基于VB的密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

摘要：密立根油滴實(shí)驗(yàn)是近代物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)十分重要的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)研究的前沿發(fā)揮著作用，但該實(shí)驗(yàn)涉及到比較多的非整數(shù)數(shù)據(jù)且計(jì)算過(guò)程相當(dāng)繁瑣。本文利用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了密立根油滴實(shí)驗(yàn)靜態(tài)測(cè)量法的數(shù)據(jù)處理程序，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠以圖形方式形象顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，該系統(tǒng)能極大地提高實(shí)驗(yàn)的效率和質(zhì)量，對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵字：密立根油滴實(shí)驗(yàn)；VB；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)： G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是近代物理學(xué)發(fā)展史上一個(gè)十分重要的實(shí)驗(yàn)，是由美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根教授設(shè)計(jì)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(shù)倍，并精確地測(cè)定了基本電荷的數(shù)值。該試驗(yàn)中基本電荷量是通過(guò)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[1]。因此，在高校實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，主要采用“倒過(guò)來(lái)驗(yàn)證法”[2]處理數(shù)據(jù)，即用公認(rèn)的基本電荷值去除實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電量，得到一個(gè)接近于某個(gè)整數(shù)的值，這個(gè)值就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目。再反過(guò)來(lái)用這個(gè)數(shù)值去除實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電量，即可得到電子的電荷值。在測(cè)量及計(jì)算的過(guò)程中，會(huì)涉及到比較多的非整數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程又相當(dāng)繁瑣，采用傳統(tǒng)的手工或計(jì)算器計(jì)算費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易出錯(cuò)。但如果借助于計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行處理，不僅能大大簡(jiǎn)便計(jì)算過(guò)程，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做一些擴(kuò)展處理，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有更深入的認(rèn)識(shí)。基于上述目的，本文運(yùn)用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1 密立根油滴實(shí)驗(yàn)靜態(tài)測(cè)量法原理

密立根油滴實(shí)驗(yàn)有多種測(cè)量方法，本文針對(duì)靜態(tài)測(cè)量法進(jìn)行系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。靜態(tài)測(cè)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(tài)，建立兩種平衡狀態(tài)下的數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過(guò)對(duì)油滴宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量從而計(jì)算出油滴所帶的微觀電荷量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)主要是為了簡(jiǎn)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程，因此能快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果是最主要的功能。

（2）本實(shí)驗(yàn)中涉及到了較多的實(shí)驗(yàn)常量，而這些常量在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下數(shù)值是不同的。為了使本系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性，應(yīng)允許實(shí)驗(yàn)者能實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)常量。

（3）可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做一些簡(jiǎn)單的分析，有助于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的人機(jī)交互界面。

2、系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能為依據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)際，本文設(shè)計(jì)了圖1所示的系統(tǒng)界面。

整個(gè)程序界面劃分為四個(gè)區(qū)：

（1）實(shí)驗(yàn)常量設(shè)置區(qū)：用來(lái)設(shè)置當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)常量。本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)已經(jīng)預(yù)置了常量，但允許實(shí)驗(yàn)者根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。設(shè)置實(shí)驗(yàn)常量后，按“保存”按鈕，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將按照更改后的實(shí)驗(yàn)常量進(jìn)行計(jì)算。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置區(qū)：用來(lái)輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為減小測(cè)量誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，往往會(huì)對(duì)同一個(gè)油滴進(jìn)行多次測(cè)量。本系統(tǒng)允許實(shí)驗(yàn)者為同一個(gè)油滴提供三組測(cè)量數(shù)據(jù)。“校驗(yàn)”按鈕用來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，當(dāng)某個(gè)油滴的同一個(gè)測(cè)量值相互之間相差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行提示及標(biāo)注。“清空”按鈕用來(lái)清空本次所有的測(cè)量數(shù)據(jù)。“計(jì)算”按鈕用來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果會(huì)顯示在“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理區(qū)”，同時(shí)也會(huì)在圖形顯示區(qū)進(jìn)行標(biāo)注。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理區(qū)：用來(lái)完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的顯示，同時(shí)允許實(shí)驗(yàn)者導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果，以便于做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

（4）圖形顯示區(qū)：用圖形的形式顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差，使實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)有更直觀的認(rèn)識(shí)。“X”軸表示電子數(shù)，“Y”軸表示電量。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，考慮到計(jì)算過(guò)程的高度一致性，為提高代碼利用率，本文將計(jì)算過(guò)程編寫(xiě)為一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，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(tǒng)功能驗(yàn)證

本文以上海某高校的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

4結(jié)語(yǔ)

本文利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)并實(shí)現(xiàn)了具有圖形界面的油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，簡(jiǎn)便直觀，極大地方便了學(xué)生計(jì)算及處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率與質(zhì)量，方便控制教學(xué)進(jìn)度，對(duì)物理教學(xué)起到了很好的促進(jìn)作用。同時(shí)，也使得學(xué)生從枯燥的數(shù)據(jù)計(jì)算中解脫，有精力、有時(shí)間、有興趣對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。

[1] 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

[2] 趙青生，呂衛(wèi)星，趙學(xué)民.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993.

[3]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