云南大學物理教學實驗中心ppt課件

1、云南大學物理教學實驗中心云南大學物理教學實驗中心典型多媒體課件典型多媒體課件2近代物理實驗近代物理實驗主講教師：戴本忠主講教師：戴本忠 教授教授密立根油滴實驗近代物理實驗之一近代物理實驗之一密立根R. A. Millikan 1868-1953 獲諾貝爾物理獎實驗獲諾貝爾物理獎實驗o由美國物理學家密立根(Millikan R. A.)完成的丈量微小油滴上所帶電荷的實驗:油滴實驗，是物理學開展史上具有重要意義的實驗。這一實驗初次證明了電荷的不延續(xù)性，即任何帶電體所帶的電量都是根本電荷的整數倍，并準確測定了根本電荷1.6010-19庫侖。電子電荷是物理學中根本常數之一，在實際和實踐任務中都有重要意

2、義，它的準確測定，為從實驗上測定許多根本物理量提供了能夠性。o密立根油滴實驗設計精巧，設備簡單，而實驗結論卻有不容置疑的壓服力，因此這一實驗歷來被看做是物理實驗的一個光輝典范。密立根由于這一出色任務和在光電效應方面的研討成果而榮獲年諾貝爾物理獎。o經過對帶電油滴在重力場和靜電場中運動的丈量，驗證電荷的不延續(xù)性，并測定根本電荷量e； o經過對實驗儀器的調整，油滴的選擇、跟蹤和丈量，以及實驗數據處置等，培育學生嚴謹的科學實驗態(tài)度o學習并了解CCD圖像傳感器的原理與運用，學習電視顯微丈量方法。學習密立根油滴實驗的設計思想； o用噴霧器將油噴入兩塊相距為用噴霧器將油噴入兩塊相距為d的程度放置的程度放置

3、的平行極板之間，油在放射撕裂成油滴時，的平行極板之間，油在放射撕裂成油滴時，普通都帶上電荷，假設油滴的質量為普通都帶上電荷，假設油滴的質量為m，所，所帶的電量為帶的電量為q，兩極板間的電壓為，兩極板間的電壓為U。油滴。油滴在極板間同時遭到重力和電場力兩個力的作在極板間同時遭到重力和電場力兩個力的作用。用。E為兩極板間的電場強度。為兩極板間的電場強度。利用帶電荷的微小油滴在均勻電場中運動的利用帶電荷的微小油滴在均勻電場中運動的受力分析，可將油滴所帶的微觀電荷量受力分析，可將油滴所帶的微觀電荷量q的丈的丈量轉化為油滴宏觀運動速度的丈量。量轉化為油滴宏觀運動速度的丈量。 mgf1f2dUqqEmg假

4、設調理兩極板間的電壓假設調理兩極板間的電壓U 可使重力和電場力可使重力和電場力平衡，那么有關系式：平衡，那么有關系式：此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并堅持平衡。此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并堅持平衡。 平行板不加電壓時，油滴在空氣中自在下落，下落過程中受三個力的作用：重力mg ；空氣浮力f1 ；空氣對它的阻力f2。 334am gamg334gaf3134 由于外表張力的作用,油滴普通呈小球狀。設油滴的密度為,半徑為a,那么油滴的質量m為:重力及空氣浮力可表示為：重力及空氣浮力可表示為：af62由斯托克斯定律知空氣阻力可表示為由斯托克斯定律知空氣阻力可表示為agaga6343433)(29g

5、a 式中式中是空氣的粘滯系數。當油滴下落速度到達某一數值，油滴所受合外是空氣的粘滯系數。當油滴下落速度到達某一數值，油滴所受合外力等于零時，油滴勻速下降。此時有：力等于零時，油滴勻速下降。此時有：ga29pab1pabaf162當當 時，空氣浮力可以忽略。有時，空氣浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以延續(xù)介質為前提的，對于半徑小到斯托克斯定律是以延續(xù)介質為前提的，對于半徑小到10-6m10-6m的微小油滴，半徑與空氣分子間的間隙大致相等的微小油滴，半徑與空氣分子間的間隙大致相等，已不能將空氣看作延續(xù)介質，因此空氣的粘滯系數修，已不能將空氣看作延續(xù)介質，因此空氣的粘滯系數修正為：正為：斯托克斯定律

6、修正為斯托克斯定律修正為最終可得：最終可得：2392)1 (218LgtpbtLUdgqgg 此式是本實驗計算油滴電荷的根本公式。式中b 為修正常數，b=6.1710-6m米厘米汞高，p為大氣壓強，單位為厘米汞高。其中tg為油滴下降L間隔所丈量的時間。電壓顯示電壓顯示計時顯示計時顯示平衡水泡平衡水泡CCD物距調理物距調理平衡電壓平衡電壓調理調理電壓轉換電壓轉換開關開關電源開關電源開關計時鍵計時鍵MOD-5型油滴儀包括：油滴盒，丈量顯微鏡，型油滴儀包括：油滴盒，丈量顯微鏡，數字電壓表，任務電壓調理旋鈕，任務電數字電壓表，任務電壓調理旋鈕，任務電壓反向開關，升降電壓調理旋鈕，升降電壓反向開關，升降

7、電壓調理旋鈕，升降電壓反向開關，壓反向開關，CCD和監(jiān)視器等。和監(jiān)視器等。油滴盒構造如下圖油滴盒是由兩塊經過精磨的平行極板，上極板中央有一個直徑0.4毫米的小孔，油滴從油霧室經油霧孔落入小孔，進入上下極板之間。油滴盒防風罩前裝有丈量顯微鏡，用以察看平行極板間的油滴。丈量顯微鏡目鏡頭中裝有分劃板，其垂直總刻度相當于視場中的0.3厘米，用以丈量油滴運動的間隔。儀器調整儀器調整o將儀器放平穩(wěn)，調整左右兩只調平螺栓，使水準泡指示將儀器放平穩(wěn)，調整左右兩只調平螺栓，使水準泡指示程度，這時平行極板處于程度形狀。預熱程度，這時平行極板處于程度形狀。預熱10分鐘，利分鐘，利用預熱時間從丈量顯微鏡中察看，假設分

8、劃板位置不正，用預熱時間從丈量顯微鏡中察看，假設分劃板位置不正，那么轉動目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插究竟。調那么轉動目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插究竟。調理目鏡，使分劃板刻線明晰。理目鏡，使分劃板刻線明晰。o用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入噴一次即可，用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入噴一次即可，推上油霧孔擋板，以免空氣流動而使油滴亂漂移，微調推上油霧孔擋板，以免空氣流動而使油滴亂漂移，微調丈量顯微鏡的調焦手輪，這時視場中即出現(xiàn)大量明晰的丈量顯微鏡的調焦手輪，這時視場中即出現(xiàn)大量明晰的油滴。油滴。 對與對與CCD一體化的屏顯油滴儀，那么從監(jiān)視器一體化的屏顯油滴儀，那么從監(jiān)視器熒光屏上察

9、看油滴的運動。如油滴斜向運動，那么可轉熒光屏上察看油滴的運動。如油滴斜向運動，那么可轉動顯微鏡上的圓形動顯微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運動。，使油滴垂直方向運動。練習丈量練習丈量o練習控制油滴：假設用平衡法實驗噴入油滴練習控制油滴：假設用平衡法實驗噴入油滴后，在平行極板上加任務平衡電壓后，在平行極板上加任務平衡電壓250伏特左右，任務電壓選擇開關置伏特左右，任務電壓選擇開關置“平衡檔，平衡檔，驅走不需求的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動驅走不需求的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的油滴為止。凝視其中的某一顆，仔細調理的油滴為止。凝視其中的某一顆，仔細調理平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓

10、，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓，讓它自在下降，下降一段間隔后平衡電壓，讓它自在下降，下降一段間隔后再加上再加上“提升電壓，使油滴上升。如此反提升電壓，使油滴上升。如此反復多次地進展練習，以掌握控制油滴的方法。復多次地進展練習，以掌握控制油滴的方法。o練習丈量油滴運動的時間：恣意選擇幾顆運動速度練習丈量油滴運動的時間：恣意選擇幾顆運動速度快慢不同的油滴，用計時器測出它們下降一段間隔快慢不同的油滴，用計時器測出它們下降一段間隔所用的時間。如此反復多練幾次，以掌握丈量油滴所用的時間。如此反復多練幾次，以掌握丈量油滴運動時間的方法。運動時間的方法。o練習選擇油滴：要做好本實驗，很重要的一點是選

11、練習選擇油滴：要做好本實驗，很重要的一點是選擇適宜的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油擇適宜的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但普通帶的電量比較多，下降速度滴雖然比較亮，但普通帶的電量比較多，下降速度也比較快，時間不容易測準。也不能選太小的油滴，也比較快，時間不容易測準。也不能選太小的油滴，太小那么布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓在太小那么布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓在200伏特以上，在伏特以上，在2030秒內勻速下落秒內勻速下落2毫米的油滴，毫米的油滴，其大小和帶電量比較適宜。其大小和帶電量比較適宜。正式丈量正式丈量靜態(tài)平衡丈量法靜態(tài)平衡丈量法 用平衡丈量法丈量油滴勻速下

12、降一段間隔用平衡丈量法丈量油滴勻速下降一段間隔l時要丈時要丈量的有兩個量。一是平衡電壓量的有兩個量。一是平衡電壓U，另一個是油滴勻，另一個是油滴勻速下降一段間隔速下降一段間隔l所需求的時間所需求的時間tg。平衡電壓必需經。平衡電壓必需經過仔細的調理，并將油滴置于分化板上某條橫線附過仔細的調理，并將油滴置于分化板上某條橫線附近，以便準確判別出這顆油滴能否平衡了。近，以便準確判別出這顆油滴能否平衡了。 丈量油滴下降丈量油滴下降l所需求的時間所需求的時間tg時，為了在按動計時時，為了在按動計時器時有所思想預備，應先讓它下降一段間隔后再丈器時有所思想預備，應先讓它下降一段間隔后再丈量時間。選定丈量的一

13、段間隔量時間。選定丈量的一段間隔l，應該在平衡極板，應該在平衡極板之間的中央部分，即視場中分劃的中央部分。假設之間的中央部分，即視場中分劃的中央部分。假設太接近上極板，電場不均勻，會影響丈量結果。太太接近上極板，電場不均勻，會影響丈量結果。太接近下電極板，丈量完時間后，油滴容易喪失，影接近下電極板，丈量完時間后，油滴容易喪失，影響丈量。普通取響丈量。普通取l=2mm比較適宜。比較適宜。正式丈量正式丈量靜態(tài)平衡丈量法靜態(tài)平衡丈量法 3. 對同一顆油滴進展對同一顆油滴進展610次丈量，而且每次丈次丈量，而且每次丈量都要重新調整平衡電壓。假設油滴逐漸變量都要重新調整平衡電壓。假設油滴逐漸變得模糊，要

14、微調丈量顯微鏡跟蹤油滴，勿使得模糊，要微調丈量顯微鏡跟蹤油滴，勿使油滴喪失。油滴喪失。 4. 測完一顆油滴后，將平衡電壓調為零，并打在測完一顆油滴后，將平衡電壓調為零，并打在“下落檔，重新噴油，選擇油滴丈量。本下落檔，重新噴油，選擇油滴丈量。本實驗中要對實驗中要對4-6顆油滴進展丈量。顆油滴進展丈量。 o在噴油后，假設視場中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，能夠有以下在噴油后，假設視場中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，能夠有以下幾個緣由：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處置方幾個緣由：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處置方法：檢查線路；翻開有機玻璃油霧室，利用脫脂棉法：檢查線路；翻開有機玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭小孔，或利用細絲直徑小于擦

15、拭小孔，或利用細絲直徑小于0.4mm捅一捅一捅小孔。捅小孔。o調整儀器時，如要翻開有機玻璃油霧室，應先將任調整儀器時，如要翻開有機玻璃油霧室，應先將任務電壓選擇開關放在務電壓選擇開關放在“下落位置。下落位置。o噴油時，切忌頻繁噴油，否那么會堵塞油滴盒上蓋噴油時，切忌頻繁噴油，否那么會堵塞油滴盒上蓋的小孔的小孔 。o丈量時，要隨時調整任務電壓，假設發(fā)現(xiàn)任務電壓丈量時，要隨時調整任務電壓，假設發(fā)現(xiàn)任務電壓有明顯改動，應放棄丈量，重新選擇油滴。有明顯改動，應放棄丈量，重新選擇油滴。o完本錢實驗的關鍵在于控制油滴和選擇適宜完本錢實驗的關鍵在于控制油滴和選擇適宜的油滴。丈量數據之前應熟練掌握控制油滴的油

16、滴。丈量數據之前應熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇適宜的油滴。否那么就會呵的技巧，并選擇適宜的油滴。否那么就會呵斥實驗失敗。斥實驗失敗。o實驗中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖實驗中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快，然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測準確。太小的油滴布朗運動明時間不容易測準確。太小的油滴布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓顯。通常選擇平衡電壓200伏左右的油滴，伏左右的油滴，這時其大小和帶電量比較適當。這時其大小和帶電量比較適當。o計算出每個油滴電量計算出每個油滴電量qi后，用后，用e的公認值的公認值(e=1.60210-19C)去除

17、，得到每個油滴帶根去除，得到每個油滴帶根本電荷個數的近似值本電荷個數的近似值ni，將，將ni四舍五入取整，四舍五入取整，再用這個整數去除再用這個整數去除qi，所得結果為測出的電，所得結果為測出的電子電量子電量ei 。 o求出求出ei的平均值，并與公認值比較求出相對的平均值，并與公認值比較求出相對誤差誤差 。驗證法驗證法設實驗得到設實驗得到m個油滴的帶電個油滴的帶電量分別為量分別為q1, q2, ., qm ，由于電荷的量子化特性，由于電荷的量子化特性，應有應有qi=nie,此為不斷線方此為不斷線方程，程，n為自變量，為自變量，q為因變?yōu)橐蜃兞?，量，e為斜率。因此為斜率。因此m個個油滴對應的數據在油滴對應的數據在nq坐坐標系中將在同一條過原點標系中將在同一條過原點的直線上，假設找到滿足的直線上，假設找到滿足這一關系的曲線，就可用這一關系的曲線，就可用斜率求得斜率求得e值。將值。將e值的實值的實驗值與公認值比較，求相驗值與公認值比較，求相對誤差。對誤差。倒證法倒證法nqn1n2q1q2o如何判別油滴盒內兩平行極板能否程度？假設不程如何判別油滴盒內兩平行極板能否程度？假設不程度對實驗有何影響？度對實驗有何影響？o為什么向油霧室噴油時，一定要使電容器的兩平行為什么向油霧室噴油時，一定要使電容器的兩平行極板短路？這時平行電壓