一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪及实验方法与流程

本发明涉及物理教学实验技术领域，具体涉及一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪及实验方法。

背景技术：

密立根油滴实验是物理学史上的一个经典实验，也是大学物理实验教学中的一个重要的教学内容。其原理是根据带电油滴在电场里受力平衡的条件可测得其平衡电压，根据斯托克斯定律使用落体法测得油滴的质量和半径，最后经过适当的修正和理论计算得到油滴的带电量。

进行密立根油滴实验需要生成大量的微小带电油滴，并且在物理实验教学实践中，实验设备还需要满足方便、低成本、重复性好的条件。然而常用的雾化设备往往无法满足要求，例如，手持式的气压喷瓶的雾化油滴体积过大，超声雾化器产生的油滴几乎不带电荷，因此都无法适合实验使用。实际中通常使用的是三角薄层喷瓶产生微小的带电油滴，然而三角薄层喷瓶由于使用的是手动按压的方式产生气流，因此油滴雾化率偏低，需要重复多次才能产生足够数量的油滴；另一方面，三角薄层喷瓶还会产生相当数量体积较大的油滴，这部分油滴会积累在油滴实验仪的油雾孔造成堵塞，因此在实验过程中往往需要多次清洁油雾孔。此外，现使用的密立根油滴实验仪，其油雾杯是和雾化器分开而并非密闭连接，因此外部空气灰尘容易进入油雾孔造成堵塞。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪。

本发明的另一个目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，所述实验仪包括：可调延时开关1、空气压缩机2、雾化杯3、第一连接气管4、第二连接气管5、油滴盒6、电路箱体7、显微摄像机8、显示屏9；

其中，所述的可调延时开关1通过电源导线与所述的空气压缩机2相连，所述的空气压缩机2通过所述的第一连接气管4与所述的雾化杯3相连，所述的雾化杯3通过所述的第二连接气管5与所述的油滴盒6相连，所述的油滴盒6和所述的显微摄像机8固定在所述的电路箱体7上，所述的显微摄像机8通过信号导线与所述的显示屏9相连；

所述的油滴盒6内设置有上、下两块圆形平板，所述的电路箱体7内设置有电路板，电路板通过导线与两块圆形平板相连，使两块圆形平板带有电压，此电压可通过电路板进行调节或开关，所述的电路箱体7通过电源导线与所述的显微摄像机8相连，以提供所述的显微摄像机8的工作电源。

进一步地，所述的空气压缩机2产生压缩空气流，压缩空气流经过所述的第一连接气管4进入所述的雾化杯3，使所述的雾化杯3内的油液剧烈震荡气化，进而产生油雾，油雾与所述的油雾杯3之间的相互碰撞摩擦产生电荷，最终形成大量的微小带电油滴。

进一步地，所述的可调延时开关1用于调节所述的空气压缩机2的电源打开和关闭之间的时间间隔T，通过调节时间间隔T实现控制所述的空气压缩机2的导通时间，起到控制油液雾化量的作用。

进一步地，所述的油雾杯3和所述的油滴盒6之间通过所述的第二连接气管5密闭连接。

进一步地，所述的油滴盒6的上圆形平板上有一个小孔，油滴可通过小孔进入上、下两块圆形平板之间。

进一步地，所述的显微摄像机8可拍摄上、下两块圆形平板之间油滴的实时图像并进行适当放大然后通过信号线传送到所述的显示屏9上进行显示。

进一步地，所述的空气压缩机2采用活塞泵产生高速喷射式的压缩空气流，压缩空气流通过所述的第一连接气管4传送到所述的雾化杯3，所述的雾化杯3在使用前预先装有1～5ml的液体钟油。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法，所述实验方法包括下列步骤：

S1、往雾化杯3加入约1～5ml的液体钟油；

S2、设置可调延时开关1的延时时间；

S3、打开空气压缩机2的电源，经过设定的延时时间后，电源自动关闭；

S4、观察显示屏9，从所看到的大量运动的油滴中选择一个适合测量的油滴T，并通过电路箱体7的电路板，调节上、下两块圆形平板之间的电压差，使此油滴T处于平衡静止状态，此电压差值即为平衡电压；

S5、通过电路箱体7的电路板，关闭上、下两块圆形平板之间的电压，此时油滴T匀速下落，通过显示屏9观察油滴T的下落距离并测量出下落时间，可算出油滴的下落速度；

S6、根据油滴T的平衡电压和匀速下落的速度，可计算出其带电量，重复步骤S3至S5，可测出多个不同带点油滴的带电量，并最终估算出基本电荷量。

进一步地，所述步骤S6具体过程如下：

假设上、下两块圆形平板之间的距离为d，电压为U，假设平板之间的被测油滴的质量为m，则可以通过调节两平板的电压U，使得油滴在平板中收到的电场力和重力大小相等方向相反，这时油滴处于静止状态，根据二力平衡原理，可求得其带电量q为：

上式中g为重力加速度，如果把油滴看作是一个球体，则油滴的带电量可以写成：

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半径。因此只要能测出油滴的半径，就可以求出油滴的带电量，

使用落体法测量油滴的半径，即撤掉两平板上的电压，使油滴匀速下落并测出其下落速度v，根据斯托克斯定律得到油滴下落时满足：

因此

代入(2)式即可求得油滴的带电量：

当测出多个带电油滴的电量后，求取这些测量值的最大公约数，即

为基本电荷电量。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明可快速产生大量直径在0.5～5微米左右直径的带电油滴。用此实验仪产生的带电油滴尤其适合用在密立根油滴实验的测量中，通常只需要1～2秒，就能够产生足够的油滴供实验人员反复多次测量，并且测试数据结果稳定，有利于提高实验效率，增加实验速度。

同时，由于油雾杯3和油滴盒6采用密闭连接，可以减少油液的挥发，有利于节省实验耗材，便于实验后的清洁卫生，同时外部空间的灰尘杂质不容易进入油滴盒6，可有效减少小孔603的堵塞次数，提高实验的稳定性。

本发明的实验仪应用于密立根油滴实验的教学中，可提高实验的速度，使学生将更多的时间用于实验测量、实验现象分析、数据结果整理方面，有利于提高实验效率，激发学生的实验兴趣，实验结果也更加稳定可靠。

附图说明

图1是本发明公开的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪的结构组成示意图；

图2是图1中的油滴盒的内部结构示意图；

其中，1---可调延时开关,2---空气压缩机,3---雾化杯,4---第一连接气管，5---第二连接气管，6---油滴盒，7---电路箱体，8---显微摄像机，9---显示屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如附图1所示，本实施例公开了提出了一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，包括可调延时开关1、空气压缩机2、雾化杯3、第一连接气管4、第二连接气管5、油滴盒6、电路箱体7、显微摄像机8、显示屏9。

所述的可调延时开关1通过电源导线与所述的空气压缩机2相连，所述的空气压缩机2通过所述的第一连接气管4与所述的雾化杯3相连，所述的雾化杯3通过所述的第二连接气管5与所述的油滴盒6相连，所述的油滴盒6和所述的显微摄像机8固定在所述的电路箱体7上，所述的显微摄像机8通过信号导线与所述的显示屏9相连。

所述的油滴盒6内设置有上、下两块圆形平板，所述的电路箱体7内设置有电路板，电路板通过导线与两块圆形平板相连，使两块圆形平板带有电压，此电压可通过电路板进行调节或开关。所述的电路箱体7通过电源导线与显微摄像机8相连，以提供显微摄像机8的工作电源。

所述的空气压缩机2产生压缩空气流，压缩空气流经过第一连接气管4进入所述的雾化杯3，使所述的雾化杯3内的油液剧烈震荡气化，进而产生油雾，油雾与所述的油雾杯3之间的相互碰撞摩擦产生电荷，最终形成大量的微小带电油滴。

所述的可调延时开关1用于调节所述的空气压缩机2的电源打开和关闭之间的时间间隔T，通过调节时间间隔T实现控制所述的空气压缩机2的导通时间，实际上是起到控制油液的雾化量的作用，时间越长，雾化量越大。一般时间在1～2秒即可。

所述的油雾杯3和所述的油滴盒6之间通过所述的第二连接气管5密闭连接。

所述的空气压缩机2采用活塞泵产生高速喷射式的压缩空气流，压缩空气流通过所述的第一连接气管4传送到所述的雾化杯3。雾化杯3在使用前预先装有1～5ml的液体钟油，液体钟油在压缩空气流的作用下产生剧烈震荡气化，并雾化成大量的微小油滴，油滴直径约0.5～10微米。大量的微小油滴与雾化杯之间相互碰撞摩擦产生了电荷，带电的微小油滴经过所述的第二连接气管5进入所述的油滴盒6。

其中，液体钟油的运动粘度(50度)17～21厘沲，酸值(KOH)不大于3毫克/克，挥发(100度/3小时)不大于3％，流散(24小时/常温)不大于10％，凝固点不高于-30度。

所述的油滴盒6(如图2所示)内具有上、下两块圆形平板(601和602)，其中上圆形平板601有一个小孔603，油滴可通过小孔603进入两平板之间。

油滴盒6和显微摄像机8固定在电路箱体7上，电路箱体7里内置电路板，给上、下两块圆形平板601和602提供电压差，此电压差值可以通过电路板进行调节或开关。通过调节此电压差值，可以使平板内的带电油滴保存平衡静止状态。

电路箱体7还为显微摄像机8提供电源，所述的显微摄像机8可拍摄上、下两块圆形平板601和602内油滴的实时图像并进行适当放大然后通过信号线传送到所述的显示屏9上进行显示。通过所述的显示屏9可观察到两圆形平板内油滴的运动状态。

实施例二

本实施例基于上述实施例公开的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验仪，提供一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法，具体包括下列步骤：

S1、往雾化杯3加入约1～5ml的液体钟油；

S2、设置可调延时开关1的延时时间，一般1～2秒；

S3、打开空气压缩机2的电源，经过设定的延时时间后，电源自动关闭。

S4、观察显示屏9，可以看到大量的运动的油滴，选择一个适合测量的油滴T，并通过电路箱体7的电路板，调节上、下两块圆形平板601和602之间的电压差，使此油滴T处于平衡静止状态，此电压差值即为平衡电压；

S5、通过电路箱体7的电路板，关闭上、下两块圆形平板601和602之间的电压，此时油滴T匀速下落，通过显示屏9观察油滴T的下落距离并测量出下落时间，可算出油滴的下落速度。

S6、根据油滴T的平衡电压和匀速下落的速度，可计算出其带电量。重复步骤S3至S5，可测出多个不同带点油滴的带电量。并最终估算出基本电荷量。

在步骤S1之前，本实施例公开的一种使用压缩空气流产生微小带电油滴的密立根油滴实验方法，还包括下列步骤：

S0、检查第一连接气管4、第二连接气管5的连接紧密性；

油滴盒6由上、下两块带电的圆形平板601和602构成，如图2所示，上、下两块圆形平板601和602之间的距离为d，电压为U，假设平板之间的被测油滴的质量为m，则可以通过调节两平板的电压U，使得油滴在平板中收到的电场力和重力大小相等方向相反，这时油滴处于静止状态，根据二力平衡原理，可求得其带电量q为：

上式中g为重力加速度，如果把油滴看作是一个球体，则油滴的带电量可以写成：

上式中ρ是油滴的密度，r是油滴的半径。因此只要能测出油滴的半径，就可以求出油滴的带电量。

测量油滴的半径可以使用落体法，即撤掉两平板上的电压，使油滴匀速下落并测出其下落速度v。根据斯托克斯定律得到油滴下落时满足：

因此

代入(2)式即可求得油滴的带电量

当测出很多个带电油滴的电量后，求取这些测量值的最大公约数，即为基本电荷电量。

综上所述，上述实施例中公开的实验仪使用空气压缩机产生压缩的空气流，空气流从气管高速喷出进入雾化杯，使雾化杯里的油液沸腾震荡并雾化成微小的带电油滴。油滴进入油滴盒内，通过显微摄像机放大和拍摄进行观察，通过测量油滴的静止平衡电压和匀速下落速度，最终可计算得到油滴的带电量。此实验仪可快速产生大量微小的带电油滴以供实验测量，具有提高实验速度、节省耗材、减少残留、便于清洁等的优点，尤其适用与多人次大量重复使用的物理实验教学中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。