶屏上。因此，本實用新型的一種實施方式是一種基本電荷電量的自動測量裝置，該裝置具有: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；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；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；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；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；[0024]其特徵在於，微控制器電路板包括: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，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和油滴中總的電量，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。本實用新型具有如下憂點:1.利用微控制器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，避免了傳統裝置因為電壓可調精度有限造成的測量誤差。2.利用數字顯微攝像頭和液晶顯示屏捕捉拍攝油滴的清晰圖像，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，實驗人員能夠清晰觀察到合適油滴，排除汙點、過大過小油滴的幹擾，並按下按鍵開始實驗。3.利用控制器的定時器功能，每隔相同時間段拍攝油滴下降圖像，對圖像進行處理，計算油滴下降距離，當下降距離相同時即油滴達到勻速下降狀態，不需實驗人員依靠肉眼觀察液晶屏實現油滴是否勻速的判斷，從而準確測量油滴勻速下降的速度，微控制器會根據定時器間隔時間和下降距離，自動計算油滴速度。根據裝置測量的實驗數據，裝置可以自動計算基本電荷的電量及測量誤差，並將正確的實驗結果保存到數據存儲器中或顯示到顯示屏上。由於採用高解析度的數字顯微攝像頭和圖像數據處理電路後得到的圖像清晰穩定，實驗人員可以很好的分辨適合實驗的油滴，排除汙點、過大過小油滴的幹擾。微控制器電路利用高清數字顯微攝像頭的圖像自動判斷油滴到達勻速下降狀態的時刻，準確測量油滴下降時間，自動計算油滴速度。裝置測得實驗數據後，通過微控制器得到油滴所帶電荷量、基本電荷電量，並計算實驗誤差，得到的計算結果將保存到存儲器電路中，供實驗人員分析和實驗教師為學生評分。以上所述實施例僅表達了本實用新型優選的實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本實用新型專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種基本電荷電量的自動測量裝置，其特徵在於，該裝置中測量油滴速度的部分包括: 電壓調節旋鈕，可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； 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；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。
2.如權利要求1所述的一種基本電荷電量的自動測量裝置，其特徵在於，該裝置還具有: 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； 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； 圖像處理電路，對圖像數據進行處理後送入微控制器計算基本電荷的電量。
專利摘要本實用新型涉及一種基本電荷電量的自動測量裝置，其特徵在於，該裝置中測量油滴速度的部分包括電壓調節旋鈕，可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；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；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。
文檔編號G09B23/18GK202996146SQ20132000282
公開日2013年6月12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