密立根油滴实验改进
贺业路 电气101 1007040126
在教学实验的改进上，我们作实验时，一般是利用米尺量度长度；利用码表或光电闸测量时间间隔。然后在记录本上记下数据，事后整理记下的数个数据来分析、整理，并与理论比对作些归纳的工作。如果长度的量度能以毫米尺度的精度、时间的量度能以数十毫秒或数十微秒的精度量得，分析出来的数据会比目前一般的程序量出的结果会好上十倍不止。提高精密度后，和理论的比对会更为明确些。
我们作密立根油滴实验老是碰到误差离谱的情形。这些误差在事后发现源自于目视与人为判断粗糙所造成。
实验目标
本实验即重新回顾密立根油滴实验的精神，并改良实验观测方法。传统作法，是用眼睛观测、判断油滴是否以终端速度运动，再进而记录油滴运动的时间、距离。而我们乃利用现代科技，直接拍摄油滴运动过程，并经过影像处理分析油滴的运动时间、距离，以求出基本电荷量。相较于用肉眼观看，希望大幅提升实验的准确度。
实验步骤与改进
一、常数校正
31.两平行板的距离d6*10m（使用游标尺量测）。
2.油的密度ρ= 856.667kg/m3（先用加热器加热以赶走油中的水气，过滤后再用量筒测量其体积6ml、重量5.140g）。
3.清洗油滴喷雾器内的油通管路后，再注入处理过的油。
4.空气密度ρ0 = 1.293 kg/m3（0℃、760cm- Hg）。
525.黏滞系数1.8310Ns/m。实验环境温度23℃，当时压力757mm-Hg。
6.重力常数g = 9.806Ns/kgm2。
二、调整位置，再喷入一些油滴，看看是否能清楚观察油滴运动。再改变外加电压，练习使油滴上下飘移。
三、平衡法
1.外加电场，使喷出的带电油滴保持静止V0＝0（记录此时所需电压U）。
2.关掉电场（电压U=0），测量自由落下油滴达等速度运动的终端速度V1。
四、动力法
1.外加电场，使所喷出运动中带电油滴保持等速度运动（纪录此时U、V0）。
2.关掉电场（U=0），测量落下油滴的终端速度V1。
五、改进过程
1.将观测油滴运动影像输出至录影机（Mitsubosho HV S306K，利用一转接头，将BNC输出讯号转成AV端子讯号，直接录制油滴运动过程）。
2.同时将录影机所得影像输出至CRT（利用一转接头，将AV端子输出讯号转换成BNC输出
讯号），以便同时观测与录制油滴运动过程。
3.将所录制好的油滴运动转成影片档（*.mpg），方便我们反覆观察。
4.利用TMPGenc软体，将影片每秒钟截取成29.97张画面。因此每一张影片时间间距为1/29.97sec。
5.利用影像绘图软体的座标功能，标定油滴位置。精确值可达到0.1mm/240（因为y轴的解析度为240pixels）。
6.一个油滴在电场关闭前后，做3至4个速度分析。如下图，选取一个油滴，用Photo- Impact定位y轴位置。算出第几张图片和第几张图片间，此颗油滴的位移与时间差。即可算出此油滴的运动速度是否为终端速度。
7.利用上面取得的数据，算出终端速度。
讨论
本实验改进重点为提升密立根油滴实验的准确度。我在网路上找到一组作密立根油滴实验的数据，他们共取了50笔数据，求出基本电荷量为1.5686*10-19C，实验误差为3.3％。而我们取了30组数据，求出基本电量为1.6017*10-19C（第四位为估计值），相对误差为0.024%。由这看出用我们所设计的方法，可大为提升实验准确度。
我们经过改进。使用录影机直接摄录油滴运动。而且油滴运动很明显、好分辨。将拍摄结果录制成影像档，可在单一油滴上取得多组速度数据，以确定每一个油滴到达终端速度。但其实因为速度是距离除以时间，而且油滴又有体积，所以分析一个油滴在不同时间的速度值是不可能完全一样的。但使用影像处理软体做油滴的定位，精确度可以到达0.1mm/240＝0.0004 mm（图片y轴的解析度为240 pixels），所以我们速度也取到小数点下4位，视第四位为估计值。若是单一油滴上的多组速度在小数点4位前都是一样的话，那我们就视这颗油滴是以终端速度运动。
将影像档以每一秒约30张（实际上是29.97fps）做截取，可将时间准确度提升约至30分之一秒。这不同于用眼睛观测，受人反应时间的限制，导致量测的速度有一定范围的限制。 在清理过油滴喷雾器中的油通管路后，再倒进去已被量测过密度的油滴。发现所喷出的油滴都比较小，即半径较小。经由之前的公式我们发现半径与关掉电场后的速度V1有关，且若V1越小则量出的总电荷量越小（电量/半径2为定值），也就是n值越小。那么我们所测到的电荷量也就越多笔资料在1.6*10-19C附近，如此一来也就更多逼近基本电荷量。
结论与展望
密立根油滴实验的原理，是利用净力平衡，以求出油滴的带电量。又假设油滴的带电量为某一基本电荷的整数倍。而在这实验中我们求出基本电荷电量为1.6017*10-19C、误差为0.024%。因为我们不再凭眼睛判断油滴是否达到终端速度，而是善加利用电脑、应用软体，提升准确度。
但利用现代科技，我们其实做的还不够。可能因为取的点数还是太少了（30组），所以斜率（基本电荷值）并非等于1.602*10-19C，这实在是我们在这实验中的遗憾。若是我们取的点数更多，至少一百点以上，应该就能求出基本电荷量1.6021*10-19C。
但在这里有一个问题，虽然我们是提升了准确度，但这30点数据所花的时间较长。因此本实验的展望是能写出电脑程式，直接让电脑读点、取点、判断是否到达终端速度，以完全取代人力。期望能以此求出更为精准的基本电荷量。