基于数学软件MATLAB的Millikan油滴实验的数据处理与分析探究

来源:用户上传      作者: 高天一　王友书　孙红章

　　摘要：Millikan油滴实验是物理实验教学中的一个基本实验，对Millikan油滴实验的实验数据先用手工计算数据处理的过程比较复杂，随意性强，易引入人为误差，作图不标准等劣势，但是用MATLAB对数据进行处理，可以看到清晰直观的数据图，减少计算量的同时还可以得到准确的拟合曲线。测量出基本电荷电量，得出了带电油滴所带电量是基本电荷的整倍数并证实了物体所带电量的不连续性。
　　关键词：物理实验教学；Millikan油滴实验，MATLAB
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0167-02
　　引言：
　　Millikan油滴实验是由美国杰出的物理学家Millikan在对前人研究成果的借鉴基础上，采用实验测出了电子所带电量，并运用宏观的力学模式对带电油滴在静电场中的运动进行研究、实验，测量出基本电荷电量并解释了粒子的量子特性。[1]在数学方法不断完善趋于成熟的背景下，数据处理也逐渐演变出了不同的流派，有的倾向于手工计算，有的则需要借助于计算机进行数据处理，但各有利弊。在大学物理实验数据处理中，最小二乘法是实验数据处理最常用的手工运算方法，虽然用计算器进行辅助计算，但缺点是很容易出错且难以核查校对，即使花费大量精力也可能无法找出数据出错的源头。在这种大时代背景下，一种简便的工程计算语言MATLAB由美国Mathworks公司上世纪80年代开始推出，它拥有强大的矩阵处理与运算功能、丰富的图形绘制能力深受信赖。[2-6]本文将会借助于MATLAB软件进行Millikan油滴实验数据处理并与手工计算得出的结果进行对比、分析。
　　一、Millikan油滴实验计算公式
　　本实验用到的器材有油滴喷雾器，OM98CCD微机Millikan油滴仪等。OM98CCD微机Millikan油滴仪主要是由油滴盒、油雾室、CCD电视显微镜、显示器、电路箱等器件构成。
　　测定一颗给定油滴带电量q，只需要先测出其平衡电压U，然后再撤掉电压，让其自由下落，达到匀速运动后，测定下落距离1.5mm所用的时间t就能求出结果。
　　二、基于基于MATLAB软件进行Millikan油滴实验的数据处理与分析
　　1.手工计算数据处理。进行Millikan油滴实验，并对实验数据进行记录，采用omwinMillikan油滴实验数据处理。对实验数据进行记录，如表1。
　　2.MATLAB处理数据计算。定性观测与定量测量是物理学实验中不可分割的两大部分。物理实验的数据采集、记录以及计算处理是一个相当烦琐但是又很重要的一个过程，通常会花费大量的时间在数据处理上，但是运用matlab进行数据处理不仅快速方便，功能还十分强大，只需简单的语句就能对数据进行整理、分析和图表的制作。
　　三、结束语
　　对Millikan油滴实验的实验数据先用手工计算数据处理的过程比较复杂，随意性强，易引入人为误差，作图不标准等劣势，但是用matlab对数据进行处理，可以看到清晰直观的数据图，减少计算量的同时还可以得到准确的拟合曲线。测量出基本电荷电量，得出了带电油滴所带电量是基本电荷的整倍数并证实了物体所带电量的不连续性。它和传统数据处理方法相比，用数学软件MATLAB对实验数据进行处理能避免人工处理所产生的人为误差，非常适合在物理实验教学中应用。
　　参考文献：
　　[1]陈庆东，巩晓阳.大学物理实验教程[M].北京：机械工业出版社，2013：187-189.
　　[2]王世芳，吴涛.MATLAB在电磁学实验教学中的应用[J].湖北第二师范学院学报，2008，25（2）：65-66.
　　[3]张世功.MATLAB用于物理实验常见数据处理[J].大学物理实验，2007，20（4）：85-86.
　　[4]刘宇，谢琬琰，郑艺，等.利用最小二乘法处理密立根油滴实验数据[J].物理实验，2010，30（5）：58-59.
　　[5]穆松梅，刘文成，王洋洋.对比两类计算机工具在大学物理实验数据处理中的应用[J].考试周刊，2014，12（64）：45-48.
　　[6]张改平，闫明宝，王爱霞.对密立根油滴实验测量方法的分析及改进[J].高师理科学刊，2013，33（5）：56-60.
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