最新密立根油滴實驗(完成稿)

1、密立根油滴實驗密立根油滴實驗基本電荷測定bobert andrew millikan太原理工大學物理實驗中心太原理工大學物理實驗中心一、實驗歷史背景及意義一、實驗歷史背景及意義 一個電子所帶的電荷量是現(xiàn)代物理學重要的基本一個電子所帶的電荷量是現(xiàn)代物理學重要的基本常數之一，對它的準確測定有很大的意義。常數之一，對它的準確測定有很大的意義。18831883年由年由法拉第電解定律發(fā)現(xiàn)了電荷的不連續(xù)結構。法拉第電解定律發(fā)現(xiàn)了電荷的不連續(xù)結構。18971897年英年英國的湯姆遜通過對陰極射線的研究，測定了電子的荷國的湯姆遜通過對陰極射線的研究，測定了電子的荷質比，從實驗中發(fā)現(xiàn)了電子的存在。但一直沒有準確

2、質比，從實驗中發(fā)現(xiàn)了電子的存在。但一直沒有準確測出電子的電量，只能確定電荷的數量級。而用各別測出電子的電量，只能確定電荷的數量級。而用各別粒子所帶電荷的方法來直接證明電荷的分離性，以及粒子所帶電荷的方法來直接證明電荷的分離性，以及首先準確的測定電子電荷的數值是由美國杰出的物理首先準確的測定電子電荷的數值是由美國杰出的物理學家密立根設計并完成的。這個實驗就是著名的密立學家密立根設計并完成的。這個實驗就是著名的密立根油滴實驗，它采用了宏觀的力學模式來研究微觀世根油滴實驗，它采用了宏觀的力學模式來研究微觀世界的量子特性。它證明了帶電體所帶的電荷都是某一界的量子特性。它證明了帶電體所帶的電荷都是某一最

3、小電荷的整數倍，明確了電荷的電荷的量子化，并最小電荷的整數倍，明確了電荷的電荷的量子化，并精確地測定了基本電荷精確地測定了基本電荷e e的數值。的數值。 因為實驗設計巧妙，將微觀測量量轉化為宏觀量的測量，在近代物理學的發(fā)展史上具有里程碑意義。 1916年密立根又解決了光電效應的精確測量問題，年密立根又解決了光電效應的精確測量問題，第一次由光電效應實驗測量了普朗克常數第一次由光電效應實驗測量了普朗克常數h。 密立根教授由于測量電荷和研究光電效應的杰出教授由于測量電荷和研究光電效應的杰出成就，成就，榮獲1923年諾貝爾物理學獎。 人們用類似的方法測定基本粒子夸克的電量。二、實驗目的二、實驗目的 (

4、1) 學習密立根油滴實驗的設計思想。并測量基本電荷的電量，加深對電荷“量子性”的理解。驗證電荷的不連續(xù)性。 (2) 通過對帶電油滴在重力場和靜電場中運動的測量，驗證電荷的不連續(xù)性，并測定基本電荷值。 (3) 通過對實驗儀器的調整，油滴的選擇、跟蹤和測量，以及實驗數據處理等，培養(yǎng)學生嚴謹的科學實驗態(tài)度。三、實驗原理三、實驗原理如何測量微觀電荷量如何測量微觀電荷量q？思路：思路：轉化測量法轉化測量法找到一個宏觀測量量找到一個宏觀測量量 用噴霧器將油滴噴入兩塊水平放置的平行板之間，油滴在噴射時由于摩擦一般都是帶電的。對油滴所帶電荷量對油滴所帶電荷量q的測量實驗設計的測量實驗設計思想思想:使帶電油滴在

5、測量范圍內處于受力平衡使帶電油滴在測量范圍內處于受力平衡狀態(tài)，最終通過力狀態(tài)，最終通過力f這個物理量作為橋梁，轉這個物理量作為橋梁，轉化為對油滴運動的位移化為對油滴運動的位移 l 和所需時間和所需時間 tg 的測的測量。量。 設質量為 m 帶電量為 q 的油滴在兩平行極板間運動，兩極板間電壓為 u，極板間距為 d。則油滴在極板間將同時受到重力和電場力的作用，如圖所示。如果調節(jié)兩極板間的電壓 u，可使電場力和重力達到平衡。1.加電場，油滴靜止加電場，油滴靜止_duqmgudmgq 求求m?把油滴看成小球，求半徑即可把油滴看成小球，求半徑即可已知油密度，求體積已知油密度，求體積) 1 ()34(3

6、udgaqgamgf)34(3)2(29gvag式中為空氣粘滯系數，a為油滴的半徑。2.不加電場，油滴勻速下落不加電場，油滴勻速下落在平行板未加電壓時，油滴受重力在平行板未加電壓時，油滴受重力的作用而加速下降，由于空氣粘滯的作用而加速下降，由于空氣粘滯阻力阻力 f f 的作用，下降一段距離后，的作用，下降一段距離后，油滴將勻速運動，速度為油滴將勻速運動，速度為 v vg g，此，此時時f f 與與 mg mg 平衡。平衡。gvgvaf6由斯托克斯定律知，粘滯阻力為由斯托克斯定律知，粘滯阻力為 ：gvag29udgaq)34(3)3(21823udtlgqgggtlv 其中斯托克斯定律適用于連續(xù)

7、介質中球狀物體所受的粘滯力。斯托克斯定律適用于連續(xù)介質中球狀物體所受的粘滯力。由于油滴甚小（直徑由于油滴甚?。ㄖ睆?，可與空氣分子的平均自由，可與空氣分子的平均自由程相比擬，所以不能再將空氣看成是連續(xù)介質，油滴所程相比擬，所以不能再將空氣看成是連續(xù)介質，油滴所受粘滯力必將減小，粘滯系數應予以修正。受粘滯力必將減小，粘滯系數應予以修正。)4(1pabb為修正系數，p為空氣壓強，a為未經修正過的油滴半徑udpabtlgqg23)1 (218該式就是靜態(tài)法測量油滴所帶電荷的公式。該式就是靜態(tài)法測量油滴所帶電荷的公式。3. 實驗內容四、實驗內容：四、實驗內容：用靜態(tài)（平衡）法測定電子的電荷用靜態(tài)（平衡）

8、法測定電子的電荷 1 1、熟悉儀器的使用熟悉儀器的使用2 2、調整儀器調整儀器 3 3、練習控制油滴練習控制油滴4 4、練習選擇油滴練習選擇油滴5 5、對同一油滴進行對同一油滴進行5 5次測量次測量 油霧室油霧室平衡水泡平衡水泡ccd物鏡物鏡極板電壓極板電壓轉換開關轉換開關計時鍵計時鍵平衡電壓平衡電壓調節(jié)調節(jié)ccd提升、平提升、平衡、下降衡、下降轉換開關轉換開關聯(lián)動鍵聯(lián)動鍵實驗儀器：實驗儀器：om99ccd 密立根油滴儀密立根油滴儀 噴霧器噴霧器物鏡平動物鏡平動旋鈕旋鈕正負極板正負極板顯示器顯示器開關開關對比度調節(jié)對比度調節(jié)亮度調節(jié)亮度調節(jié)垂直顯示調節(jié)垂直顯示調節(jié)水平顯示調節(jié)水平顯示調節(jié)計時顯

9、示計時顯示電壓顯示電壓顯示1.調整儀器調整儀器重復上述過程重復上述過程5 5次，分別記錄平衡電壓次，分別記錄平衡電壓 v v 和勻速和勻速下降時間下降時間 t tg g 。l注意：每次測量都需檢查平衡電壓，注意：每次測量都需檢查平衡電壓，分別記下不同的平行板電壓值。分別記下不同的平行板電壓值。六、數據記錄及處理六、數據記錄及處理 (1) 數據處理方法：已知：油的密度 = 981 kg/m3重力加速度 g = 9.797 m / s2空氣的粘滯系數 = 1.8310-5 kg /ms 油滴下降距離 l = 2.0010-3 m常數 b = 8.2210-3mpa大氣壓 p = 1.013105p

10、a平行極板距離 d = 5.0010-3 m 將以上數據代入上式得 -143221.43 101v1 1.96 10nqtt 根據公認值處理實驗算相對誤差根據公認值處理實驗算相對誤差re 為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷電荷e e的整數倍，并得到基本電荷的整數倍，并得到基本電荷e e值，我們可用值，我們可用“倒過來驗證倒過來驗證”的辦法進行數據處理，即用公認的的辦法進行數據處理，即用公認的電子電荷值電子電荷值e e1.6021.6021010-19-19c c去除實驗測得的電荷量去除實驗測得的電荷量q q，得到一個接近與某一個整數的數值，這個

11、整數就，得到一個接近與某一個整數的數值，這個整數就是油滴所帶的基本電荷的數目是油滴所帶的基本電荷的數目n n，再用這個，再用這個n n去除實去除實驗測得的電荷量驗測得的電荷量q q，即得電子的電荷值，即得電子的電荷值e e。1、“倒過來驗證倒過來驗證”的辦法進行數據處理的辦法進行數據處理2、 “最大公約數法”進行數據處理進行數據處理 此法需要大量的油滴數據，計算出各油滴的電荷后，求它們的最大公約數，即為基本電荷e值。此法是在不知道單位電荷的公認值的前提下，從對實驗數據的處理中獲得單位電荷的實驗值。這樣比較符合研究物理實驗的規(guī)律，而且此法在理論上容易讓學生接受。然而在實際處理中是件比較困難的事，

12、第一必須測量大量的油滴數據，第二必須具備較好的數學功底，所以在實驗中不易實現(xiàn)。(2) 數據表格 油滴編號平衡電壓 (v)平均電壓油滴勻速下降時間 (s)平均時間基本電荷量 e測(c)v1v2v3v4v5t1t2t3t4t512345nqne理計算公式：計算公式：1iin1iittnnqne理1ieen測測nqen測eee測-e100%reee理測理-143221.43 1011 1.96 10nqtt 通常選擇平衡電壓在通常選擇平衡電壓在200200伏特以上，在伏特以上，在20203030秒秒時間內勻速下降時間內勻速下降2 2毫米的油滴，其大小和帶電量毫米的油滴，其大小和帶電量都比較合適。都比

13、較合適。要做好本實驗，很重要的一點是選擇合適的油滴。要做好本實驗，很重要的一點是選擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但帶的電荷比較多，下降速度也比較快，時間不但帶的電荷比較多，下降速度也比較快，時間不容易測準確。容易測準確。 油滴也不能選的太小，太小則布朗運動明顯。油滴也不能選的太小，太小則布朗運動明顯。 測量油滴勻速下降一段距離測量油滴勻速下降一段距離l l所需要的時間所需要的時間t tg g時，時，應先讓油滴下降一段距離后再測量時間。應先讓油滴下降一段距離后再測量時間。 選定測量的一段距離選定測量的一段距離l l，應該在平

14、行板之間的，應該在平行板之間的中央部分，即視場中分劃板的中央部分。中央部分，即視場中分劃板的中央部分。 若太靠近上電極板，小孔附近有氣流，電場也若太靠近上電極板，小孔附近有氣流，電場也不均勻，會影響測量結果。若太靠近下電極板，不均勻，會影響測量結果。若太靠近下電極板，測量完時間測量完時間t tg g后，油滴容易丟失，影響測量。后，油滴容易丟失，影響測量。八、思考題思考題1 1）若平行極板不水平，對測量有何影響？）若平行極板不水平，對測量有何影響？2 2）如何選擇合適的油滴進行測量？）如何選擇合適的油滴進行測量？3 3）實驗上怎樣做才能保證油滴做勻速運動？）實驗上怎樣做才能保證油滴做勻速運動？4

15、 4）怎樣判斷油滴所帶電荷量的改變？）怎樣判斷油滴所帶電荷量的改變？附錄附錄 羅伯特羅伯特安德勒斯安德勒斯密立根簡介密立根簡介（robert andrews millikan）1868-1953 密立根教授是杰出的美國實驗物理學家和密立根教授是杰出的美國實驗物理學家和教育家，他把畢生精力用于科學研究和教育事教育家，他把畢生精力用于科學研究和教育事業(yè)，他是電子電荷的最先測定者。業(yè)，他是電子電荷的最先測定者。 密立根從密立根從1907年開始進行測量電子電荷的年開始進行測量電子電荷的實驗。實驗。1909年至年至1917年他對帶電油滴在相反的年他對帶電油滴在相反的重力場和靜電場中的運動進行了詳細的研究。重力場和靜電場中的運動進行了詳細的研究。1913年發(fā)表的電子電荷測量結果年發(fā)表的電子電荷測量結果 e=4.770