云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心ppt課件

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)o由美國物理學(xué)家密立根(Millikan R. A.)完成的丈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)開展史上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)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(shù)倍，并準(zhǔn)確測(cè)定了根本電荷1.6010-19庫侖。電子電荷是物理學(xué)中根本常數(shù)之一，在實(shí)際和實(shí)踐任務(wù)中都有重要意

2、義，它的準(zhǔn)確測(cè)定，為從實(shí)驗(yàn)上測(cè)定許多根本物理量提供了能夠性。o密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧，設(shè)備簡單，而實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻有不容置疑的壓服力，因此這一實(shí)驗(yàn)歷來被看做是物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)光輝典范。密立根由于這一出色任務(wù)和在光電效應(yīng)方面的研討成果而榮獲年諾貝爾物理獎(jiǎng)。o經(jīng)過對(duì)帶電油滴在重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的丈量，驗(yàn)證電荷的不延續(xù)性，并測(cè)定根本電荷量e； o經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤和丈量，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處置等，培育學(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運(yùn)用，學(xué)習(xí)電視顯微丈量方法。學(xué)習(xí)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(shí)，的平行極板之間，油在放射撕裂成油滴時(shí)，普通都帶上電荷，假設(shè)油滴的質(zhì)量為普通都帶上電荷，假設(shè)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)遭到重力和電場(chǎng)力兩個(gè)力的作在極板間同時(shí)遭到重力和電場(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，可將油滴所帶的微觀電荷量q的丈的丈量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的丈量。量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的丈量。 mgf1f2dUqqEmg假

4、設(shè)調(diào)理兩極板間的電壓假設(shè)調(diào)理兩極板間的電壓U 可使重力和電場(chǎng)力可使重力和電場(chǎng)力平衡，那么有關(guān)系式：平衡，那么有關(guān)系式：此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)中，并堅(jiān)持平衡。此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)中，并堅(jiān)持平衡。 平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自在下落，下落過程中受三個(gè)力的作用：重力mg ；空氣浮力f1 ；空氣對(duì)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(shè)油滴的密度為,半徑為a,那么油滴的質(zhì)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(shù)。當(dāng)油滴下落速度到達(dá)某一數(shù)值，油滴所受合外是空氣的粘滯系數(shù)。當(dāng)油滴下落速度到達(dá)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：力等于零時(shí)，油滴勻速下降。此時(shí)有：ga29pab1pabaf162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 斯托克斯定律是以延續(xù)介質(zhì)為前提的，對(duì)于半徑小到斯托克斯定律是以延續(xù)介質(zhì)為前提的，對(duì)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(zhì)，因此空氣的粘滯系數(shù)修，已不能將空氣看作延續(xù)介質(zhì)，因此空氣的粘滯系數(shù)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(shí)驗(yàn)計(jì)算油滴電荷的根本公式。式中b 為修正常數(shù)，b=6.1710-6m米厘米汞高，p為大氣壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。其中tg為油滴下降L間隔所丈量的時(shí)間。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)理物距調(diào)理平衡電壓平衡電壓調(diào)理調(diào)理電壓轉(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，丈量顯微鏡，型油滴儀包括：油滴盒，丈量顯微鏡，數(shù)字電壓表，任務(wù)電壓調(diào)理旋鈕，任務(wù)電數(shù)字電壓表，任務(wù)電壓調(diào)理旋鈕，任務(wù)電壓反向開關(guān)，升降電壓調(diào)理旋鈕，升降電壓反向開關(guān)，升降

7、電壓調(diào)理旋鈕，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。油滴盒構(gòu)造如下圖油滴盒是由兩塊經(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(dāng)于視場(chǎng)中的0.3厘米，用以丈量油滴運(yùn)動(dòng)的間隔。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)泡指示程度，這時(shí)平行極板處于程度形狀。預(yù)熱程度，這時(shí)平行極板處于程度形狀。預(yù)熱10分鐘，利分鐘，利用預(yù)熱時(shí)間從丈量顯微鏡中察看，假設(shè)分

8、劃板位置不正，用預(yù)熱時(shí)間從丈量顯微鏡中察看，假設(shè)分劃板位置不正，那么轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插究竟。調(diào)那么轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插究竟。調(diào)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(dòng)而使油滴亂漂移，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)丈量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)視場(chǎng)中即出現(xiàn)大量明晰的丈量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)視場(chǎng)中即出現(xiàn)大量明晰的油滴。油滴。 對(duì)與對(duì)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(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，那么可轉(zhuǎn)熒光屏上察看油滴的運(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，那么可轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡上的圓形動(dòng)顯微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。練習(xí)丈量練習(xí)丈量o練習(xí)控制油滴：假設(shè)用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴練習(xí)控制油滴：假設(shè)用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴后，在平行極板上加任務(wù)平衡電壓后，在平行極板上加任務(wù)平衡電壓250伏特左右，任務(wù)電壓選擇開關(guān)置伏特左右，任務(wù)電壓選擇開關(guān)置“平衡檔，平衡檔，驅(qū)走不需求的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)驅(qū)走不需求的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)的油滴為止。凝視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)理的油滴為止。凝視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)理平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉平衡電壓

10、，使這顆油滴靜止不動(dòng)。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(fù)多次地進(jìn)展練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。復(fù)多次地進(jìn)展練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。o練習(xí)丈量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：恣意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度練習(xí)丈量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：恣意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測(cè)出它們下降一段間隔快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測(cè)出它們下降一段間隔所用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握丈量油滴所用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握丈量油滴運(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：要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選

11、練習(xí)選擇油滴：要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)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(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)。也不能選太小的油滴，也比較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)。也不能選太小的油滴，太小那么布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓在太小那么布朗運(yùn)動(dòng)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(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(shí)要丈時(shí)要丈量的有兩個(gè)量。一是平衡電壓量的有兩個(gè)量。一是平衡電壓U，另一個(gè)是油滴勻，另一個(gè)是油滴勻速下降一段間隔速下降一段間隔l所需求的時(shí)間所需求的時(shí)間tg。平衡電壓必需經(jīng)。平衡電壓必需經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)理，并將油滴置于分化板上某條橫線附過仔細(xì)的調(diào)理，并將油滴置于分化板上某條橫線附近，以便準(zhǔn)確判別出這顆油滴能否平衡了。近，以便準(zhǔn)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(shí)間所需求的時(shí)間tg時(shí)，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)時(shí)，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)器時(shí)有所思想預(yù)備，應(yīng)先讓它下降一段間隔后再丈器時(shí)有所思想預(yù)備，應(yīng)先讓它下降一段間隔后再丈量時(shí)間。選定丈量的一

13、段間隔量時(shí)間。選定丈量的一段間隔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。假設(shè)之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃的中央部分。假設(shè)太接近上極板，電場(chǎng)不均勻，會(huì)影響丈量結(jié)果。太太接近上極板，電場(chǎng)不均勻，會(huì)影響丈量結(jié)果。太接近下電極板，丈量完時(shí)間后，油滴容易喪失，影接近下電極板，丈量完時(shí)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(duì)同一顆油滴進(jìn)展對(duì)同一顆油滴進(jìn)展610次丈量，而且每次丈次丈量，而且每次丈量都要重新調(diào)整平衡電壓。假設(shè)油滴逐漸變量都要重新調(diào)整平衡電壓。假設(shè)油滴逐漸變得模糊，要

14、微調(diào)丈量顯微鏡跟蹤油滴，勿使得模糊，要微調(diào)丈量顯微鏡跟蹤油滴，勿使油滴喪失。油滴喪失。 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“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(shí)驗(yàn)中要對(duì)實(shí)驗(yàn)中要對(duì)4-6顆油滴進(jìn)展丈量。顆油滴進(jìn)展丈量。 o在噴油后，假設(shè)視場(chǎng)中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，能夠有以下在噴油后，假設(shè)視場(chǎng)中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，能夠有以下幾個(gè)緣由：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處置方幾個(gè)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(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉法：檢查線路；翻開有機(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭小孔，或利用細(xì)絲直徑小于擦

15、拭小孔，或利用細(xì)絲直徑小于0.4mm捅一捅一捅小孔。捅小孔。o調(diào)整儀器時(shí)，如要翻開有機(jī)玻璃油霧室，應(yīng)先將任調(diào)整儀器時(shí)，如要翻開有機(jī)玻璃油霧室，應(yīng)先將任務(wù)電壓選擇開關(guān)放在務(wù)電壓選擇開關(guān)放在“下落位置。下落位置。o噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，否那么會(huì)堵塞油滴盒上蓋噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，否那么會(huì)堵塞油滴盒上蓋的小孔的小孔 。o丈量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整任務(wù)電壓，假設(shè)發(fā)現(xiàn)任務(wù)電壓丈量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整任務(wù)電壓，假設(shè)發(fā)現(xiàn)任務(wù)電壓有明顯改動(dòng)，應(yīng)放棄丈量，重新選擇油滴。有明顯改動(dòng)，應(yīng)放棄丈量，重新選擇油滴。o完本錢實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇適宜完本錢實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇適宜的油滴。丈量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的油

16、滴。丈量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇適宜的油滴。否那么就會(huì)呵的技巧，并選擇適宜的油滴。否那么就會(huì)呵斥實(shí)驗(yàn)失敗。斥實(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伏左右的油滴，伏左右的油滴，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)。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

17、，得到每個(gè)油滴帶根去除，得到每個(gè)油滴帶根本電荷個(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(gè)個(gè)油滴對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在油滴對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在nq坐坐標(biāo)系中將在同一條過原點(diǎn)標(biāo)系中將在同一條過原點(diǎn)的直線上，假設(shè)找到滿足的直線上，假設(shè)找到滿足這一關(guān)系的曲線，就可用這一關(guān)系的曲線，就可用斜率求得斜率求得e值。將值。將e值的實(shí)值的實(shí)驗(yàn)值與公認(rèn)值比較，求相驗(yàn)值與公認(rèn)值比較，求相對(duì)誤差。對(duì)誤差。倒證法倒證法nqn1n2q1q2o如何判別油滴盒內(nèi)兩平行極板能否程度？假設(shè)不程如何判別油滴盒內(nèi)兩平行極板能否程度？假設(shè)不程度對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？度對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？o為什么向油霧室噴油時(shí)，一定要使電容器的兩平行為什么向油霧室噴油時(shí)，一定要使電容器的兩平行極板短路？這時(shí)平行電壓