基于VB的密立根油滴實驗數(shù)據(jù)分析與處理

摘要：密立根油滴實驗是近代物理學(xué)發(fā)展史上一個十分重要的實驗，其實驗原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)研究的前沿發(fā)揮著作用，但該實驗涉及到比較多的非整數(shù)數(shù)據(jù)且計算過程相當(dāng)繁瑣。本文利用VB語言設(shè)計并實現(xiàn)了密立根油滴實驗靜態(tài)測量法的數(shù)據(jù)處理程序，簡化了計算過程，提高了計算結(jié)果的準確性，同時能夠以圖形方式形象顯示實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差。通過教學(xué)實踐，該系統(tǒng)能極大地提高實驗的效率和質(zhì)量，對該實驗教學(xué)起到了很好的促進作用。

關(guān)鍵字：密立根油滴實驗；VB；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： G64 文獻標(biāo)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(xué)發(fā)展史上一個十分重要的實驗，是由美國實驗物理學(xué)家密立根教授設(shè)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(shù)倍，并精確地測定了基本電荷的數(shù)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(shù)而獲得的，但是在實驗誤差存在的情況下，求非整數(shù)的最大公約數(shù)是相當(dāng)困難的[1]。因此，在高校實際教學(xué)過程中，主要采用“倒過來驗證法”[2]處理數(shù)據(jù)，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(shù)的值，這個值就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目。再反過來用這個數(shù)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(shù)實驗數(shù)據(jù)，計算過程又相當(dāng)繁瑣，采用傳統(tǒng)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(jié)果的準確性，還可以對實驗數(shù)據(jù)做一些擴展處理，豐富實驗內(nèi)容，從而有助于學(xué)生對實驗有更深入的認識?；谏鲜瞿康模疚倪\用VB語言設(shè)計并實現(xiàn)了密立根油滴實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1 密立根油滴實驗靜態(tài)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(tài)測量法進行系統(tǒng)分析與設(shè)計。靜態(tài)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(tài)，建立兩種平衡狀態(tài)下的數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過對油滴宏觀運動狀態(tài)數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計

1、系統(tǒng)功能的設(shè)計

（1）本系統(tǒng)主要是為了簡化學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的計算過程，因此能快速、準確地計算出實驗結(jié)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(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)允許實驗者能實時調(diào)整實驗常量。

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

（4）系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)具有良好的人機交互界面。

2、系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

以設(shè)計的系統(tǒng)功能為依據(jù)，結(jié)合實驗實際，本文設(shè)計了圖1所示的系統(tǒng)界面。

整個程序界面劃分為四個區(qū)：

（1）實驗常量設(shè)置區(qū)：用來設(shè)置當(dāng)前實驗環(huán)境下的實驗常量。本系統(tǒng)運行時已經(jīng)預(yù)置了常量，但允許實驗者根據(jù)具體實驗環(huán)境對其進行調(diào)整。設(shè)置實驗常量后，按“保存”按鈕，實驗數(shù)據(jù)將按照更改后的實驗常量進行計算。

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

（3）實驗數(shù)據(jù)處理區(qū)：用來完成實驗測量數(shù)據(jù)計算結(jié)果的顯示，同時允許實驗者導(dǎo)出計算結(jié)果，以便于做進一步的數(shù)據(jù)分析。

（4）圖形顯示區(qū)：用圖形的形式顯示實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差，使實驗者對實驗有更直觀的認識?！癤”軸表示電子數(shù)，“Y”軸表示電量。

在對實驗測量數(shù)據(jù)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(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)功能驗證

本文以上海某高校的實驗數(shù)據(jù)（表1）為例，進行數(shù)據(jù)驗證。

4結(jié)語

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

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

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

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