自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法技术

本发明专利技术涉及一种自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法，利用方波发生器产生周期性脉冲方波电压，将方波电压加在水平放置的一对平行金属板电容器之间产生静电场，由静电喷雾器的带电密立根油滴在方波电压作用下随时间往复振荡，利用电子分划板CCD显微镜观察油滴运动，在监视器上显示油滴垂直位移y随时间变化的关系；实现密立根油滴的自动捕获，通过调节方波电压U0和周期T，可以筛选出适当的油滴；利用监视器及垂直测微标尺可以测量油滴在垂直方向的振幅A0，以及预设的方波电压U0和周期T，即可计算油滴所带电荷Q。本发明专利技术实现合适油滴的自动捕获自动筛选，提高了实验的可靠性及测量精度。

The Millikan oil drop instrument with automatic capture and screening and the measurement method of electric charge

The invention relates to an automatic capture and screening milmilan oil drop detector and a charged quantity measurement method. The square wave generator generates a periodic pulse square wave voltage by using square wave generator, and adds the square wave voltage to a pair of parallel metal plate capacitors which are placed horizontally to generate an electrostatic field. The electric milled oil droplet of the electrostatic sprayer oscillates with time under the action of square wave voltage, and uses the electronic reticle CCD to display. The micro mirror can observe the movement of the oil drop and display the relationship between the vertical displacement y of the oil drop and the time on the monitor; the Millikan oil drop can be automatically captured and the appropriate oil drop can be selected by adjusting the square wave voltage U0 and the period T; the amplitude A0 of the oil drop in the vertical direction and the preset square wave voltage U0 and the period T can be measured by using the monitor and the vertical micrometer scale, and the oil drop can be calculated Charge Q. The invention realizes the automatic acquisition and automatic screening of suitable oil drops, and improves the reliability of the experiment and the measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法
本专利技术属于物理教学
，具体涉及一种自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法。
技术介绍
密里根油滴实验用于测定油滴电量并验证油滴带电量是基本电荷(即电子电荷)的整数倍这一量子特性，它是诺贝尔物理奖十大著名实验之首，是大学物理实验课的重要内容。实验的关键是筛选质量、半径及电量适当的油滴，通过测量平衡电压和油滴运动时间计算油滴所带电荷。传统的平衡法和动态法是预设一平衡电压，使某油滴静止，然后撤去电压，让油滴在重力和空气粘滞阻力作用下向下运动，借助CCD和显示器观察油滴运动，当油滴匀速运动时，测量油滴匀速运动时间和位移，从而求出油滴电荷。目前的方法都是人工筛选带电油滴，实验中挑选油滴具有随意性和盲目性，需要实验者反复试验积累经验，并且油滴运动时间测量误差较大，即使在熟练操作的情况下，测量误差会超过3％，而学生实验误差往往达到5％-20％。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法，提高实验测试精度，减少误差。具体的技术方案为：自动捕获筛选密立根油滴仪，包括方波发生器与一对平行金属板电容器用电连接，一对平行金属板电容器包括上板和下板，上板和下板相对平行设置，静电喷雾器垂直穿过平行金属板电容器中的上板并密封固定，电子分划板CCD显微镜在水平方向固定在平行金属板电容器的一端，电子分划板CCD显微镜输出端与监视器相连。一种自动捕获筛选密立根油滴带电量测量方法，采用上述提供的自动捕获筛选密立根油滴仪，包括以下步骤：(1)利用方波发生器产生周期性脉冲方波电压，电压U0为0-500V连续可调，占空比固定为1:2，周期T为0-50秒连续可调；(2)将方波电压加在水平放置的一对平行金属板电容器之间产生静电场，由静电喷雾器的带电密立根油滴在方波电压作用下随时间往复振荡，利用电子分划板CCD显微镜观察油滴运动，在监视器上显示油滴垂直位移y随时间变化的关系；油滴在此方波电压作用下经历10～60秒后形成稳定的周期性振荡，其垂直位移y与时间t的关系为：式中A0是油滴周期性振荡的振幅，ω＝2π/T是圆频率，n是整数，式(1)的图像是周期性锯齿函数；因此实现密立根油滴的自动捕获，通过调节方波电压U0和周期T，可以筛选出适当的油滴；(3)利用监视器及垂直测微标尺可以测量油滴在垂直方向的振幅A0，以及预设的方波电压U0和周期T，即可计算油滴所带电荷Q：式(2)中d是金属电容器两极板间距，ρ是油滴密度，η是空气粘滞系数，g是重力加速度；(4)通过预设的方波电压U0和周期T，筛选出不同的油滴，根据式(2)计算油滴所带电荷Q，除以电子电荷的公认值，经过取整数即可得到油滴所带电荷数N，线性拟合Q-N验证油滴带电量是基本电荷的整数倍这一量子特性；用比值Q/N得到元电荷，与基本电荷e的涨落关系。本专利技术提供的自动捕获筛选密立根油滴仪及带电量测量方法，具有的技术效果有：(1)将周期性方波加到平行板电容器之间，通过调节方波电压和周期可以实现合适油滴的自动捕获自动筛选，无需人工手动筛选油滴，提高了实验的可靠性；(2)电荷是根据油滴稳定振荡的振幅A0和精确预设的U0，T来测量，不需要手动测量油滴运动时间，时间测量误差小且可控；(3)油滴振幅A0是通过电压U0和周期T精确控制的，可以尽量接近两极板间距d＝5mm，超过传统方法的1mm，并且可以反复测量，因位移测量引起的实验误差大大减小；(4)本专利技术的方法不仅可以测量带电量为几个电子的小油滴，也可以测量传统实验仪器无法测量的带电量为几百个电子的油滴。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的方波电压图；图3为实施例方波电压作用下油滴竖直方向位移y随时间变化；图4为实施例油滴电量Q与电子数N的线性拟合；图5为实施例测量的元电荷与基本电荷e的涨落；图6a为实施例周期T＝5秒时油滴垂直位移y随时间变化数值模拟；图6b为实施例周期T＝10时油滴垂直位移y随时间变化数值模拟；图6c为实施例周期T＝15秒时油滴垂直位移y随时间变化数值模拟；图6d为实施例周期T＝30秒时油滴垂直位移y随时间变化数值模拟。具体实施方式结合附图说明本专利技术的具体技术方案。如图1所示，自动捕获筛选密立根油滴仪，包括方波发生器1与一对平行金属板电容器2用电连接，一对平行金属板电容器2包括上板和下板，上板和下板相对平行设置，静电喷雾器3垂直穿过平行金属板电容器2中的上板并密封固定，电子分划板CCD显微镜4在水平方向固定在平行金属板电容器2的一端，电子分划板CCD显微镜4输出端与监视器5相连。仪器的核心是方波发生器1，其主要指标是：方波电压连续可调范围0-500V，不确定度≤0.1V，占空比固定为1:2，周期连续可调范围0-50s，不确定度≤1ms；显微镜附带电子分划板，以实现油滴振幅的精确测量，不确定度≤0.01mm。实验过程：将方波电压U0和周期T分别设定为某一值，加在间距d＝5mm的一对平行金属板电容器2两端，用静电喷雾器3喷入油滴，由电子分划板CCD显微镜4及监视器5观察油滴运动，待10-60s后，可以看到显示屏上某一油滴等幅振荡，实现油滴自动捕获筛选，由电子测微尺读出幅振A0，根据理论推导的公式(2)求出油滴带电量，或者采用线性拟合法求得油滴带电量，如图4。通过方波发生器1可以精确调节电压U0和周期T，一般情况下，电压的相对误差ΔU0/U0≤0.2％，ΔT/T≤0.1％，因此油滴电荷测量误差ΔQ/Q≤0.4％，油滴电荷测量误差Δe/e≤0.4％，计算电子不确定度Δe≈0.007×10-19C。自动捕获筛选密立根油滴带电量测量方法，其特征在于，采用权利要求1提供的自动捕获筛选密立根油滴仪，包括以下步骤：(1)利用方波发生器1产生周期性脉冲方波电压U，如图2，其中电压U0为0-500V连续可调，占空比固定为1:2，周期T为0-50秒连续可调；(2)将方波电压加在水平放置的一对平行金属板电容器2之间产生静电场，由静电喷雾器3的带电密立根油滴在方波电压作用下随时间往复振荡，利用电子分划板CCD显微镜4观察油滴运动，在监视器5上显示油滴垂直位移y随时间变化的关系，如图3。油滴在此方波电压作用下经历10～60秒后形成稳定的周期性振荡，其垂直位移y为：式中A0是油滴周期性振荡的振幅，ω＝2π/T是圆频率，式(1)的图像是如图3的周期性锯齿函数；因此实现密立根油滴的自动捕获，通过调节方波电压U0和周期T，可以筛选出适当的油滴；从而避免了传统方法人工筛选油滴的困难和因时间测量带来的误差。(3)利用监视器5及垂直测微标尺可以测量油滴在垂直方向的振幅A0，以及预设的方波电压U0和周期T，即可计算油滴所带电荷Q：式(2)中d是金属电容器两极板间距，ρ是油滴密度，η是空气粘滞系数，g是重力加速度。(4)通过预设的方波电压U0和周期T，可以筛选出不同的油滴，根据式(2)计算油滴所带电荷Q，除以电子电荷的公认值，经过取整数即可得到油滴所带电荷数N，线性拟合Q-N(图4)可以验证油滴带电量是基本电荷(即电子电荷)的整数倍这一量子特性。用比值Q/N可以得到元电荷，与基本电荷e的涨落关系如图5。测量实例.温度为20℃，空气粘滞系数η＝1.83×10-5kgm-1s-1，油的密度ρ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自动捕获筛选密立根油滴仪，其特征在于，包括方波发生器(1)与一对平行金属板电容器(2)用电线连接，一对平行金属板电容器(2)包括上板和下板，上板和下板相对平行设置，静电喷雾器(3)垂直穿过平行金属板电容器(2)中的上板并密封固定，电子分划板CCD显微镜(4)在水平方向固定在平行金属板电容器(2)的一端，电子分划板CCD显微镜(4)输出端与监视器(5)相连。

【技术特征摘要】
1.自动捕获筛选密立根油滴仪，其特征在于，包括方波发生器(1)与一对平行金属板电容器(2)用电线连接，一对平行金属板电容器(2)包括上板和下板，上板和下板相对平行设置，静电喷雾器(3)垂直穿过平行金属板电容器(2)中的上板并密封固定，电子分划板CCD显微镜(4)在水平方向固定在平行金属板电容器(2)的一端，电子分划板CCD显微镜(4)输出端与监视器(5)相连。2.一种自动捕获筛选密立根油滴带电量测量方法，其特征在于，采用权利要求1提供的自动捕获筛选密立根油滴仪，包括以下步骤：(1)利用方波发生器(1)产生周期性脉冲方波电压，电压U0为0-500V连续可调，占空比固定为1:2，周期T为0-50秒连续可调；(2)将方波电压加在水平放置的一对平行金属板电容器(2)之间产生静电场，由静电喷雾器(3)的带电密立根油滴在方波电压作用下随时间往复振荡，利用电子分划板CCD显微镜(4)观察油滴运...

【专利技术属性】
技术研发人员：马美仲，侯典立，程清华，王鑫宇，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37