基于VB的密立根油滴實驗數據分析與處理

摘要：密立根油滴實驗是近代物理學發展史上一個十分重要的實驗，其實驗原理至今仍在當代物理科學研究的前沿發揮著作用，但該實驗涉及到比較多的非整數數據且計算過程相當繁瑣。本文利用VB語言設計并實現了密立根油滴實驗靜態測量法的數據處理程序，簡化了計算過程，提高了計算結果的準確性，同時能夠以圖形方式形象顯示實驗數據與理論數據的誤差。通過教學實踐，該系統能極大地提高實驗的效率和質量，對該實驗教學起到了很好的促進作用。

關鍵字：密立根油滴實驗；VB；數據分析

中圖分類號： G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

密立根油滴實驗是近代物理學發展史上一個十分重要的實驗，是由美國實驗物理學家密立根教授設計并完成的。它證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷-基本電荷的整數倍，并精確地測定了基本電荷的數值。該試驗中基本電荷量是通過求出一組油滴電量的最大公約數而獲得的，但是在實驗誤差存在的情況下，求非整數的最大公約數是相當困難的[1]。因此，在高校實際教學過程中，主要采用“倒過來驗證法”[2]處理數據，即用公認的基本電荷值去除實驗測得的電量，得到一個接近于某個整數的值，這個值就是油滴所帶的基本電荷的數目。再反過來用這個數值去除實驗測得的電量，即可得到電子的電荷值。在測量及計算的過程中，會涉及到比較多的非整數實驗數據，計算過程又相當繁瑣，采用傳統的手工或計算器計算費時費力，還容易出錯。但如果借助于計算機程序進行處理，不僅能大大簡便計算過程，保證計算結果的準確性，還可以對實驗數據做一些擴展處理，豐富實驗內容，從而有助于學生對實驗有更深入的認識。基于上述目的，本文運用VB語言設計并實現了密立根油滴實驗數據處理系統。

1 密立根油滴實驗靜態測量法原理

密立根油滴實驗有多種測量方法，本文針對靜態測量法進行系統分析與設計。靜態測量法基本原理是：使極板間的帶電油滴處于兩種不同的受力平衡狀態，建立兩種平衡狀態下的數據聯系，通過對油滴宏觀運動狀態數據的測量從而計算出油滴所帶的微觀電荷量。實驗過程如下：

2實驗系統設計

1、系統功能的設計

（1）本系統主要是為了簡化學生實驗數據的計算過程，因此能快速、準確地計算出實驗結果是最主要的功能。

（2）本實驗中涉及到了較多的實驗常量，而這些常量在不同的實驗環境下數值是不同的。為了使本系統具有更好的適應性，應允許實驗者能實時調整實驗常量。

（3）可以利用計算機強大的數據處理能力，對實驗結果做一些簡單的分析，有助于加深學生對實驗的理解。

（4）系統的設計應具有良好的人機交互界面。

2、系統功能的實現

以設計的系統功能為依據，結合實驗實際，本文設計了圖1所示的系統界面。

整個程序界面劃分為四個區：

（1）實驗常量設置區：用來設置當前實驗環境下的實驗常量。本系統運行時已經預置了常量，但允許實驗者根據具體實驗環境對其進行調整。設置實驗常量后，按“保存”按鈕，實驗數據將按照更改后的實驗常量進行計算。

（2）實驗數據設置區：用來輸入實驗測量數據。實驗過程中，為減小測量誤差對實驗結果的影響，往往會對同一個油滴進行多次測量。本系統允許實驗者為同一個油滴提供三組測量數據。“校驗”按鈕用來檢測實驗數據的誤差，當某個油滴的同一個測量值相互之間相差超過設定值時，系統會自動進行提示及標注。“清空”按鈕用來清空本次所有的測量數據。“計算”按鈕用來對測量數據進行計算，計算結果會顯示在“實驗數據處理區”，同時也會在圖形顯示區進行標注。

（3）實驗數據處理區：用來完成實驗測量數據計算結果的顯示，同時允許實驗者導出計算結果，以便于做進一步的數據分析。

（4）圖形顯示區：用圖形的形式顯示實驗數據與理論數據的誤差，使實驗者對實驗有更直觀的認識。“X”軸表示電子數，“Y”軸表示電量。

在對實驗測量數據進行計算時，考慮到計算過程的高度一致性，為提高代碼利用率，本文將計算過程編寫為一個獨立的函數，形式如下：

Private Sub Expe_Compute（Oil_Dens As Double， G As Double， Atmos As Double， Air_Viscosity As Double， Modified_Cons As Double， E As Double， Plate_Dist As Double， Drop_Dist As Double， Voltage As Double， Drop_TimeAs Double， Oil_Radi As Double， Oil_Power As Double， N As Integer， Computed_E As Double， Error As Double）

3、系統功能驗證

本文以上海某高校的實驗數據（表1）為例，進行數據驗證。

4結語

本文利用VB語言編寫并實現了具有圖形界面的油滴實驗數據處理程序，簡便直觀，極大地方便了學生計算及處理實驗數據，大大提高了實驗效率與質量，方便控制教學進度，對物理教學起到了很好的促進作用。同時，也使得學生從枯燥的數據計算中解脫，有精力、有時間、有興趣對數據做進一步分析。

[1] 王廣濤，陳健，魏建宇等. 密立根油滴實驗數據的處理方法[J].物理實驗，2004，24（12）：22-24

[2] 趙青生，呂衛星，趙學民.大學物理實驗[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1993.

[3]羅春梅.密立根油滴實驗數據的計算機處理[J].物理與工程，2008，18（6）：28-29