本發(fā)明涉及物理教學實驗技術領域，具體涉及一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀及實驗方法。

背景技術：

密立根油滴實驗是物理學史上的一個經(jīng)典實驗，也是大學物理實驗教學中的一個重要的教學內(nèi)容。其原理是根據(jù)帶電油滴在電場里受力平衡的條件可測得其平衡電壓，根據(jù)斯托克斯定律使用落體法測得油滴的質(zhì)量和半徑，最后經(jīng)過適當?shù)男拚屠碚撚嬎愕玫接偷蔚膸щ娏俊?/p>

進行密立根油滴實驗需要生成大量的微小帶電油滴，并且在物理實驗教學實踐中，實驗設備還需要滿足方便、低成本、重復性好的條件。然而常用的霧化設備往往無法滿足要求，例如，手持式的氣壓噴瓶的霧化油滴體積過大，超聲霧化器產(chǎn)生的油滴幾乎不帶電荷，因此都無法適合實驗使用。實際中通常使用的是三角薄層噴瓶產(chǎn)生微小的帶電油滴，然而三角薄層噴瓶由于使用的是手動按壓的方式產(chǎn)生氣流，因此油滴霧化率偏低，需要重復多次才能產(chǎn)生足夠數(shù)量的油滴；另一方面，三角薄層噴瓶還會產(chǎn)生相當數(shù)量體積較大的油滴，這部分油滴會積累在油滴實驗儀的油霧孔造成堵塞，因此在實驗過程中往往需要多次清潔油霧孔。此外，現(xiàn)使用的密立根油滴實驗儀，其油霧杯是和霧化器分開而并非密閉連接，因此外部空氣灰塵容易進入油霧孔造成堵塞。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的是為了解決現(xiàn)有技術中的上述缺陷，提供一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀。

本發(fā)明的另一個目的是為了解決現(xiàn)有技術中的上述缺陷，提供一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法。

本發(fā)明的第一個目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，所述實驗儀包括：可調(diào)延時開關1、空氣壓縮機2、霧化杯3、第一連接氣管4、第二連接氣管5、油滴盒6、電路箱體7、顯微攝像機8、顯示屏9；

其中，所述的可調(diào)延時開關1通過電源導線與所述的空氣壓縮機2相連，所述的空氣壓縮機2通過所述的第一連接氣管4與所述的霧化杯3相連，所述的霧化杯3通過所述的第二連接氣管5與所述的油滴盒6相連，所述的油滴盒6和所述的顯微攝像機8固定在所述的電路箱體7上，所述的顯微攝像機8通過信號導線與所述的顯示屏9相連；

所述的油滴盒6內(nèi)設置有上、下兩塊圓形平板，所述的電路箱體7內(nèi)設置有電路板，電路板通過導線與兩塊圓形平板相連，使兩塊圓形平板帶有電壓，此電壓可通過電路板進行調(diào)節(jié)或開關，所述的電路箱體7通過電源導線與所述的顯微攝像機8相連，以提供所述的顯微攝像機8的工作電源。

進一步地，所述的空氣壓縮機2產(chǎn)生壓縮空氣流，壓縮空氣流經(jīng)過所述的第一連接氣管4進入所述的霧化杯3，使所述的霧化杯3內(nèi)的油液劇烈震蕩氣化，進而產(chǎn)生油霧，油霧與所述的油霧杯3之間的相互碰撞摩擦產(chǎn)生電荷，最終形成大量的微小帶電油滴。

進一步地，所述的可調(diào)延時開關1用于調(diào)節(jié)所述的空氣壓縮機2的電源打開和關閉之間的時間間隔T，通過調(diào)節(jié)時間間隔T實現(xiàn)控制所述的空氣壓縮機2的導通時間，起到控制油液霧化量的作用。

進一步地，所述的油霧杯3和所述的油滴盒6之間通過所述的第二連接氣管5密閉連接。

進一步地，所述的油滴盒6的上圓形平板上有一個小孔，油滴可通過小孔進入上、下兩塊圓形平板之間。

進一步地，所述的顯微攝像機8可拍攝上、下兩塊圓形平板之間油滴的實時圖像并進行適當放大然后通過信號線傳送到所述的顯示屏9上進行顯示。

進一步地，所述的空氣壓縮機2采用活塞泵產(chǎn)生高速噴射式的壓縮空氣流，壓縮空氣流通過所述的第一連接氣管4傳送到所述的霧化杯3，所述的霧化杯3在使用前預先裝有1～5ml的液體鐘油。

本發(fā)明的第二個目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法，所述實驗方法包括下列步驟：

S1、往霧化杯3加入約1～5ml的液體鐘油；

S2、設置可調(diào)延時開關1的延時時間；

S3、打開空氣壓縮機2的電源，經(jīng)過設定的延時時間后，電源自動關閉；

S4、觀察顯示屏9，從所看到的大量運動的油滴中選擇一個適合測量的油滴T，并通過電路箱體7的電路板，調(diào)節(jié)上、下兩塊圓形平板之間的電壓差，使此油滴T處于平衡靜止狀態(tài)，此電壓差值即為平衡電壓；

S5、通過電路箱體7的電路板，關閉上、下兩塊圓形平板之間的電壓，此時油滴T勻速下落，通過顯示屏9觀察油滴T的下落距離并測量出下落時間，可算出油滴的下落速度；

S6、根據(jù)油滴T的平衡電壓和勻速下落的速度，可計算出其帶電量，重復步驟S3至S5，可測出多個不同帶點油滴的帶電量，并最終估算出基本電荷量。

進一步地，所述步驟S6具體過程如下：

假設上、下兩塊圓形平板之間的距離為d，電壓為U，假設平板之間的被測油滴的質(zhì)量為m，則可以通過調(diào)節(jié)兩平板的電壓U，使得油滴在平板中收到的電場力和重力大小相等方向相反，這時油滴處于靜止狀態(tài)，根據(jù)二力平衡原理，可求得其帶電量q為：

上式中g為重力加速度，如果把油滴看作是一個球體，則油滴的帶電量可以寫成：

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半徑。因此只要能測出油滴的半徑，就可以求出油滴的帶電量，

使用落體法測量油滴的半徑，即撤掉兩平板上的電壓，使油滴勻速下落并測出其下落速度v，根據(jù)斯托克斯定律得到油滴下落時滿足：

因此

代入(2)式即可求得油滴的帶電量：

當測出多個帶電油滴的電量后，求取這些測量值的最大公約數(shù)，即

為基本電荷電量。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明可快速產(chǎn)生大量直徑在0.5～5微米左右直徑的帶電油滴。用此實驗儀產(chǎn)生的帶電油滴尤其適合用在密立根油滴實驗的測量中，通常只需要1～2秒，就能夠產(chǎn)生足夠的油滴供實驗人員反復多次測量，并且測試數(shù)據(jù)結果穩(wěn)定，有利于提高實驗效率，增加實驗速度。

同時，由于油霧杯3和油滴盒6采用密閉連接，可以減少油液的揮發(fā)，有利于節(jié)省實驗耗材，便于實驗后的清潔衛(wèi)生，同時外部空間的灰塵雜質(zhì)不容易進入油滴盒6，可有效減少小孔603的堵塞次數(shù)，提高實驗的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的實驗儀應用于密立根油滴實驗的教學中，可提高實驗的速度，使學生將更多的時間用于實驗測量、實驗現(xiàn)象分析、數(shù)據(jù)結果整理方面，有利于提高實驗效率，激發(fā)學生的實驗興趣，實驗結果也更加穩(wěn)定可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀的結構組成示意圖；

圖2是圖1中的油滴盒的內(nèi)部結構示意圖；

其中，1---可調(diào)延時開關,2---空氣壓縮機,3---霧化杯,4---第一連接氣管，5---第二連接氣管，6---油滴盒，7---電路箱體，8---顯微攝像機，9---顯示屏。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一

如附圖1所示，本實施例公開了提出了一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，包括可調(diào)延時開關1、空氣壓縮機2、霧化杯3、第一連接氣管4、第二連接氣管5、油滴盒6、電路箱體7、顯微攝像機8、顯示屏9。

所述的可調(diào)延時開關1通過電源導線與所述的空氣壓縮機2相連，所述的空氣壓縮機2通過所述的第一連接氣管4與所述的霧化杯3相連，所述的霧化杯3通過所述的第二連接氣管5與所述的油滴盒6相連，所述的油滴盒6和所述的顯微攝像機8固定在所述的電路箱體7上，所述的顯微攝像機8通過信號導線與所述的顯示屏9相連。

所述的油滴盒6內(nèi)設置有上、下兩塊圓形平板，所述的電路箱體7內(nèi)設置有電路板，電路板通過導線與兩塊圓形平板相連，使兩塊圓形平板帶有電壓，此電壓可通過電路板進行調(diào)節(jié)或開關。所述的電路箱體7通過電源導線與顯微攝像機8相連，以提供顯微攝像機8的工作電源。

所述的空氣壓縮機2產(chǎn)生壓縮空氣流，壓縮空氣流經(jīng)過第一連接氣管4進入所述的霧化杯3，使所述的霧化杯3內(nèi)的油液劇烈震蕩氣化，進而產(chǎn)生油霧，油霧與所述的油霧杯3之間的相互碰撞摩擦產(chǎn)生電荷，最終形成大量的微小帶電油滴。

所述的可調(diào)延時開關1用于調(diào)節(jié)所述的空氣壓縮機2的電源打開和關閉之間的時間間隔T，通過調(diào)節(jié)時間間隔T實現(xiàn)控制所述的空氣壓縮機2的導通時間，實際上是起到控制油液的霧化量的作用，時間越長，霧化量越大。一般時間在1～2秒即可。

所述的油霧杯3和所述的油滴盒6之間通過所述的第二連接氣管5密閉連接。

所述的空氣壓縮機2采用活塞泵產(chǎn)生高速噴射式的壓縮空氣流，壓縮空氣流通過所述的第一連接氣管4傳送到所述的霧化杯3。霧化杯3在使用前預先裝有1～5ml的液體鐘油，液體鐘油在壓縮空氣流的作用下產(chǎn)生劇烈震蕩氣化，并霧化成大量的微小油滴，油滴直徑約0.5～10微米。大量的微小油滴與霧化杯之間相互碰撞摩擦產(chǎn)生了電荷，帶電的微小油滴經(jīng)過所述的第二連接氣管5進入所述的油滴盒6。

其中，液體鐘油的運動粘度(50度)17～21厘沲，酸值(KOH)不大于3毫克/克，揮發(fā)(100度/3小時)不大于3％，流散(24小時/常溫)不大于10％，凝固點不高于-30度。

所述的油滴盒6(如圖2所示)內(nèi)具有上、下兩塊圓形平板(601和602)，其中上圓形平板601有一個小孔603，油滴可通過小孔603進入兩平板之間。

油滴盒6和顯微攝像機8固定在電路箱體7上，電路箱體7里內(nèi)置電路板，給上、下兩塊圓形平板601和602提供電壓差，此電壓差值可以通過電路板進行調(diào)節(jié)或開關。通過調(diào)節(jié)此電壓差值，可以使平板內(nèi)的帶電油滴保存平衡靜止狀態(tài)。

電路箱體7還為顯微攝像機8提供電源，所述的顯微攝像機8可拍攝上、下兩塊圓形平板601和602內(nèi)油滴的實時圖像并進行適當放大然后通過信號線傳送到所述的顯示屏9上進行顯示。通過所述的顯示屏9可觀察到兩圓形平板內(nèi)油滴的運動狀態(tài)。

實施例二

本實施例基于上述實施例公開的一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗儀，提供一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法，具體包括下列步驟：

S1、往霧化杯3加入約1～5ml的液體鐘油；

S2、設置可調(diào)延時開關1的延時時間，一般1～2秒；

S3、打開空氣壓縮機2的電源，經(jīng)過設定的延時時間后，電源自動關閉。

S4、觀察顯示屏9，可以看到大量的運動的油滴，選擇一個適合測量的油滴T，并通過電路箱體7的電路板，調(diào)節(jié)上、下兩塊圓形平板601和602之間的電壓差，使此油滴T處于平衡靜止狀態(tài)，此電壓差值即為平衡電壓；

S5、通過電路箱體7的電路板，關閉上、下兩塊圓形平板601和602之間的電壓，此時油滴T勻速下落，通過顯示屏9觀察油滴T的下落距離并測量出下落時間，可算出油滴的下落速度。

S6、根據(jù)油滴T的平衡電壓和勻速下落的速度，可計算出其帶電量。重復步驟S3至S5，可測出多個不同帶點油滴的帶電量。并最終估算出基本電荷量。

在步驟S1之前，本實施例公開的一種使用壓縮空氣流產(chǎn)生微小帶電油滴的密立根油滴實驗方法，還包括下列步驟：

S0、檢查第一連接氣管4、第二連接氣管5的連接緊密性；

油滴盒6由上、下兩塊帶電的圓形平板601和602構成，如圖2所示，上、下兩塊圓形平板601和602之間的距離為d，電壓為U，假設平板之間的被測油滴的質(zhì)量為m，則可以通過調(diào)節(jié)兩平板的電壓U，使得油滴在平板中收到的電場力和重力大小相等方向相反，這時油滴處于靜止狀態(tài)，根據(jù)二力平衡原理，可求得其帶電量q為：

上式中g為重力加速度，如果把油滴看作是一個球體，則油滴的帶電量可以寫成：

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半徑。因此只要能測出油滴的半徑，就可以求出油滴的帶電量。

測量油滴的半徑可以使用落體法，即撤掉兩平板上的電壓，使油滴勻速下落并測出其下落速度v。根據(jù)斯托克斯定律得到油滴下落時滿足：

因此

代入(2)式即可求得油滴的帶電量

當測出很多個帶電油滴的電量后，求取這些測量值的最大公約數(shù)，即為基本電荷電量。

綜上所述，上述實施例中公開的實驗儀使用空氣壓縮機產(chǎn)生壓縮的空氣流，空氣流從氣管高速噴出進入霧化杯，使霧化杯里的油液沸騰震蕩并霧化成微小的帶電油滴。油滴進入油滴盒內(nèi)，通過顯微攝像機放大和拍攝進行觀察，通過測量油滴的靜止平衡電壓和勻速下落速度，最終可計算得到油滴的帶電量。此實驗儀可快速產(chǎn)生大量微小的帶電油滴以供實驗測量，具有提高實驗速度、節(jié)省耗材、減少殘留、便于清潔等的優(yōu)點，尤其適用與多人次大量重復使用的物理實驗教學中。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。