云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心

1、云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 典型多媒體課件（典型多媒體課件（2） 近代物理實(shí)驗(yàn)近代物理實(shí)驗(yàn) 主講教師：戴本忠主講教師：戴本忠 教授教授 密立根油滴實(shí)驗(yàn) 近代物理實(shí)驗(yàn)之一近代物理實(shí)驗(yàn)之一 密立根（R. A. Millikan 1868-1953） （獲諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)）（獲諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)） 243 o 由美國(guó)物理學(xué)家密立根(Millikan R. A.)完成的測(cè)量微 小油滴上所帶電荷的實(shí)驗(yàn):油滴實(shí)驗(yàn)，是物理學(xué)發(fā)展史 上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)首次證明了電荷的不 連續(xù)性，即任何帶電體所帶的電量都是基本電荷的整數(shù) 倍，并精確測(cè)定了基本電荷1.6010-19庫(kù)侖。電 子電荷

2、是物理學(xué)中基本常數(shù)之一，在理論和實(shí)際工作中 都有重要意義，它的精確測(cè)定，為從實(shí)驗(yàn)上測(cè)定許多基 本物理量提供了可能性。 o 密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧，設(shè)備簡(jiǎn)單，而實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻有 不容置疑的說(shuō)服力，因此這一實(shí)驗(yàn)歷來(lái)被看做是物理實(shí) 驗(yàn)的一個(gè)光輝典范。密立根由于這一杰出工作和在光電 效應(yīng)方面的研究成果而榮獲年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 244 o 通過對(duì)帶電油滴在重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的 測(cè)量，驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測(cè)定基本電 荷量e； o 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤 和測(cè)量，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度 o 學(xué)習(xí)并了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用， 學(xué)習(xí)電視顯微測(cè)量方法。學(xué)習(xí)密立根油滴

3、實(shí) 驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想； 245 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的水平放置的水平放置 的平行極板之間，油在噴射撕裂成油滴時(shí)，的平行極板之間，油在噴射撕裂成油滴時(shí)， 一般都帶上電荷，假如油滴的質(zhì)量為一般都帶上電荷，假如油滴的質(zhì)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(shí)受到重力和電場(chǎng)力兩個(gè)力的作在極板間同時(shí)受到重力和電場(chǎng)力兩個(gè)力的作 用。用。E為兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。為兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。 利用帶電荷的微小油滴在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的利用帶電荷的微小油滴在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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

4、所帶的微觀電荷量q的測(cè)的測(cè) 量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。 246 mg f1 f2 d U qqEmg 如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U 可使重力和電場(chǎng)力可使重力和電場(chǎng)力 平衡，則有關(guān)系式：平衡，則有關(guān)系式： 此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)中，并保持平衡。此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)中，并保持平衡。 平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自由下落，下落平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自由下落，下落 過程中受三個(gè)力的作用：重力過程中受三個(gè)力的作用：重力mg ；空氣浮力；空氣浮力f1 ；空氣；空氣 對(duì)它的阻力對(duì)它的阻力f2。 247 3 3 4 am gamg 3

5、 3 4 gaf 3 1 3 4 由于表面張力的作用由于表面張力的作用,油滴一般呈小球狀。油滴一般呈小球狀。 設(shè)油滴的密度為設(shè)油滴的密度為,半徑為半徑為a,則油滴的質(zhì)量則油滴的質(zhì)量m為為: 重力及空氣浮力可表示為：重力及空氣浮力可表示為： af6 2 由斯托克斯定律知由斯托克斯定律知空氣阻力可表示為空氣阻力可表示為 agaga6 3 4 3 4 33 )(2 9 g a 式中式中是空氣的粘滯系數(shù)。當(dāng)油滴下落速度達(dá)到某一數(shù)是空氣的粘滯系數(shù)。當(dāng)油滴下落速度達(dá)到某一數(shù) 值，油滴所受合外力等于零時(shí)，油滴勻速下降。此時(shí)有：值，油滴所受合外力等于零時(shí)，油滴勻速下降。此時(shí)有： g a 2 9 pa b 1

6、pa b a f 1 6 2 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，空氣浮力可以忽略。有時(shí)，空氣浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以連續(xù)介質(zhì)為前提的，對(duì)于半徑小到斯托克斯定律是以連續(xù)介質(zhì)為前提的，對(duì)于半徑小到 1010-6 -6m m的微小油滴， 的微小油滴，半徑與空氣分子間的間隙大致相等，半徑與空氣分子間的間隙大致相等， 已不能將空氣看作連續(xù)介質(zhì)已不能將空氣看作連續(xù)介質(zhì)，因此空氣的粘滯系數(shù)修改，因此空氣的粘滯系數(shù)修改 為：為： 斯托克斯定律修改為斯托克斯定律修改為 最終可得：最終可得： 2 3 9 2 )1 ( 2 18 L gt p b t L U d g q g g 此式是本實(shí)驗(yàn)計(jì)算油滴電荷的基本公式。式中此式是本實(shí)

7、驗(yàn)計(jì)算油滴電荷的基本公式。式中 b 為修正常數(shù)，為修正常數(shù)，b=6.1710-6m米米厘米汞高，厘米汞高，p為大氣為大氣 壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。其中壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。其中tg為油滴下降為油滴下降L距離所距離所 測(cè)量的時(shí)間。測(cè)量的時(shí)間。 2411 電壓顯示電壓顯示 計(jì)時(shí)顯示計(jì)時(shí)顯示 平衡水泡平衡水泡 CCD物距調(diào)節(jié)物距調(diào)節(jié) 平衡電壓平衡電壓 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換 開關(guān)開關(guān) 電源開關(guān)電源開關(guān) 計(jì)時(shí)鍵計(jì)時(shí)鍵 MOD-5型油滴儀包括：油滴盒，測(cè)量顯微鏡，型油滴儀包括：油滴盒，測(cè)量顯微鏡， 數(shù)字電壓表，工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕，工作電數(shù)字電壓表，工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕，工作電 壓反向開關(guān)，升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕，

8、升降電壓反向開關(guān)，升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕，升降電 壓反向開關(guān)，壓反向開關(guān)，CCD和監(jiān)視器等。和監(jiān)視器等。 2412 油滴盒結(jié)構(gòu)如圖所示油 滴盒是由兩塊經(jīng)過精磨的 平行極板，上極板中央有 一個(gè)直徑0.4毫米的小孔， 油滴從油霧室經(jīng)油霧孔落 入小孔，進(jìn)入上下極板之 間。油滴盒防風(fēng)罩前裝有 測(cè)量顯微鏡，用以觀察平 行極板間的油滴。測(cè)量顯 微鏡目鏡頭中裝有分劃板， 其垂直總刻度相當(dāng)于視場(chǎng) 中的0.3厘米，用以測(cè)量 油滴運(yùn)動(dòng)的距離。 2413 1. 儀器調(diào)整儀器調(diào)整 2. 練習(xí)控制油滴練習(xí)控制油滴 3. 練習(xí)選擇油滴練習(xí)選擇油滴 4. 測(cè)量（對(duì)同一油滴進(jìn)行測(cè)量（對(duì)同一油滴進(jìn)行610次測(cè)量）次測(cè)量） 2414

9、儀器調(diào)整儀器調(diào)整 o 將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準(zhǔn)泡指示將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準(zhǔn)泡指示 水平，這時(shí)平行極板處于水平狀態(tài)。預(yù)熱水平，這時(shí)平行極板處于水平狀態(tài)。預(yù)熱10分鐘，利分鐘，利 用預(yù)熱時(shí)間從測(cè)量顯微鏡中觀察，如果分劃板位置不正，用預(yù)熱時(shí)間從測(cè)量顯微鏡中觀察，如果分劃板位置不正， 則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié) 目鏡，使分劃板刻線清晰。目鏡，使分劃板刻線清晰。 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(dòng)而

10、使油滴亂漂移，微調(diào)推上油霧孔擋板，以免空氣流動(dòng)而使油滴亂漂移，微調(diào) 測(cè)量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)視場(chǎng)中即出現(xiàn)大量清晰的測(cè)量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)視場(chǎng)中即出現(xiàn)大量清晰的 油滴。油滴。 對(duì)與對(duì)與CCD一體化的屏顯油滴儀，則從監(jiān)視器熒一體化的屏顯油滴儀，則從監(jiān)視器熒 光屏上觀察油滴的運(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，則可轉(zhuǎn)動(dòng)顯光屏上觀察油滴的運(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，則可轉(zhuǎn)動(dòng)顯 微鏡上的圓形微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。 2415 2416 練習(xí)測(cè)量練習(xí)測(cè)量 o 練習(xí)控制油滴：練習(xí)控制油滴：如果用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴如果用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴 后，在平行極板上加工作（平衡）電壓后，在平行極

11、板上加工作（平衡）電壓250 伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置“平衡平衡”檔，檔， 驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng) 的油滴為止。注視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)的油滴為止。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(dòng)。然后去掉平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉 平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后 再加上再加上“提升提升”電壓，使油滴上升。如此反電壓，使油滴上升。如此反 復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。 2417 o 練習(xí)測(cè)量油

12、滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：練習(xí)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度 快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測(cè)出它們下降一段距離快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測(cè)出它們下降一段距離 所用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測(cè)量油滴所用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測(cè)量油滴 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。 o 練習(xí)選擇油滴：練習(xí)選擇油滴：要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選 擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油 滴雖然比較亮，但一般帶的電量比較多，下降速度滴雖然比較亮，但一般帶的電量比較多，下降速度 也比較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)。也不能

13、選太小的油滴，也比較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)。也不能選太小的油滴， 太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓在太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓在200伏伏 特以上，在特以上，在2030秒內(nèi)勻速下落秒內(nèi)勻速下落2毫米的油滴，毫米的油滴， 其大小和帶電量比較合適。其大小和帶電量比較合適。 2418 正式測(cè)量正式測(cè)量靜態(tài)（平衡）測(cè)量法靜態(tài)（平衡）測(cè)量法 1. 用平衡測(cè)量法測(cè)量油滴勻速下降一段距離用平衡測(cè)量法測(cè)量油滴勻速下降一段距離l時(shí)要測(cè)時(shí)要測(cè) 量的有兩個(gè)量。一是量的有兩個(gè)量。一是平衡電壓平衡電壓U，另一個(gè)是油滴勻，另一個(gè)是油滴勻 速下降一段距離速下降一段距離l所需要的所需要的時(shí)間時(shí)間tg。平衡電壓必須經(jīng)

14、。平衡電壓必須經(jīng) 過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分化板上某條橫線附過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分化板上某條橫線附 近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了。近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了。 2. 測(cè)量油滴下降測(cè)量油滴下降l所需要的時(shí)間所需要的時(shí)間tg時(shí)，時(shí)，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)為了在按動(dòng)計(jì)時(shí) 器時(shí)有所思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè)器時(shí)有所思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè) 量時(shí)間量時(shí)間。選定測(cè)量的一段距離。選定測(cè)量的一段距離l，應(yīng)該在平衡極板，應(yīng)該在平衡極板 之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃的中央部分。之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃的中央部分。若太若太 靠近上極板，電場(chǎng)不均勻，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。太靠靠近

15、上極板，電場(chǎng)不均勻，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。太靠 近下電極板，測(cè)量完時(shí)間后，油滴容易丟失，影響近下電極板，測(cè)量完時(shí)間后，油滴容易丟失，影響 測(cè)量。測(cè)量。一般取一般取l=2mm比較合適。比較合適。 2419 正式測(cè)量正式測(cè)量靜態(tài)（平衡）測(cè)量法靜態(tài)（平衡）測(cè)量法 3. 對(duì)同一顆油滴進(jìn)行對(duì)同一顆油滴進(jìn)行610次測(cè)量，而且每次測(cè)次測(cè)量，而且每次測(cè) 量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變 得模糊，要微調(diào)測(cè)量顯微鏡跟蹤油滴，勿使得模糊，要微調(diào)測(cè)量顯微鏡跟蹤油滴，勿使 油滴丟失。油滴丟失。 4. 測(cè)完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在測(cè)完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在

16、“下落下落”檔，重新噴油，選擇油滴測(cè)量。本檔，重新噴油，選擇油滴測(cè)量。本 實(shí)驗(yàn)中要對(duì)實(shí)驗(yàn)中要對(duì)4-6顆油滴進(jìn)行測(cè)量。顆油滴進(jìn)行測(cè)量。 2420 o 在噴油后，若視場(chǎng)中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾在噴油后，若視場(chǎng)中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾 個(gè)原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法：個(gè)原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法： 檢查線路；打開有機(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭檢查線路；打開有機(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭 小孔，或利用細(xì)絲（直徑小于小孔，或利用細(xì)絲（直徑小于0.4mm）捅一捅?。┩币煌毙?孔?？?。 o 調(diào)整儀器時(shí)，如要打開有機(jī)玻璃油霧室，應(yīng)先將工調(diào)整儀器時(shí)，如要打開有機(jī)玻璃油霧室，

17、應(yīng)先將工 作電壓選擇開關(guān)放在作電壓選擇開關(guān)放在“下落下落”位置。位置。 o 噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，否則會(huì)堵塞油滴盒上蓋的噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，否則會(huì)堵塞油滴盒上蓋的 小孔小孔 。 o 測(cè)量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有測(cè)量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有 明顯改變，應(yīng)放棄測(cè)量，重新選擇油滴。明顯改變，應(yīng)放棄測(cè)量，重新選擇油滴。 2421 o 完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適 的油滴。測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的油滴。測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴 的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會(huì)造成的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會(huì)造成 實(shí)驗(yàn)

18、失敗。實(shí)驗(yàn)失敗。 o 實(shí)驗(yàn)中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖實(shí)驗(yàn)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(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明 顯。通常選擇平衡電壓顯。通常選擇平衡電壓200伏左右伏左右的油滴，的油滴， 這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)。這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)。 2422 o 計(jì)算出每個(gè)油滴電量計(jì)算出每個(gè)油滴電量qi后，用后，用e的公認(rèn)值的公認(rèn)值 (e=1.60210-19C)去除，得到每個(gè)油滴帶基去除，得到每個(gè)油滴帶基 本電荷個(gè)數(shù)的近似值本電荷個(gè)數(shù)的近似值ni，將，將ni四舍五入取整，四舍五入取整， 再用這個(gè)整數(shù)去除再用這個(gè)整數(shù)去除qi，所得結(jié)果為測(cè)出的電，所得結(jié)果為測(cè)出的電 子電量子電量ei 。 o 求出求出ei的平均值，并與公認(rèn)值比較求出相對(duì)的平均值，并與公認(rèn)值比較求出相對(duì) 誤差誤差 。 驗(yàn)證法驗(yàn)證法 2423 設(shè)實(shí)驗(yàn)得到設(shè)實(shí)驗(yàn)得到m個(gè)油滴的帶電個(gè)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(yīng)有應(yīng)有qi=nie,此為一直線方此為一直線方 程，程，n為