基本电荷电量的自动测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基本电荷电量的自动测量装置，其特征在于，该装置中测量油滴速度的部分包括：电压调节旋钮，可精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种物理实验装置，尤其涉及一种油滴法自动测基本电荷电量的装置。
技术介绍
密立根是著名的实验物理学家，他在总结前人实验的基础上，着手电子电荷量的测量研究，之后改为以微小的油滴作为带电体，证实了电荷的量子化，完成了基本电荷量的测量工作。我们把密立根测基本电荷电量的方法称为油滴法。传统教学中采用的油滴法测基本电荷电量的实验设备操作虽然比较简单，但由于仪器自身的限制，加上学生的操作误差，常常不能得到令人满意的测量精度。传统装置的缺点有以下几个方面:1.油滴盒中两个带电极板间的电压可调精度有限，造成实验中极板间的油滴重力和电场力不能恰好平衡，油滴会存在缓慢的漂移。2.传统装置采用CRT显示屏，屏幕不能清楚地显示油滴，实验人员无法分辨油滴和镜头上的污点。3.实验人员肉眼很难判断油滴进入匀速下降的时刻，导致油滴的下降时间和下降距离测量误差，进而导致油滴速度测量误差。
技术实现思路
本技术为应用于物理实验中，针对传统装置的缺点，设计了一种基本电荷电量的自动测量装置，其特征在于，该装置中测量油滴速度的部分包括:电压调节旋钮，可精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降，供实验人员进行分析和实验教师为学生评分。附图说明图1为一种油滴法自动测基本电荷电量的装置正面示意图；图2为一种油滴法自动测基本电荷电量的装置电路板结构框图；I铝合金机箱、2-油滴盒、3-数字显微摄像头、4-三档开关、5-电压调节旋钮、6-计时按键、7-微控制器电路板、8-图像数据传输线、9-带指示灯的电源开关、10-液晶显示屏。具体实施方式如图1所示，是一种油滴法自动测基本电荷电量的装置正面示意图。当油滴进入油滴盒(2)的带电极板间时，实验人员通过装置上的电压调节旋钮(5)精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止。通过控制三档开关(4)去掉电场力，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降。在液晶显示屏(10)上可以清晰地观察到油滴，发现合适的油滴时，通过按下计时按键(6)开始计时，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度。油滴在油滴盒(2)的带电极板间做垂直下降运动，数字显微摄像头(3)对极板间油滴进行扫描摄像，图像数据经过电路(7)中图像处理电路处理后送入微处理器中进行相关运算，并将图像信号送入显示屏驱动电路，显示到液晶屏上。其中，处理器利用内部的定时器功能，提取出间隔时间相同的若干组图像数据。由于图像中油滴位置的亮度远大于图像中其他位置的亮度，因此进行灰度处理后，判断亮度最大点即为油滴，确定此点的坐标即为油滴的横纵坐标。油滴做垂直下降运动，两幅图像中亮度最大点的横坐标相同，是不同时刻的同一个油滴，两幅图像中油滴纵坐标的差值即为油滴下降距离。当相同时间间隔下油滴纵坐标差值相同时，即为油滴达到匀速下降状态，然后处理器根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算出油滴匀速下降的速度和油滴中总的电量，从而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上。如图2所示，是一种油滴法自动测基本电荷电量的装置中电路板的结构框图。油滴进入油滴盒的带电极板间，实验人员通过控制极板间电压，使垂直方向上重力和极板电场力平衡，油滴保持静止状态。针对传统装置极板电压精度低，油滴难以静止的缺点，本装置电路板中采用数模转换电路和极板驱动电路，数模转换电路可根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，力口在油滴盒的极板上，满足油滴平衡条件，实现了电极板间油滴盒中电压的精确调节。数字显微摄像头拍摄的油滴图像数据，通过数据线进入电路板，图像数据处理电路对图像数据进行处理后送入微控制器，显示屏驱动电路控制液晶屏，将图像数据显示到液晶屏上。因此，本技术的一种实施方式是一种基本电荷电量的自动测量装置，该装置具有:电压调节旋钮，精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降；计时按键，用于控制实验的开始与结束，当按下计时按键时，开始实验，微控制器会自动监测油滴达到匀速下降状态，并计算油滴速度；数字显微摄像头和液晶显示屏，用于捕捉拍摄和观看油滴的清晰图像；微控制器电路板；其特征在于，微控制器电路板包括:图像处理电路，对图像数据进行处理后送入微控制器进行相关运算；微控制器，控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，控制定时器的时间间隔提取出间隔时间相同的若干组图像数据，当油滴达到匀速下降状态时，根据油滴下降距离和定时器时间间隔计算油滴匀速下降的速度和油滴中总的电量，进而计算基本电荷的电量，并将正确的计算结果保存的数据存储器中或显示到显示屏上。本技术具有如下忧点:1.利用微控制器控制数模转化电路和驱动电路，实现了电极板间电压的精确调节，避免了传统装置因为电压可调精度有限造成的测量误差。2.利用数字显微摄像头和液晶显示屏捕捉拍摄油滴的清晰图像，克服了传统装置因为分辨率低清晰度不够难以分辨油滴和污点的缺点，实验人员能够清晰观察到合适油滴，排除污点、过大过小油滴的干扰，并按下按键开始实验。3.利用控制器的定时器功能，每隔相同时间段拍摄油滴下降图像，对图像进行处理，计算油滴下降距离，当下降距离相同时即油滴达到匀速下降状态，不需实验人员依靠肉眼观察液晶屏实现油滴是否匀速的判断，从而准确测量油滴匀速下降的速度，微控制器会根据定时器间隔时间和下降距离，自动计算油滴速度。根据装置测量的实验数据，装置可以自动计算基本电荷的电量及测量误差，并将正确的实验结果保存到数据存储器中或显示到显示屏上。由于采用高分辨率的数字显微摄像头和图像数据处理电路后得到的图像清晰稳定，实验人员可以很好的分辨适合实验的油滴，排除污点、过大过小油滴的干扰。微控制器电路利用高清数字显微摄像头的图像自动判断油滴到达匀速下降状态的时刻，准确测量油滴下降时间，自动计算油滴速度。装置测得实验数据后，通过微控制器得到油滴所带电荷量、基本电荷电量，并计算实验误差，得到的计算结果将保存到存储器电路中，供实验人员分析和实验教师为学生评分。以上所述实施例仅表达了本技术优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基本电荷电量的自动测量装置，其特征在于，该装置中测量油滴速度的部分包括：电压调节旋钮，可精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止；数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到与速度成正比的空气阻力，当到达一定速度时，阻力与重力平衡，油滴匀速下降。

【技术特征摘要】
1.一种基本电荷电量的自动测量装置，其特征在于，该装置中测量油滴速度的部分包括: 电压调节旋钮，可精确调节油滴盒中极板间电压，当垂直方向上重力和极板电场力平衡时，油滴保持静止； 数模转换电路和极板驱动电路，根据电压调节旋钮的输入，输出不同频率、不同占空比的电压信号，该信号通过驱动电路产生不同大小的电压，加在油滴盒的极板上；三档开关，用于控制电场力的施加与否，当去掉电场力时，油滴受重力作用加速下降，同时受到...

【专利技术属性】
技术研发人员：仝步升，高明，王启银，王晓强，赵锐，
申请(专利权)人：山西省电力公司大同供电分公司，国家电网公司，
类型：实用新型
国别省市：