Excel在密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究

摘 要：針對目前密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的常用方法存在的不足，將最常用的微軟表格軟件Office Excel應(yīng)用到密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理之中，簡化了數(shù)據(jù)處理的方法。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；密立根油滴；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：G632.3 文獻(xiàn)標(biāo)識:A 文章編號：1002-7661（2012）15-0264-01

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是近代物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)著名的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過對微小油滴所帶電荷的精確測量，證實(shí)了油滴電荷是基本電荷──電子電荷的整數(shù)倍，由此直觀而準(zhǔn)確地測量了電子電荷e由實(shí)驗(yàn)證實(shí)了物質(zhì)世界中電荷的不連續(xù)性，為人類研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)[1]。基本電荷量是通過求出一組油滴電量的最大公約數(shù)而獲得的，但是在實(shí)驗(yàn)誤差存在的情況下，求非整數(shù)的最大公約數(shù)是相當(dāng)困難的[2]。筆者將最常用的微軟表格軟件Office Excel應(yīng)用到密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理之中[3]，簡化了數(shù)據(jù)處理的方法。

1 原理

測量帶電物體所帶的電量，有平衡測量法和動態(tài)測量法。本實(shí)驗(yàn)采用平衡測量法，如圖1所示。

圖1 密立根油滴實(shí)驗(yàn)示意圖

1.1 庫侖力與重力平衡:用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為d的水平放置的平行極板之間，當(dāng)油在噴射時(shí)，由于噴射分散發(fā)生摩擦，油滴一般都是帶電的。設(shè)油滴的質(zhì)量為m，所帶的電量為q，兩極板間的電壓為U，則油滴在平行極板間將同時(shí)受到兩個(gè)力的作用，一個(gè)是重力mg，一個(gè)是靜電力qE . 調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U，可使該兩力達(dá)到平衡。即mg=q■?圯q=mgd/U

1.2.空氣阻力與重力平衡: 平行極板不帶電的情況，油滴受重力作用而加速下降，但受空氣阻力的作用（空氣阻力與物體運(yùn)動速度成正比），下降一段距離達(dá)到某一速度后，阻力與重力平衡（空氣浮力忽略不記），油滴將勻速下降，根據(jù)斯托克斯定律，油滴勻速下降時(shí)：f■=6?仔a?濁v■=mg，式中η是空氣的粘滯系數(shù)，a是油滴的半徑，Vg=l/t。

1.3.測量表達(dá)式

由噴霧器噴出的小油滴的半徑r是微米數(shù)量級，考慮到空氣此時(shí)不能看著連續(xù)介質(zhì)，其粘度需要修正，可推導(dǎo)最終的測量表達(dá)式為q=■■■■對于具體的實(shí)驗(yàn)，可得：q=■■

2 表格設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

把實(shí)驗(yàn)過程中不作修改的常數(shù)參數(shù)填寫在表格中，表格中的公式會自動計(jì)算所需的實(shí)驗(yàn)常數(shù)，供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格計(jì)算電量使用。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

利用實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)極板間電壓U，選取合適的油滴，測量其運(yùn)動距離l所需要的時(shí)間t，記錄每一組數(shù)據(jù)對應(yīng)的U和t的值，表格直接計(jì)算出所測油滴所帶電荷的電量。

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用表中數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的作圖處理，得到實(shí)驗(yàn)所需的結(jié)論。

3實(shí)驗(yàn)說明

整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程簡單，可在Excel中進(jìn)行，不需要編程，只需要輸入公式，比較適會學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)的主要誤差來源：

1)油滴平衡狀態(tài)不好判斷，平衡電壓改變幾伏甚至幾十伏，肉眼也難準(zhǔn)確判斷是否平衡。

2)溫度對油漆密度的影響不能忽略。

3)下落過程開始是加速運(yùn)動，再到勻速運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)中忽略最初的加速運(yùn)動，一律作為勻速運(yùn)動處理。

4)油滴下落，從眼睛看到到扳動開關(guān)，有時(shí)間間隔，使測量時(shí)間產(chǎn)生1％左右的誤差。

參考文獻(xiàn):

[1] 羅春梅.密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理[J].物理與工程，2008，18(6):28-29

[2] 王廣濤，陳健，魏建宇等. 密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法[J].物理實(shí)驗(yàn)，2004，24(12):22-24

[3] 吳曉波，胡秋波，李珊.Excel在密立根油滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19(4):82-84