基于机器视觉密立根油滴实验的教学探索与实践

密立根油滴实验是大学物理实验中的重要课程。实验中学生通过宏观的力学研究微观世界的量子性,能够培养学生的动手能力自主学习能力、对已有知识的综合运用能力、组织协调能力。然而教学中存在实验样本少、实验流程长、“试错”选择性筛选结果等问题。本文通过分析教学成果,探讨了教学过程中存在的缺陷,并提出对教学设备进行改进的方案:使用机器视觉来改进密立根油滴实验的流程,实时图像处理和自动化数据收集,学生可以更专注于实验的理论和结果分析,而不是繁琐的操作过程。这样的系统还可以使实验结果更易于分享和讨论,增加互动性,从而提高学生的学习积极性和吸收效果。不仅可以提高教学质量,还可以激发学生的兴趣,培养他们的科学素养和创新能力。这是教育技术发展的一个重要方向,值得探索和实施。

以密立根油滴实验为背景的高考物理试题鉴析

密立根油滴实验是利用带电油滴在电场和重力场中运动进行实验观测的,证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷,即基本电荷的整数倍;明确了电荷量的不连续性;精确地测定了基本电荷量的值;揭示了电子的量子本性.密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖.

以密立根油滴实验为背景的高考物理试题鉴析

美国物理学家密立根(R. A. Millikan)首先设计并完成的密立根油滴实验,利用带电油滴在电场和重力场中运动进行实验观测,证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷即基本电荷的整数倍;明确了电荷量的不连续性;精确地测定了基本电荷量的值,并令人信服的揭示了电子的量子本性.密立根由此获得1923年的诺贝尔物理学奖.

油滴与高温固体壁面碰撞的流动与传热及飞溅特性

考虑油滴(油膜)/固体壁面接触角动态变化和油液热力学特征参数受温度影响,基于流体体积法建立了油滴与高温固体壁面碰撞的三维流动与传热数值计算模型,通过试验验证了数值计算模型的正确性。基于数值计算模型,分析了油滴碰撞高温固体壁面后的流动与传热及飞溅特性,以试验和数值计算结果为基础,建立了描述油膜铺展/飞溅临界判据。结果表明:油滴碰撞高温固体壁面后的状态与碰撞条件有关,破碎、飞溅有利于油膜的铺展流动;二次油滴是油膜边缘破碎产生的油带断裂而成,大直径二次油滴分裂为小直径油滴;随油膜铺展进程,壁面平均热流密度增大,而油膜的径向热流密度则逐渐减小;增大碰撞速度、油滴直径和润滑油温度,有利于油膜的破碎与飞溅,二次油滴数量和下飞溅角均随之增大。

楔形功能图案诱导油滴自发迁移及其减摩研究

为了缓解因润滑剂供给不充分而导致的严重乏油现象,采用化学气相沉积和局部紫外光刻楔形图案相结合的方法,制备了可实现油滴自发迁移的功能表面,研究了油滴体积、楔形角度和楔形长度对油滴迁移特性的影响.结果表明,随着油滴体积增大,油滴的迁移距离和迁移速度先增大后减小,临界值为5μL;楔形角度的增大使油滴迁移距离和迁移速度持续减小;而楔形长度对油滴迁移速度无明显影响.利用该功能表面对润滑剂的诱导迁移作用,将其制备于接触副运行轨道两侧,发现可使接触副摩擦系数显著降低,维持在0.05以下,证实了楔形功能图案表面对润滑剂的自发回流和减摩效果的有效性.

油水膜分离中高黏度油滴行为研究和影响因素分析

膜法分离油田采出废水中的重油组分是膜污染的重要影响因素,且不同膜分离条件下膜面附近的复杂油滴行为直接影响膜分离效果,所以研究膜面附近的高黏度油滴行为十分必要。基于实际油田采出废水物性数据的实验测定结果,采用耗散粒子动力学(DPD)方法结合高黏度油滴轨迹和油滴间相互作用能结果对油滴行为进行细化分析。结果表明,双油滴呈现掠过和聚并两大类行为,又可各分为三个行为阶段:油滴间排液、油滴接触和油滴复稳;双油滴间距和油滴与膜面间距的减小有助于油滴聚并,从而有利于油水分离,且油滴与膜面间距的减小会导致油滴碰撞后的位置更远离膜面;表面活性剂的存在阻碍油滴聚并,不利于油水分离,且离子型表面活性剂因其亲水头间的强排斥力而阻碍作用更强;第3油滴的存在会促进双油滴聚并,有利于油水分离,其促聚并程度受油滴碰撞角的影响。研究结果可为后续的油滴与分离膜相互作用及油水分离效果的研究提供依据,也可为油水膜分离条件的设置和技术优化提供理论支持。

重力场中油滴运动速度及聚合规律研究

由于油井中后期产量下降,注水开发技术得到广泛应用。为优化注入水水质、净化地层,需提高采出水中的油水分离效率。油水分离效率的高低取决于对油水两相运动规律的掌握及分离方法的正确应用。该研究在油滴运动理论的基础上,借助Fluent有限元模拟软件,对油滴在流场中的变形和聚并动态进行精细描述。通过实验测试重力场中黏度为5.7 mPa·s和54 mPa·s、直径为3.0~8.5 mm的油滴上升速度及其变形规律。研究结果表明:直径较大的油滴具有较大的加速度,并提前达到最大速度,其上浮过程中的变形系数随着油相黏度的增加逐渐增加。多个油滴的聚合及其速度主要受连续相的黏度变化影响。在原有油滴速度计算模型的基础上考虑了表面张力对油滴变形的影响,得到的新模型对油滴的速度计算误差为±7%,显著提高了油滴速度的计算精度。

利用AFM探究聚合物和表面活性剂对油滴间稳定性的影响

采用原子力显微镜(AFM)探究水中油滴之间的相互作用,并考察了聚合物聚(4-苯乙烯磺酸钠)(PSS)和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对油滴稳定性的影响。采用分子动力学模拟软件模拟了PSS和SDS在水中的相互作用。结果表明:在不含聚合物和表面活性剂的盐溶液中油滴容易聚并;当水溶液中加入100 mg/L的PSS会使油滴稳定,这主要是由于PSS吸附层提供了空间位阻,有效阻止了油滴之间的聚并作用;然而,100 mg/L PSS和0.1 mM/L SDS共存时会导致油滴再次聚并,这是因为PSS和SDS同时存在时,两者易形成团簇,只有少部分PSS吸附到界面,此时PSS无法形成有效的空间位阻,导致油滴在相互靠近时发生聚并,从而影响了水包油体系的稳定性。

密立根油滴实验随机性研究

对密立根油滴实验中油滴带电量的随机性进行研究。采用静态测量法得到实验数据后用SPSS软件对数据进行了分析,结合柯尔莫哥洛夫-斯米洛夫检验和夏皮诺-威尔克检验排除实验结果的偶然性,并证实油滴带电量的单峰性、对称性和有界性,验证了油滴电量呈正态分布的规律,进而得到一种人为干扰因素小的随机性验证方法,对实验中的误差分析有启发作用。

氧化铁对建窑油滴釉呈色与析晶行为的影响

建窑油滴釉是中国古代最典型的铁系析晶釉之一,明晰氧化铁对析晶釉呈色与析晶的影响规律,能够为开发与创新多种呈色效果的铁系析晶釉提供科学依据和理论指导。本文采用XRD、Raman、SEM和EDS等测试方法,探究了不同氧化铁含量对釉熔体中析出晶体显微结构和釉面呈色的影响,揭示了釉层晶体结构对呈色的作用机制。结果表明,随着氧化铁含量增加,釉面析出棕黄色-银蓝色-银白色-银白泛红棕色的晶斑,晶斑呈色是由晶体的化学色与结构色耦合而成。晶斑中间区域的铁元素富集度高于边沿区域,优先发生ε-Fe_(2)O_(3)向α-Fe_(2)O_(3)的相变,形成不同的呈色效果。中间区域先析出2~4μm的叶状ε-Fe_(2)O_(3)晶体,呈棕黄色;随着氧化铁含量增加,釉层中析出与釉面平行定向排列的棒状α-Fe_(2)O_(3)晶体,形成晶体薄膜,对光产生强反射而呈银白色;随着氧化铁含量继续增加,釉层中析出10~20μm的树枝状α-Fe_(2)O_(3)晶体穿透晶体薄膜,薄膜产生的结构色(银白色)削弱,α-Fe_(2)O_(3)的化学色(红棕色)增强,耦合呈银白泛红棕色。边沿区域先析出大量30~50 nm的晶粒,产生瑞利散射,呈蓝色;随着氧化铁含量增加,表层棒状晶体也形成晶体薄膜,薄膜下层析出100~200 nm的板状纳米晶体,形成非晶光子晶体,产生相干散射呈蓝色,与反射的银白色耦合呈银蓝色。

稀有金属在油滴釉中析出的艺术表现及应用

本文研究了稀有金属在油滴釉中的析出情况,以及它们在艺术领域的表现和应用。油滴釉发展历史以及稀有金属对油滴釉产生的影响为分析出发点,然后详细阐述稀有金属是如何透过油滴釉上的色彩及光影,形态及质感、个性化和创新表现等手段,显示出了它特有的艺术魅力。本文最后论述稀有金属在陶瓷艺术品,工艺美术品及家居装饰等方面的具体运用及其在提高艺术价值与审美体验方面所起到的积极作用。

Millikan油滴仿真实验设计

密里根油滴实验运用电学和力学原理,分析油滴在电场和重力作用的下的运动轨迹进而算出油滴的电荷,也有为了测量分数电荷以此方法为基础进行了相关研究拓展实验。通过研究Millikan油滴实验目的、原理,运用计算科技发展而产生的仿真实验平台,把这个近代物理实验用仿真步骤方法做一遍,使得学生对电荷测量及仿真实验教学有了全面的了解,仿真实验教学增加学生学习物理实验兴趣。

水面有限长油膜下油滴浓度分布及其污染带的数值计算

本文在分析了围油栏上、下游水下油滴形成、输移扩散和上浮特征后 ,给出油滴输移扩散方程合理的求解条件 ,建立了四点差分格式 ,进行了数值计算和验证。按照正交试验表L8(2 5)进行了数值试验。经正交直观分析 ,采用因次分析和曲线拟合方法得到油滴污染带深度(hmax)、相应点纵向坐标 (xc)和反映下游 x >L时水面油浓度变化规律的参数 (α,n)

基于Python的密立根油滴仿真实验设计与实现

针对密立根油滴实验需要长时重复观察、课堂内难以获取大量实验数据的问题,开发了基于Python的密立根油滴仿真实验。仿真实验采用VPython模块提供的图形引擎构建逼真的三维模型,兼容Windows、Linux等操作系统,可直接在浏览器中运行。通过模拟交互,学生可对密立根油滴实验的思想、原理以及操作获得直观认知,并对不同油滴的运动学和动力学行为进行了深入分析。仿真实验系统具备开源性与可拓展性,能够有效激发学生的自主创新与探索能力,可在其他高校实验教学中推广应用。

以经典实验的真实现象为情境的高考试题剖析——以密立根油滴实验为例

一、经典再现密立根油滴实验将微观量转化为宏观量进行测量,揭示了电荷的不连续性,并测定了元电荷的数值.实验设计简单巧妙,被称为物理学史上最美实验之一.实验装置:如图1所示,密立根将两块金属板以水平方式平行排列,作为两极,设置了一个均匀电场.在上极板中间开一小孔,用喷雾器将油滴喷入并从小孔飘落到两极板间.旁边有一显微镜,用来观测实验.

密立根油滴实验数据的计算机处理

本文主要给出了利用VB编制的处理密立根油滴实验数据的程序,解决了数据处理的复杂计算的问题,利用该程序软件处理测定的电子电量值与标称值符合得较好,使该实验可以作为综合实验安排.

密立根油滴实验中影响油滴带电的因素及对策

研究了密立根油滴实验中影响油滴带电的因素 ,得出了由于温度的升高而引起实验用油粘滞系数降低 ,从而使油滴带电几率下降的结论 .

密立根油滴实验中影响油滴控制的因素分析及对策

本文分析了密里根油滴实验中影响油滴控制的主要因素,并提出了相应的对策。

高温油滴釉的研制

本文通过正交试验法优化出油滴釉的基础配方,并分析了釉层厚度、烧成制度、添加着色金属氧化物对釉面及油滴的影响。实践证明:油滴釉中油滴的形成机理是由于釉中过饱和的Fe2O3分解产生大量气泡,带动周围铁氧化物富集所导致的;要想得到理想的油滴效果,釉中Fe2O3含量宜控制在6%～8%之间,釉层厚度宜控制在0.7～1.0mm之间,煅烧温度为1300℃,保温30min。

密立根油滴实验中油滴选取探讨

在密立根油滴法测量电子电量实验中,油滴的选取是影响实验结果的一个重要因素,通过油滴的下落时间和平衡电压的等电荷数的多重曲线,以及实验操作误差的分析,探讨了密立根油滴实验油滴选取的原则,从而为正确选取油滴提供了理论依据。