密立根油滴實驗

1、密立根油滴實驗由美國物理學(xué)家密立根（R. A. Millikan ）首先設(shè)計并完成的密立根油滴實驗，在近代物理學(xué)的發(fā)展史上是一個十分重要的實驗。它證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷一基本電荷的整數(shù)倍；明確了電荷的不連續(xù)性；精確地測定了基本電荷的值，并令人信服 的揭示了電子的量子本性。由于密立根實驗設(shè)計巧妙、原理清楚、裝置簡單，而結(jié)論具有不容置疑的說服力，因此 這一實驗堪稱為物理實驗的精華、典范。重溫這一著名的油滴實驗，不僅應(yīng)該了解密立根所用的基本實驗方法，更要借鑒與學(xué)習(xí)密立根采用宏觀的力學(xué)模式揭示微觀粒子的量子本性的 物理構(gòu)思、精湛的實驗設(shè)計和嚴肅的科學(xué)作風(fēng)，從而更好的提高我們的實驗素

2、質(zhì)和能力。一、目的1 .驗證電荷的不連續(xù)性，并測定電子的電荷值；2 .培養(yǎng)學(xué)生嚴肅認真的科學(xué)態(tài)度和一絲不茍的工作作風(fēng)。、原理用油滴法測量電子的電荷，可以用靜態(tài)平衡法，也可以用動態(tài)測量法進行測量。平衡測量方法用噴霧器將油噴入兩塊相距為d的水平放置的平行板電極之間。油在噴射撕裂成油滴時，由 于摩擦一般都是帶電的。 設(shè)油滴的質(zhì)量為 m所帶 的電荷為q ,兩極板間的電壓為 V則油滴在平行 極板間將同時受到重力 mg和靜電力qE的作用, 如圖22 - 1所示。如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓，可 使兩力達到平衡，這時可得圖22 - 1 實驗原理圖mg = qE = q （22-1 ）從式（22-1 ）可見，為了測

3、出油滴所帶的電量q ,除了需測定 V和d外還需要測量油滴的質(zhì)量m因m很小，需采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，下降一段距離達到某一速度vg時，阻力fr與重力mgff衡，如圖22-2所示（空氣浮力忽略不計），油滴勻速下降。根據(jù)斯托克斯定律，油滴勻速下降 時可得fr = 6 a Vg = mg（22-2 ）式中P是空氣的粘滯系數(shù)，a是油滴的半徑（由于表面張力的原因，油滴總是呈小球狀）。設(shè)油滴的密度為 ，油滴的質(zhì)量m可以用下式表示43,、m= - a（22-3 ）由式（22-2 ）和式（22-3 ）得到油滴的半徑f ra =,產(chǎn)（22-4） mg

4、 2 g對于半徑小到10-6m的小球，空氣的粘滯系數(shù)應(yīng)作如下修正圖22-2油滴受力圖pa這時斯托克斯定律應(yīng)改寫為：式中b = 8.23 10-3m- Pa,為修正常數(shù)，p為大氣壓強，單位用 Pa,則a = 9-vg（22-5 ）2 g（i b ）pa上式根號中還包含油滴的半徑a，但因它處于修正項中，在不需十分精確的情況下，可用式（22-4）計算，將式（22-5）代入式（22-3）,得下322 g (1(22-6 )4 m =-39 vg1)paV為零時，設(shè)油滴勻速下至于油滴勻速下降的速度 vg ,可用下法測出：當(dāng)兩極板間的電壓 將的距離為l ,時間為tg ,則將式（22-7）代入式（22-6

5、）,將式vgtg(22-6 )代入式(22-1 ),得qEVe(22-7 )18(22-8)gtg 1pamg1.調(diào)節(jié)1蠲霧杯將儀，放平耳詞麻麗機上的麻|區(qū)攙，傅璇矍指示水平，這時平行極板處開油靠位置。由于;底座空間較邛,手輪調(diào)節(jié)較為方循。照明光咯樽到p=o.調(diào)手輪時將手心向上1上用中指和無名指夾住n -T-/ 極壓簧4 口 7!1油滴只需將顯微鏡筒前端和底座前端對齊，9噴入，噴油5琳Hit前微調(diào)即用中前后調(diào)焦科國假過大，W2.練習(xí)測睡架, 練習(xí)是順利做好實驗的重蛀視場中出乎力- 1mmp看:清眥的油滴然扁軸從油霧室旁的噴口 ，如夜空繁小。在使油滴較好。測量油滴運動時間和式（22-8）是用平衡

6、法測定油滴所帶電荷的理論公式。圖22-3油滴受力圖三、儀器儀器主要由油滴盒、CCDfe視顯微鏡、電路箱、監(jiān)視器等組成。油滴盒是個重要部件，加工要求很高，其結(jié)構(gòu)見圖22-4。電路箱體內(nèi)裝有高壓產(chǎn)生、測量顯示等電路。底部裝有三只調(diào)平手輪，面板結(jié)構(gòu)見圖22-5。 詳盡的儀器結(jié)構(gòu)、使用方法，請參閱“CCCB機密立根油滴儀使用說明書”8上蓋板四、內(nèi)容1.視頻電纜2.保險絲3.電源線4.電源開關(guān)5.指示燈平衡bV 計時/乎衡電壓.，7.上 電 極壓/ 8.K1圖 空慢/ 10.K3 / 11.V練習(xí)選擇合適的油滴。(1)練習(xí)控制油滴。判斷油滴是否平衡要有足夠的耐性。噴油后，注意觀察，通過調(diào) 整平衡電壓，驅(qū)

7、走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的為止，注意其中的某一顆，用 K2將油滴移至某條刻度線上，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。經(jīng)一段時間觀察 油滴確實不再移動才可認為是平衡了。然后去掉平衡電壓，讓它勻速下降，下降一段距離后再加上平衡電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多次地進行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。(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，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，以掌握測量油滴運動時間的方法。(3)練習(xí)選擇油滴。選擇一顆合適的油滴十分重要。大而亮的油滴必然質(zhì)量大，所帶 電荷也多，而

8、勻速下降時間則較短，增大了測量誤差和給數(shù)據(jù)處理帶來困難。用平衡法測量時，通常選擇平衡電壓為 200300v,勻速下落1.5mm的時間在820s左右的油滴較適宜。 噴油后，K2置“平衡”檔，調(diào) W使極板電壓為200300v,注意幾顆緩慢運動、較為清晰 明亮的油滴。試將 K2置“0V'檔，觀察各顆油滴下落大概的速度，從中選一顆作為測量對 象。對于9英寸監(jiān)視器，目視油滴直徑在 0.51mm較右的較適宜。過小的油滴觀察困難， 布郎運動明顯，會引入較大的測量誤差。測準(zhǔn)油滴上升或下降某段距離所需要的時間，一是要統(tǒng)一油滴到達刻度線什么位置才認為油滴已踏線，二是眼睛要平視刻度線，不要有夾角。反復(fù)練習(xí)幾

9、次，使測出的各次時間的離散性較小。3.正式測量(1)平衡測量法。由式(22-8)可知，用平衡測量法實驗時要測量兩個量。一個是平 衡電壓V,另一個是油滴勻速下降一段距離l所需要的時間t。實驗中，可將已調(diào)平衡的油滴用K2控制移到“起跑”線上，按K3(計時/停)，讓計時器停止計時，然后將K2撥向“0V”, 油滴開始勻速下降的同時，計時器開始計時。到“終點”時訊速將K2撥向“平衡”，油滴立即停止，計時也立即停止。油滴的運動距離一般取1.0mm- 1.5mm比較合適。對同一顆油滴應(yīng)進行610次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴 逐漸變得模糊，要微調(diào)顯微鏡跟蹤油滴，勿使丟失。用同樣方法選擇6

10、10顆油滴進行測量，求得電子電荷的平均值e。自擬表格。(2)動態(tài)測量法。選做項目：具體方法學(xué)生可根據(jù)實驗原理，自擬。五、數(shù)據(jù)處理1 .參照公式(22-8)計算q值。9 v a =.2gg2 .參考數(shù)據(jù)如下：(22-8 )式中一 .一 3p = 981 kg m油的密度g = 9.80重力加速度空氣粘滯系數(shù)r = 1.8310 5 kg - m 1 - s 1油滴勻速下降距離l = 1.510 3m修正常數(shù)b 8.23 10 3 m.Pa大氣壓強p = 1.013 x 10 5 Pa平行極板間距離d = 5.0010 3m3計算基本電荷值e ：為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷 e 的整數(shù)倍，并得到基本電荷e 值，我們應(yīng)對實驗測得的各個電量q求最大公約數(shù)。這個最大公約數(shù)就是基本電荷e值，也就是電子的電荷量。 但由于學(xué)生實驗技術(shù)不熟練， 測量誤差可能要大些， 要求出 q 的最大公約數(shù)有時比較困難，通常我們用“倒過來驗證”的辦法進行數(shù)據(jù)處理。即用公認的電子電荷值e=1.60 x 10-19C （庫侖）去除實3測得的電量 q。得到一個接近于某一個整數(shù)的數(shù)值，這個整 數(shù)就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目no再用這個n去除實驗測得的電量，即得電子的電荷值e。用這種方法處理數(shù)據(jù)， 只能是作為一種實驗驗證。 而且僅在油滴的帶電量比較少 （少數(shù)幾