專利名稱：基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置及方法。
背景技術(shù)：
密立根是著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他在總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著手電子電荷量的測(cè)量研究，之后改為以微小的油滴作為帶電體，證實(shí)了電荷的量子化，完成了基本電荷量的測(cè)量工作。我們把密立根測(cè)基本電荷電量的方法稱為油滴法。傳統(tǒng)教學(xué)中采用的油滴法測(cè)基本電荷電量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作雖然比較簡(jiǎn)單，但由于儀器自身的限制，加上學(xué)生的操作誤差，常常不能得到令人滿意的測(cè)量精度。傳統(tǒng)裝置的缺點(diǎn)有以下幾個(gè)方面1.油滴盒中兩個(gè)帶電極板間的電壓可調(diào)精度有限，造成實(shí)驗(yàn)中極板間的油滴重力和電場(chǎng)力不能恰好平衡，油滴會(huì)存在緩慢的漂移。2.實(shí)驗(yàn)人員肉眼很難判斷油滴進(jìn)入勻速下降的時(shí)刻，導(dǎo)致油滴的下降時(shí)間和下降
距離測(cè)量誤差，進(jìn)而導(dǎo)致油滴速度測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)傳統(tǒng)裝置的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置。本裝置具有鋁合金機(jī)箱，油滴盒，帶指示燈的電源開(kāi)關(guān)，三檔開(kāi)關(guān)，用于控制電場(chǎng)力的施加與否，當(dāng)去掉電場(chǎng)力時(shí)，油滴受重力作用加速下降，同時(shí)受到與速度成正比的空氣阻力，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí)，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調(diào)節(jié)旋鈕，精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當(dāng)垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡時(shí)，油滴保持靜止；計(jì)時(shí)按鍵，用于控制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始與結(jié)束，當(dāng)按下計(jì)時(shí)按鍵時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，微控制器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，并計(jì)算油滴速度；圖像數(shù)據(jù)傳輸線，用于將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理電路進(jìn)行圖像處理；數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；微控制器電路板；其特征在于，微控制器電路板包括數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；晶振電路，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的定時(shí)功能；圖像處理電路，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送入微控制器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；微控制器LPC2294，控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時(shí)器的時(shí)間間隔提取出間隔時(shí)間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)時(shí)，根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算油滴中總的電量，進(jìn)而計(jì)算基本電荷的電量，并將正確的計(jì)算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中或顯示到顯示屏上，供實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)教師為學(xué)生評(píng)分。本發(fā)明還公開(kāi)了一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的方法，應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中，采用三檔開(kāi)關(guān)控制電場(chǎng)力的施加與否，當(dāng)去掉電場(chǎng)力時(shí)，油滴受重力作用加速下降，同時(shí)受到與速度成正比的空氣阻力，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí)，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設(shè)置電壓調(diào)節(jié)旋鈕精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當(dāng)垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡時(shí)，油滴保持靜止；根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上；設(shè)置計(jì)時(shí)按鍵，用于控制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始與結(jié)束，當(dāng)按下計(jì)時(shí)按鍵時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，微控制器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，并計(jì)算油滴速度；采用一個(gè)晶振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能；通過(guò)數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像；將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)圖像數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)綀D像處理電路進(jìn)行圖像處理；對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將其送入微控制器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；由一個(gè)微控制器LPC2294來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時(shí)器的時(shí)間間隔提取出間隔時(shí)間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)時(shí)，根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算油滴中總的電量，進(jìn)而計(jì)算基本電荷的電量，并將正確的計(jì)算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中或顯示到顯示屏上。


圖1 一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置正面示意圖；圖2 —種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置電路板結(jié)構(gòu)框圖；I鋁合金機(jī)箱、2-油滴盒、3-數(shù)字顯微攝像頭、4-三檔開(kāi)關(guān)、5-電壓調(diào)節(jié)旋鈕、6-計(jì)時(shí)按鍵、7-微控制器電路板、8-圖像數(shù)據(jù)傳輸線、9-帶指示燈的電源開(kāi)關(guān)、10-液晶顯示屏。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，是一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置正面示意圖，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)1.油滴進(jìn)入油滴盒(2)的帶電極板間，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)裝置上的電壓調(diào)節(jié)旋鈕(5)精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當(dāng)垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡時(shí)，油滴保持靜止。2.實(shí)驗(yàn)人員控制三檔開(kāi)關(guān)(4)去掉電場(chǎng)力，油滴受重力作用加速下降，同時(shí)受到與速度成正比的空氣阻力，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí)，阻力與重力平衡，油滴勻速下降。3.實(shí)驗(yàn)人員從液晶顯示屏(10)上可以清晰地觀察到油滴，發(fā)現(xiàn)合適的油滴時(shí)，通過(guò)按下計(jì)時(shí)按鍵(6)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，微控制器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，并計(jì)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(yùn)動(dòng)，數(shù)字顯微攝像頭(3)對(duì)極板間油滴進(jìn)行掃描攝像，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電路(7)中圖像處理電路處理后送入微處理器中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將圖像信號(hào)送入顯示屏驅(qū)動(dòng)電路，顯示到液晶屏上。微控制器中處理計(jì)算圖像中油滴下降距離的步驟如下a.利用處理器內(nèi)部的定時(shí)器功能，提取出間隔時(shí)間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)；b.圖像中油滴位置的亮度遠(yuǎn)大于圖像中其他位置的亮度，進(jìn)行灰度處理后，判斷亮度最大點(diǎn)即為油滴，確定此點(diǎn)的坐標(biāo)即為油滴的橫縱坐標(biāo)。油滴做垂直下降運(yùn)動(dòng)，兩幅圖像中亮度最大點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同，為不同時(shí)刻的同一個(gè)油滴，兩幅圖像中油滴縱坐標(biāo)的差值即為油滴下降距離；c.相同時(shí)間間隔下油滴縱坐標(biāo)差值相同，即為油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算油滴勻速下的速度。5.根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)和相關(guān)公式計(jì)算油滴中總的電量，進(jìn)而計(jì)算基本電荷的電量，并將正確的計(jì)算結(jié)果保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中或顯示到顯示屏上，供實(shí)驗(yàn)人員分析和實(shí)驗(yàn)教師為學(xué)生評(píng)分。計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中，該裝置具有鋁合金機(jī)箱，油滴盒，帶指示燈的電源開(kāi)關(guān)， 三檔開(kāi)關(guān)，用于控制電場(chǎng)力的施加與否，當(dāng)去掉電場(chǎng)力時(shí)，油滴受重力作用加速下降，同時(shí)受到與速度成正比的空氣阻力，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí)，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；電壓調(diào)節(jié)旋鈕，精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當(dāng)垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡時(shí)，油滴保持靜止； 計(jì)時(shí)按鍵，用于控制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始與結(jié)束，當(dāng)按下計(jì)時(shí)按鍵時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，微控制器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，并計(jì)算油滴速度； 圖像數(shù)據(jù)傳輸線，用于將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀D像處理電路進(jìn)行圖像處理； 數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 微控制器電路板； 其特征在于，微控制器電路板包括 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 晶振電路，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的定時(shí)功能； 圖像處理電路，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送入微控制器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算； 微控制器LPC2294，控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時(shí)器的時(shí)間間隔提取出間隔時(shí)間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)時(shí)，根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)公式
2.—種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量方法，應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中， 采用三檔開(kāi)關(guān)控制電場(chǎng)力的施加與否，當(dāng)去掉電場(chǎng)力時(shí)，油滴受重力作用加速下降，同時(shí)受到與速度成正比的空氣阻力，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí)，阻力與重力平衡，油滴勻速下降；設(shè)置電壓調(diào)節(jié)旋鈕精確調(diào)節(jié)油滴盒中極板間電壓，當(dāng)垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡時(shí)，油滴保持靜止； 根據(jù)電壓調(diào)節(jié)旋鈕的輸入，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路輸出不同頻率、不同占空比的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同大小的電壓，加在油滴盒的極板上； 設(shè)置計(jì)時(shí)按鍵，用于控制實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始與結(jié)束，當(dāng)按下計(jì)時(shí)按鍵時(shí)，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，微控制器會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，并計(jì)算油滴速度； 采用一個(gè)晶振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能； 通過(guò)數(shù)字顯微攝像頭和液晶顯示屏，用于捕捉拍攝和觀看油滴的清晰圖像； 將拍攝到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)圖像數(shù)據(jù)傳輸線傳輸?shù)綀D像處理電路進(jìn)行圖像處理； 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將其送入微控制器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算； 由一個(gè)微控制器LPC2294來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)化電路和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，控制定時(shí)器的時(shí)間間隔提取出間隔時(shí)間相同的若干組圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)時(shí)，根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算油滴勻速下降的速度，然后根據(jù)公式
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置及方法，具有鋁合金機(jī)箱，油滴盒、帶指示燈的電源開(kāi)關(guān)、三檔開(kāi)關(guān)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕、計(jì)時(shí)按鍵、圖像數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)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(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路、晶振電路、圖像處理電路和微控制器。實(shí)現(xiàn)了電極板間電壓的精確調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)裝置因?yàn)榉直媛实颓逦炔粔螂y以分辨油滴和污點(diǎn)的缺點(diǎn)，準(zhǔn)確測(cè)量油滴勻速下降的速度，自動(dòng)計(jì)算基本電荷的電量及測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G09B23/18GK103065531SQ20131000188
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者仝步升, 高明, 王啟銀, 王曉強(qiáng), 趙銳 申請(qǐng)人:山西省電力公司大同供電分公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司