降低气压测量密立根油滴平衡电压的方法技术领域
本发明涉及物理量的测量领域。
背景技术
在判断一个物体受力平衡时，一般是以物体静止或者处于匀速直线运动作为判断
标准，大多数的情况都以是否处于静止来判断受力物体是否处于力平衡（合力为0）。
密立根油滴的直径大致在微米的数量级，空气分子之间的间距大致在纳米的数量
级，当油滴接近于平衡时，油滴就相当于悬浮颗粒，受到空气分子的不规则的碰撞，油滴颗
粒会出现布朗运动，即不规则的杂乱运动，导致油滴受力平衡的判断比较困难。对于比较大
的油滴，空气分子对油滴的不平衡作用力相对油滴的重力较小（即质量大、惯性大），其悬浮
时的稳定性比较好，但是由于油滴大、质量大、受空气分子的作用较小，下落时的速度比较
快（即下落的时间比较短），测量其下落时间的误差比较大（受制于人的生理反应速度0.1
秒，由于油滴比较细小，无法采用光电门等装置进行计时，一般都采用显微镜放大后进行人
为判断其位置以及操作开始计时和操作停止计时）；当油滴比较小的时候，受空气分子碰撞
作用的不平衡性表现比较大，布朗运动比较明显，无法准确确定其是否处于平衡状态，导致
平衡电压的测量误差比较大。
发明内容
为减少气体碰撞导致油滴不平衡作用力带来对测量油滴平衡电压的影响，本发明
设计一种降低气压测量密立根油滴平衡电压的方法。
本发明实现发明目的采用的技术方案是：降低气压测量密立根油滴平衡电压的方
法，其特征是：降低油滴室内部的气压使油滴的布朗运动现象能够忽略，能够忽略是指在水
平方向上看不到油滴在漂移，即油滴（由于受到电场力和重力作用）只在竖直方向发生移
动。
油滴室上方的上极板的落油孔连通真空装置的进气管道，油滴室的下极板与油滴
室的圆环形支撑架的下端处于密封状态，油滴室上极板与油滴室的圆环形支撑架的上端下
端处于密封状态；油滴室外侧有环状透明膜密封环形支撑架侧面的观察孔和进光孔；调节
真空装置电机的旋转速度，使抽真空导致油滴室内空气的流动对悬浮油滴的影响不大，影
响不大是指没有明显的上移过程（本实验主要是依靠眼睛观察，在眼睛的分辨率下，没有明
显上移就是指眼睛观察不到上移过程），抽真空导致油滴受到一个向上的作用力，能够通过
降低上极板与下极板之间的电压对冲该作用，在真空接近抽真空装置的极限时，抽真空导
致油滴受到一个向上的作用力消失，此时能够准确调节平衡电压。
油滴盒由环形支撑架以及环形支撑架上端的上极板和底部的下极板组成，一个密
封罩密封油滴盒所在的空间，油滴盒的下极板的电线以及上极板的电线与密封罩之间采用
密封的方式接触通过，密封罩有一个通孔连通到真空装置的进气管道。
油滴室的落油孔密封，油滴室的下极板与油滴室的圆环形支撑架的下端处于密封
状态，油滴室上极板与油滴室的圆环形支撑架的上端下端处于密封状态，圆环形支撑架与
观察孔和进光孔都处于密封状态，环形支撑架的侧面有一个通孔连通真空装置的进气管
道。
环形支撑架的内侧有一个透明的硬质圆筒，圆筒的高度与环形支撑架等高；圆筒
与环形支撑架具有相同的中心轴线，圆筒外径比环形支撑架内径小0.5-1mm，即圆筒外侧与
环形支撑架内侧之间的径向距离为0.5-1mm，由于圆筒与环形支撑架具有相同的中心轴线，
在水平方向的横截面内，圆筒与环形支撑架具有相同的圆心，一条直径方向上的圆筒的外
侧半径与环形支撑架的内侧半径之差就是径向距离，圆筒的侧面均匀分布通孔，通孔的直
径为环形支撑架侧面通孔直径的5%-20%。
本发明的有益效果是：降低油滴室内部的气压使油滴的布朗运动现象能够忽略，
能够更准确测定油滴的平衡电压；圆筒的侧面均匀分布通孔能够促使水平方向空气流动对
油滴而言是均衡的，从而避免抽真空导致的油滴移动。抽真空降低气压是一种常用的技术，
其气压的具体数值不是本发明专利所关注的，本发明只要观察到油滴在水平方向没有偏
移，此时就能够忽略气压碰撞对平衡电压测量的影响，此时调节平衡电压旋钮，使油滴在竖
直方向保持平衡，此时测量完成，然后可以逐渐撤出真空恢复到常压（从真空到常压是现有
技术能够解决的）。
附图说明
图1是成都世纪中科仪器有限公司实验仪部件示意图，图2是油滴盒装置示意图；
图3是均衡油滴室内空气流动的装置；
其中1、CCD盒2、电源插座3、调焦旋钮4、Q9视频接口5、光学系统6、镜头7、观察孔
8、上极板压簧9、进光孔10、光源11、确认键12、状态指示灯13、平衡及提升切换键14、0V及
工作切换键15、定时开始结束切换键16、水准泡17、电压调节旋钮18、紧定螺钉19、电源开
关20、油滴管收纳盒安放环21、调平螺钉(3颗)；31、喷雾口，32、进油量开关，33、防风罩，
34、上极板，35、油滴室，36、下极板，37、油雾杯，38、落油孔，39、圆筒，40、通孔。
具体实施方式
现有技术：
现有技术的油滴盒，一般为圆筒形，其下部为下极板36，下极板为油滴盒提供一个电
极，一般设置为负极，圆筒形围成的中空部分为油滴悬浮的空间，称为油滴室35，油滴室35
内部空间的高度一般为5毫米，圆筒形的侧面有三个密封透明孔（透明材料密封，对光照透
明，对气体而言是密封的），其中一个为观察孔7，另外两个透明孔为进光孔9，进光孔9的光
照来自发光二极管光源10，圆筒形的上部覆盖上极板34，上极板34上表面接触上极板压簧
8，上极板压簧8为油滴盒提供一个电极，一般设置为正极。上极板34的中心有一个落油孔
38，落油孔38为直径0.5毫米左右的小孔。电压调节旋钮17调节加载到上极板34和下极板36
之间的电压V，从而调节上极板34和下极板36之间的电场E=V/5mm。
油滴盒的外侧有圆环形防风罩33，避免外界空气流动对油滴的影响，防风罩33的
上部是油雾杯37，油雾杯37一般由一个圆形筒、上盖和底盖组成，圆形筒的其侧面有喷雾口
31，油雾杯37有上盖和底盖，上盖、底盖以及圆形筒构成杯状结构，其底盖有孔，其底盖的孔
被一个金属薄片覆盖，金属薄片能够在底盖的直径方向移动，金属薄片也有一个孔，其孔径
一般与底盖的孔的孔径相等，当移动金属薄片使金属薄片的孔正对底盖的孔的时候，喷洒
在油雾杯的部分油滴穿过两个正对的孔，穿过孔的油滴的一部分从油滴盒的落油孔38进入
油滴室35，该金属薄片又称为进油量开关32。
光源10发出的光线照亮油滴室35内部空间，镜头6和光学系统5以及调焦旋钮3使
悬浮的油滴成像到CCD盒1，CCD盒1的图像通过Q9视频接口4连接到显示器上。
状态指示灯12表示是调节油滴平衡，还是油滴处于提升状态，提升是在将油滴拉
升到视场的上部，是在平衡电压的基础上增加一个大约200V的电压，促使油滴向上运动；平
衡及提升切换键13，平衡和提升的转换按钮，通过状态指示灯12确定其状态。0V及工作切换
键14，0V是电场力撤消后，油滴处于重力场中向下运动，受到空气的阻力，加速运动一段距
离后会处于匀速下落（如果不你考虑布朗运动），工作是指在电场作用下，调节平衡电压或
者调节向上提升油滴的提升电压。
定时开始结束切换键15，定时开始启动计时，定时结束则停止计时。由于电场垂直
于处于平行状态的上极板34和下极板36，重力处于竖直方向，因此需要调节上极板34和下
极板36水平，使是重力的方向与电场的方向平行，因此通过3颗(三点决定一个平面)调平螺
钉21调节使水准泡16指示处于水平状态。紧定螺钉18是CCD盒基座的固定装置，电源开关19
是仪器工作的电源开关，油滴管收纳盒安放环20是方便油滴管不使用时的存放装置，避免
油滴管的液态油滴落到桌面。电源插座2连接到220V的交流电源，是仪器的输入电源；确认
键11可以记录数据在显示屏（本质上是在内存中）、删除当前数据、测量完毕计算油滴的电
荷量等功能。
改进措施：
降低气压测量密立根油滴平衡电压的方法，由于密立根油滴的直径大致在微米的数量
级，空气分子之间的间距大致在纳米的数量级，两者相差103数量级，油滴面积是长度的平
方，因此油滴表面接触的分子数在106数量级，其涨落导致的布朗运动比较明显，如果降低
与空气分子接触的数量，即降低空气的气压，则能够降低油滴与空气分子接触的数量，空气
分子运动动能的涨落（碰撞作用于油滴产生的不均衡的力量）也将大大地减少，因此，技术
方案是：降低油滴室35内部的气压使油滴的布朗运动现象能够忽略，能够忽略是指在水平
方向上看不到油滴在漂移，即油滴（由于受到竖直方向的电场力和重力作用）只在竖直方向
发生移动。
由于本发明关注的是油滴的平衡状态，至于气压的具体数据可以不用测量；如果
要测量，则气压的探头可以布置到抽气装置的气体管道内侧。
要降低空气的压强，可以利用落油孔38的通道，油滴室35的落油孔38连通真空装
置（真空装置是一种现有技术，通过吸走气体降低气压）的进气管道，油滴室35的下极板36
与油滴室35的圆环形支撑架的下端处于密封状态，油滴室35上极板34与油滴室35的圆环形
支撑架的上端下端处于密封状态；油滴室35外侧有环状透明膜密封环形支撑架的观察孔7
和进光孔9。如果观察孔7和进光孔9漏气，在内外压差的作用下，环状透明材料将受到指向
油滴室35的力量，使透明膜向内侧形变，从而填充其缝隙，起密封作用。调节真空装置的电
机的旋转速度，使抽真空导致油滴室35内空气的流动对悬浮油滴的影响不大，影响不大是
指没有比较明显的上移过程，抽真空导致油滴受到一个向上的作用力，可以通过调节油滴
的平衡电压对冲该作用，当真空接近抽真空装置的极限时，抽真空导致油滴受到一个向上
的作用力消失，此时，布朗运动也不明显（相对与常压而言），有利于准确调节平衡电压。
油滴盒由环形支撑架以及环形支撑架上端的上极板34和底部的下极板36组成，一
个密封罩密封油滴盒所在的空间，油滴盒的下极板36的电线以及上极板34的电线与密封罩
之间采用密封的方式接触通过（这是现有技术能够实现的，比如在电线的外侧通过熔融方
式包裹一个密封垫，密封垫位于密封罩底部的缺口，密封垫的面积大于缺口的面积，缺口的
大小主要容纳电线径向的大小，抽真空产生一个指向油滴室内侧力量，促使该缺口密封），
密封罩有一个通孔连通到真空装置的进气管道。
油滴室35的落油孔密封，油滴室35的下极板36与油滴室35的圆环形支撑架的下端
处于密封状态，油滴室35上极板34与油滴室35的圆环形支撑架的上端下端处于密封状态，
圆环形支撑架与观察孔7和进光孔9都处于密封状态（采用软质透明材料），环形支撑架的侧
面有一个通孔连通真空装置的进气管道。
环形支撑架的内侧有一个透明的硬质圆筒，圆筒的高度与环形支撑架等高；圆筒
与环形支撑架具有相同的中心轴线，圆筒外径比环形支撑架内径小0.5-1mm，即圆筒外侧与
环形支撑架内侧之间的径向距离为0.5-1mm，由于圆筒与环形支撑架具有相同的中心轴线，
在水平方向的横截面内，圆筒与环形支撑架具有相同的圆心，一条直径方向上的圆筒的外
侧半径与环形支撑架的内侧半径之差就是径向距离，圆筒的侧面均匀分布通孔，通孔的直
径为环形支撑架侧面通孔直径的5%-20%。