密立根油滴實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共12頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 密立根油滴實(shí)驗(yàn)學(xué) 院 數(shù)理與信息工程學(xué)院 班 級(jí) 物理 姓 名 學(xué) 號(hào) 時(shí) 間 2013年12月9日 密立根油滴實(shí)驗(yàn)【摘要】 本實(shí)驗(yàn)我們根據(jù)密立根油滴實(shí)驗(yàn)原理，引進(jìn)了CCD攝像技術(shù)，從監(jiān)視器上觀察油滴運(yùn)動(dòng)，測(cè)定了油滴帶電量，并運(yùn)用差值法處理了相應(yīng)數(shù)據(jù)，得出了元電荷e的值，驗(yàn)證了電荷的量子性，同時(shí)也了解了密立根巧妙的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)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(jì)并完成了密立根油滴實(shí)驗(yàn)，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(cè)定了電量的最小單位基本電荷電量，即電子所帶電量。這一成就大大促

2、進(jìn)了人們對(duì)電和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和認(rèn)識(shí)。油滴實(shí)驗(yàn)中將微觀量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀量測(cè)量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思，以及用比較簡(jiǎn)單的儀器，測(cè)得比較精確而穩(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(jiǎng)。密立根的實(shí)驗(yàn)裝置隨著技術(shù)的進(jìn)步而得到了不斷的改進(jìn)，但其實(shí)驗(yàn)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(cè)定出基本粒子夸克的電量。【實(shí)驗(yàn)方案】一、實(shí)驗(yàn)原理1、靜態(tài)（平衡）測(cè)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(shí)，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。 圖1如果調(diào)節(jié)兩極板間的電

3、壓V ，可使兩力達(dá)到平衡，這時(shí)： (1)為了測(cè)出油滴所帶的電量q，除了需測(cè)定平衡電壓V 和極板間距離d 外，還需要測(cè)量油滴的質(zhì)量m。因m很小，需用如下特殊方法測(cè)定：平行極板不加電壓時(shí)，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(dá)到某一速度后，阻力與重力mg平衡，如圖 2 所示（空氣浮力忽略不計(jì)），油滴將勻速下降。此時(shí)有： (2)其中是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑。經(jīng)過(guò)變換及修正，可得斯托克斯定律： (3)其中b是修正常數(shù)， b=6.17×10-6m·cmHg,p為大氣壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。 圖2至于油滴勻速下降的速度，可用下法測(cè)出：當(dāng)兩極板間的電壓V為零時(shí),

4、設(shè)油滴勻速下降的距離為，時(shí)間為t ，則 (4)最后得到理論公式： (5)2、動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法非平衡測(cè)量法則是在平行極板上加以適當(dāng)?shù)碾妷篤 ，但并不調(diào)節(jié)V 使靜電力和重力達(dá)到平衡，而是使油滴受靜電力作用加速上升。由于空氣阻力的作用，上升一段距離達(dá)到某一速度 后，空氣阻力、重力與靜電力達(dá)到平衡（空氣浮力忽略不計(jì)），油滴將勻速上升，如圖 3 所示。這時(shí)： （6）圖3當(dāng)去掉平行極板上所加的電壓V 后，油滴受重力作用而加速下降。當(dāng)空氣阻力和重力平衡時(shí)，油滴將以勻速 下降，這時(shí)： （7）化簡(jiǎn)，并把平衡法中油滴的質(zhì)量代入，得理論公式： （8）二、實(shí)驗(yàn)儀器根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)儀器密立根油滴儀，應(yīng)包括水平放置

5、的平行極板（油滴盒），調(diào)平裝置，照明裝置，顯微鏡，電源，計(jì)時(shí)器（數(shù)字毫秒計(jì)），改變油滴帶電量從q變到q的裝置，實(shí)驗(yàn)油，噴霧器等。MOD5 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(shí)驗(yàn)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(shí)平行極板處于水平位置。預(yù)熱 10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，則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分劃板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)接目鏡，使分劃板刻線清晰。 將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴一次即可），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)大量清晰的油滴，如夜空繁星。 對(duì) MOD5C型與 CCD一體化的屏顯油滴儀，

6、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)顯微鏡上的圓形 CCD，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。2.練習(xí)測(cè)量（1）練習(xí)控制油滴 如果用平衡法實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)。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)多次地進(jìn)行練習(xí)。（2）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需要的時(shí)間?；蛘呒由弦欢ǖ碾妷?，測(cè)出它們上升一段距離所需要的時(shí)間。如此

7、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)確。若油滴太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通?？梢赃x擇平衡電壓在 200 到300伏特間，在8-30s左右時(shí)間內(nèi)勻速下降 1.5mm的油滴，其大小和帶電量都比較合適。（4）練習(xí)改變油滴的帶電量 對(duì) MOD5B、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(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，這時(shí)油滴的帶電量已經(jīng)改變了。3.正式測(cè)量（1）靜態(tài)（平衡）測(cè)量法 用平衡測(cè)量法時(shí)要測(cè)量的有兩個(gè)量，一個(gè)是平衡電壓 V，另一個(gè)是油滴勻速下降一段距離所需要的

8、時(shí)間 tg 。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(cè)量的一段距離（取l=1.5mm），然后把開關(guān)撥向“下降”，使油滴自由下落。 測(cè)量油滴勻速下降經(jīng)過(guò)選定測(cè)量距離所需要的時(shí)間te ，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)器時(shí)有思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。 測(cè)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(chǎng)使油滴回到原來(lái)高度，為下次測(cè)量做好準(zhǔn)備。 對(duì)同一顆油滴應(yīng)進(jìn)行 6 次測(cè)量，而且每次測(cè)量都要重新調(diào)整平衡電壓。用同樣的的方法對(duì)5顆油滴進(jìn)行測(cè)量。（2）動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法 用動(dòng)態(tài)測(cè)量法實(shí)驗(yàn)時(shí)要測(cè)量的量有

9、三個(gè)：上升電壓、油滴勻速下降和上升一段距離所需的時(shí)間 tg、te。 選定測(cè)量的一段距離（取l=1.5mm），應(yīng)該在平衡極板之間的中央部分，然后把開關(guān)撥向“下降”，使油滴自由下落。 測(cè)量油滴勻速下降經(jīng)過(guò)選定測(cè)量距離所需要的時(shí)間tg，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)器時(shí)有思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。 測(cè)完 tg 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(guò)原選定的測(cè)量距離，測(cè)出所需時(shí)間 te 。同樣也應(yīng)先讓它上升一段距離后再測(cè)量時(shí)間。（提升時(shí)間最好為1.5mm的時(shí)間為10s） 一共測(cè)量3組?！窘Y(jié)果與討論】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：（1） 靜態(tài)（平衡）測(cè)量法 油滴1電壓V運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tg電荷量e*1

10、019帶電荷數(shù)n元電荷e*101930417.9617.07111.55230618.3816.13101.61331718.8816.83111.5331017.8715.91101.61930719.0116.09101.609平均元電荷1.586油滴2電壓V運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tg電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*101931828.759.84761.64131228.110.28661.71431628.0610.16561.694311299.97361.66231428.939.90661.651平均元電荷1.675油滴3電壓V運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tg電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10191

11、9726.417.429111.58419825.9717.649111.60419526.4817.549111.59519225.318.725111.70219525.9817.915111.629平均元電荷1.614油滴4電壓V運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tg電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*101922621.8518.530121.54422522.4718.153111.65022923.3917.081111.55322823.2618.095121.64522222.118.727111.561平均元電荷1.600油滴5電壓V運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tg電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*10192362

12、0.5719.024131.58523820.5918.849121.57123821.6417.946111.63123720.4819.033121.58623720.818.724121.560平均元電荷1.584平衡法測(cè)量最終平均元電荷為e=1.6118*10-19C（2） 動(dòng)態(tài)（非平衡）測(cè)量法油滴1運(yùn)動(dòng)時(shí)間T電壓VT1T4電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*101940021.315.046.40441.60140021.9614.877.23951.44840022.5214.246.55541.63940021.7914.816.55941.64040021.3814.066.

13、81341.703平均元電荷1.616油滴2運(yùn)動(dòng)時(shí)間T電壓VT1T4電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*101940019.0412.394.90331.63440018.611.84.79031.59740018.812.24.80031.60040018.4111.534.83931.61340017.9412.115.08431.695平均元電荷1.623油滴3運(yùn)動(dòng)時(shí)間T電壓VT1T4電荷量e*1019帶電荷數(shù)n元電荷e*101940020.0210.256.13841.53540018.1810.26.46841.61740020.2210.36.28641.57240020.0810.326.59241.64840019.4910.156.35541.589平均元電荷1.598非平衡法測(cè)量最終平均元電荷為e=1.612*10-19C【結(jié)論與展望】 本實(shí)驗(yàn)利用電壓、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等這些可以直接測(cè)量和控制的