專(zhuān)利名稱(chēng)：基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種物理實(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。
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(chēng)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.傳統(tǒng)裝置采用CRT顯示屏，屏幕不能清楚地顯示油滴，實(shí)驗(yàn)人員無(wú)法分辨油滴和鏡頭上的污點(diǎn)。3.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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為應(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)了一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置中測(cè)量油滴速度的部分包括:電壓調(diào)節(jié)旋鈕，可精確調(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；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；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，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。

圖1為一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置正面示意圖；圖2為一種油滴法自動(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。當(dāng)油滴進(jìn)入油滴盒(2)的帶電極板間時(shí)，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。通過(guò)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。在液晶顯示屏(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)始計(jì)時(shí)，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。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。其中，處理器利用內(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)。由于圖像中油滴位置的亮度遠(yuǎn)大于圖像中其他位置的亮度，因此進(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，是不同時(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。當(dāng)相同時(shí)間間隔下油滴縱坐標(biāo)差值相同時(shí)，即為油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，然后處理器根據(jù)油滴下降距離和定時(shí)器時(shí)間間隔計(jì)算出油滴勻速下降的速度和油滴中總的電量，從而計(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。如圖2所示，是一種油滴法自動(dòng)測(cè)基本電荷電量的裝置中電路板的結(jié)構(gòu)框圖。油滴進(jìn)入油滴盒的帶電極板間，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)控制極板間電壓，使垂直方向上重力和極板電場(chǎng)力平衡，油滴保持靜止?fàn)顟B(tài)。針對(duì)傳統(tǒng)裝置極板電壓精度低，油滴難以靜止的缺點(diǎn)，本裝置電路板中采用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和極板驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可根據(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，力口在油滴盒的極板上，滿足油滴平衡條件，實(shí)現(xiàn)了電極板間油滴盒中電壓的精確調(diào)節(jié)。數(shù)字顯微攝像頭拍攝的油滴圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)入電路板，圖像數(shù)據(jù)處理電路對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送入微控制器，顯示屏驅(qū)動(dòng)電路控制液晶屏，將圖像數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上。因此，本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式是一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，該裝置具有: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；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；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；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；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；[0024]其特征在于，微控制器電路板包括: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，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和油滴中總的電量，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。本實(shí)用新型具有如下憂點(diǎn):1.利用微控制器控制數(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)，避免了傳統(tǒng)裝置因?yàn)殡妷嚎烧{(diào)精度有限造成的測(cè)量誤差。2.利用數(shù)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(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)，實(shí)驗(yàn)人員能夠清晰觀察到合適油滴，排除污點(diǎn)、過(guò)大過(guò)小油滴的干擾，并按下按鍵開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。3.利用控制器的定時(shí)器功能，每隔相同時(shí)間段拍攝油滴下降圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算油滴下降距離，當(dāng)下降距離相同時(shí)即油滴達(dá)到勻速下降狀態(tài)，不需實(shí)驗(yàn)人員依靠肉眼觀察液晶屏實(shí)現(xiàn)油滴是否勻速的判斷，從而準(zhǔn)確測(cè)量油滴勻速下降的速度，微控制器會(huì)根據(jù)定時(shí)器間隔時(shí)間和下降距離，自動(dòng)計(jì)算油滴速度。根據(jù)裝置測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，裝置可以自動(dòng)計(jì)算基本電荷的電量及測(cè)量誤差，并將正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中或顯示到顯示屏上。由于采用高分辨率的數(shù)字顯微攝像頭和圖像數(shù)據(jù)處理電路后得到的圖像清晰穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)人員可以很好的分辨適合實(shí)驗(yàn)的油滴，排除污點(diǎn)、過(guò)大過(guò)小油滴的干擾。微控制器電路利用高清數(shù)字顯微攝像頭的圖像自動(dòng)判斷油滴到達(dá)勻速下降狀態(tài)的時(shí)刻，準(zhǔn)確測(cè)量油滴下降時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算油滴速度。裝置測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，通過(guò)微控制器得到油滴所帶電荷量、基本電荷電量，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)誤差，得到的計(jì)算結(jié)果將保存到存儲(chǔ)器電路中，供實(shí)驗(yàn)人員分析和實(shí)驗(yàn)教師為學(xué)生評(píng)分。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本實(shí)用新型專(zhuān)利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置中測(cè)量油滴速度的部分包括: 電壓調(diào)節(jié)旋鈕，可精確調(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； 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；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。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置還具有: 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； 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； 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計(jì)算基本電荷的電量。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種基本電荷電量的自動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置中測(cè)量油滴速度的部分包括電壓調(diào)節(jié)旋鈕，可精確調(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；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；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。
文檔編號(hào)G09B23/18GK202996146SQ20132000282
公開(kāi)日2013年6月12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