密立根油滴實驗報告

1、近代物理實驗報告密立根油滴實驗學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院班級物理姓名學(xué)號時間2021年12月9日密立根油滴實驗【摘要】本實驗我們根據(jù)密立根油滴實驗原理,引進了CCD攝像技術(shù),從監(jiān)視器上觀察油滴運動,測定了油滴帶電量4,并運用差值法處理了相應(yīng)數(shù)據(jù),得出了元電荷e的值,驗證了電荷的量子性,同時也了解了密立根巧妙的設(shè)計思想,進一步提升了實驗技能.【關(guān)鍵詞】油滴；平衡態(tài)；非平衡態(tài)；電荷大小【引言】1917年密立根設(shè)計并完成了密立根油滴實驗,其重要意義在于它直接地顯示出了電量的量子化,并最早測定了電量的最小單位一一根本電荷電量%即電子所帶電量.這一成就大大促進了人們對電和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和熟悉.油滴實驗中將微

2、觀量測量轉(zhuǎn)化為宏觀量測量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思,以及用比擬簡單的儀器,測得比擬精確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有創(chuàng)造性的.由于上述工作,密立根獲得了1923年度諾貝爾物理學(xué)獎.密立根的實驗裝置隨著技術(shù)的進步而得到了不斷的改良,但其實驗原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)研究的前沿發(fā)揮著作用,例如,科學(xué)界用類似的方法測定出根本粒子一一夸克的電量.【實驗方案】一、實驗原理1、靜態(tài)平衡測量法用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為d的平行極板之間.油在噴射撕裂成油滴時,一般都是帶電的.設(shè)油滴的質(zhì)量為m,所帶的電量為q,兩極板間的電壓為V,如圖1所示.如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓V,可使兩力到達(dá)平衡,這時:mg=qE=qa為了測出油滴所帶的

3、電量q,除了需測定平衡電壓V和極板間距離d外,還需要測量油滴的質(zhì)量m.因m很小,需用如下特殊方法測定：平行極板不加電壓時,油滴受重力作用而加速下降,由于空氣阻力的作用,下降一段距離到達(dá)某一速度嗔后,阻力力與重力mg平衡,如圖2所示空氣浮力忽略不計,油滴將勻速下降.此時有：fr=6疝=nig其中是空氣的粘滯系數(shù),是.油滴的半徑.經(jīng)過變換及修正,可得斯托克斯定律：1+Pa其中b是修正常數(shù),b=6.17X10-6m-cniHg,p為大氣壓強,單位為厘米汞高.至于油滴而誨遍板間的電壓V為零時,-qO設(shè)油滴勻速下降的距離為/,時間為t,那么(4)最后得到理論公式:2、動態(tài)非平衡測量法非平衡測量法那么是在

4、平行極板上加以適當(dāng)?shù)碾妷篤,但并不調(diào)節(jié)V使靜電力和重力到達(dá)平衡,而是使油滴受靜電力作用加速上升.由于空氣阻力的作用,上升一段距離到達(dá)某一速度u后,空氣阻力、重力與靜電力到達(dá)平衡空氣浮力忽略不計,油滴將勻速上升,如圖3所示.這時:(6)6加小e=q?mgd當(dāng)去掉平行極板上所加的電壓V點I油滴受重力作用而加速下降.當(dāng)空氣阻力同力平衡時,油謨將再I勻速U下降,這時67Uvg=mg(7)化簡,并把平衡法中油滴的質(zhì)量彳濕,得%論公式:3二、實驗儀器根據(jù)實驗原理,實驗儀器圖4密立根油滴儀,應(yīng)包括水平放置的平行極板油滴盒,調(diào)平裝置,照明裝置,顯微鏡,電源,計時器數(shù)字毫秒計,改變油滴帶電量從q變到q'

5、的裝置,實驗油,噴霧器等.M0D-5型密立根油滴儀的基本外形和具體結(jié)構(gòu)示于圖4.三、實驗步驟1 .調(diào)整儀器將儀器放平穩(wěn),調(diào)節(jié)儀器底部左右兩只調(diào)平螺絲,使水準(zhǔn)泡指示水平,這時平行極板處于水平位置.預(yù)熱10分鐘,利用預(yù)熱時間從測量顯微鏡中觀察,如果分劃板位置不正,那么轉(zhuǎn)動目鏡頭,將分劃板放正,目鏡頭要插到底.調(diào)節(jié)接目鏡,使分劃板刻線清楚.將油從油霧室旁的噴霧口噴入噴一次即可,微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪,這時視場中即出現(xiàn)大量清楚的油滴,如夜空繁星.對M0D-5C型與CCD一體化的屏顯油滴儀,那么從監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運動.如油滴斜向運動,那么可轉(zhuǎn)動顯微鏡上的圓形CCD,使油滴垂直方向運動.2 .練

6、習(xí)測量1練習(xí)限制油滴如果用平衡法實驗噴入油滴后,加工作平衡電壓250伏特左右,工作電壓選擇開關(guān)置“平衡檔,驅(qū)走不需要的油滴,直到剩下幾顆緩慢運動的為止.注視其中的某一顆,仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓,使這顆油滴靜止不動.然后去掉平衡電壓,讓它自由下降,下降一段距離后再加上“提升電壓,使油滴上升.如此反復(fù)屢次地進行練習(xí).2練習(xí)測量油滴運動的時間任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距離所需要的時間.或者加上一定的電壓,測出它們上升一段距離所需要的時間.如此反復(fù)多練幾次.3練習(xí)選擇油滴選的油滴體積不能太大,太大的油滴雖然比擬亮,但一般帶的電量比擬多,下降速度也比擬快,時間不容易測準(zhǔn)確.假

7、設(shè)油滴太小那么布朗運動明顯.通?？梢赃x擇平衡電壓在200到300伏特間,在8-30s左右時間內(nèi)勻速下降1.5mm的油滴,其大小和帶電量都比擬適宜.4練習(xí)改變油滴的帶電量對M0D5B、5BC、5BCC型密立根油滴儀,可以改變油滴的帶電量.按下汞燈按鈕,低壓汞燈亮,約5s,油滴的運動速度發(fā)生改變,這時油滴的帶電量已經(jīng)改變了.3 .正式測量1靜態(tài)平衡測量法用平衡測量法時要測量的有兩個量,一個是平衡電壓V,另一個是油滴勻速下降一段距離所需要的時間t6o仔細(xì)調(diào)節(jié)“平衡電壓旋鈕,使油滴置于分劃板上某條橫線附近,以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了.當(dāng)油滴處于平衡位置,選定測量的一段距離取1=1.5mm,然后把

8、開關(guān)撥向“下降,使油滴自由下落.測量油滴勻速下降經(jīng)過選定測量距離所需要的時間te,為了在按動計時器時有思想準(zhǔn)備,應(yīng)先讓它下降一段距離后再測量時間.測量完一次后,應(yīng)把開關(guān)撥向“平衡,做好記錄后,再撥向“提升,加大電場使油滴回到原來高度,為下次測量做好準(zhǔn)備.對同一顆油滴應(yīng)進行6次測量,而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓.用同樣的的方法對5顆油滴進行測量.2動態(tài)非平衡測量法用動態(tài)測量法實驗時要測量的量有三個：上升電壓、油滴勻速下降和上升一段距離所需的時間如、二.選定測量的一段距離取l=L5mm,應(yīng)該在平衡極板之間的中央局部,然后把開關(guān)撥向“下降,使油滴自由下落.測量油滴勻速下降經(jīng)過選定測量距離所需要的

9、時間te,為了在按動計時器時有思想準(zhǔn)備,應(yīng)先讓它下降一段距離后再測量時間.測完te把開關(guān)撥向“平衡,做好記錄后,再撥向“提升,使油滴勻速上升經(jīng)過原選定的測量距離,測出所需時間3o同樣也應(yīng)先讓它上升一段距離后再測量時間.提升時間最好為1.5mm的時間為10s一共測量3組.【結(jié)果與討論】實驗數(shù)據(jù)：1靜態(tài)平衡測量法油滴1電壓V運動時間te電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1930417.9617.07111.55230618.3816.13101.61331718.8816.83111.5331017.8715.91101.61930719.0116.09101.609平均元電荷1

10、.586油滴2電壓V運動時間te電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1931828.759.84761.64131228.110.28661.71431628.0610.16561.694311299.97361.66231428.939.90661.651平均元電荷1.675油滴3電壓V運動時間L電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1919726.417.429111.58419825.9717.649111.60419526.4817.549111.59519225.318.725111.70219525.9817.915111.629平均元電荷1.614油

11、滴4電壓V運動時間L電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1922621.8518.530121.54422522.4718.153111.65022923.3917.081111.55322823.2618.095121.64522222.118.727111.561平均元電荷1.600油滴5電壓V運動時間L電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1923620.5719.024131.58523820.5918.849121.57123821.6417.946111.63123720.4819.033121.58623720.818.724121.560平均元電荷

12、1.584平衡法測量最終平均元電荷為e=l.6118*10、19c(2)動態(tài)(非平衡)測量法油滴1動時間電壓V1電荷量e*10"19帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1940021.315.016.40441.60140021.9614.877.23951.44840022.5214.246.55541.63940021.7914.816.55941.64040021.3814.066.81341.703平均元電荷1.616油滴2動時間X電壓VTx電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1940019.0412.394.90331.63440018.611.84.7903

13、1.59740018.812.24.80031.60040018.4111.534.83931.61340017.9412.115.08431.695平均元電荷1.623油滴3動時間電壓V1電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10'1940020.0210.256.13841.53540018.1810.26.46841.61740020.2210.36.28641.57240020.0810.326.59241.64840019.4910.156.35541.589平均元電荷1.598非平衡法測量最終平均元電荷為e=l.612*10"-19C【結(jié)論與展望】本實驗利用電壓、運動時間等這些可以直接測量和限