Excel在密立根油滴實驗數據處理中的應用研究

摘 要：針對目前密立根油滴實驗數據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應用到密立根油滴實驗數據的處理之中，簡化了數據處理的方法。

關鍵詞：實驗；密立根油滴；數據處理

中圖分類號：G632.3 文獻標識:A 文章編號：1002-7661（2012）15-0264-01

密立根油滴實驗是近代物理實驗中一個著名的基礎實驗。該實驗通過對微小油滴所帶電荷的精確測量，證實了油滴電荷是基本電荷──電子電荷的整數倍，由此直觀而準確地測量了電子電荷e由實驗證實了物質世界中電荷的不連續性，為人類研究物質結構奠定了基礎[1]。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[2]。筆者將最常用的微軟表格軟件Office Excel應用到密立根油滴實驗數據的處理之中[3]，簡化了數據處理的方法。

1 原理

測量帶電物體所帶的電量，有平衡測量法和動態測量法。本實驗采用平衡測量法，如圖1所示。

圖1 密立根油滴實驗示意圖

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，當油在噴射時，由于噴射分散發生摩擦，油滴一般都是帶電的。設油滴的質量為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受到兩個力的作用，一個是重力mg，一個是靜電力qE . 調節兩極板間的電壓U，可使該兩力達到平衡。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（空氣阻力與物體運動速度成正比），下降一段距離達到某一速度后，阻力與重力平衡（空氣浮力忽略不記），油滴將勻速下降，根據斯托克斯定律，油滴勻速下降時：f■=6?仔a?濁v■=mg，式中η是空氣的粘滯系數，a是油滴的半徑，Vg=l/t。

1.3.測量表達式

由噴霧器噴出的小油滴的半徑r是微米數量級，考慮到空氣此時不能看著連續介質，其粘度需要修正，可推導最終的測量表達式為q=■■■■對于具體的實驗，可得：q=■■

2 表格設計

2.1實驗參數表

把實驗過程中不作修改的常數參數填寫在表格中，表格中的公式會自動計算所需的實驗常數，供實驗數據表格計算電量使用。

2.2 實驗數據表

利用實驗儀器調節極板間電壓U，選取合適的油滴，測量其運動距離l所需要的時間t，記錄每一組數據對應的U和t的值，表格直接計算出所測油滴所帶電荷的電量。

2.3實驗數據處理

利用表中數據進行進一步的作圖處理，得到實驗所需的結論。

3實驗說明

整個數據處理過程簡單，可在Excel中進行，不需要編程，只需要輸入公式，比較適會學生實驗進行數據處理。

實驗的主要誤差來源：

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

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動，再到勻速運動，實驗中忽略最初的加速運動，一律作為勻速運動處理。

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

參考文獻:

[1] 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

[2] 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

[3] 吳曉波，胡秋波，李珊.Excel在密立根油滴實驗教學中的應用研究[J].洛陽理工學院學報，2009，19(4):82-84