密立根油滴實(shí)驗(yàn)

密立根油滴實(shí)驗(yàn)

Millikan’sOil-DropExperiment賈友見昆明理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心注意：本教學(xué)片中引用的圖片或其它資料，無論注明與否，版權(quán)均屬原作者或單位所有。內(nèi)容

OUTLINES一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模≒urpose&Aims）二、背景知識(shí)(Introduction)三、實(shí)驗(yàn)原理（TheoryoftheExperiment)四、實(shí)驗(yàn)（Experiment）五、分析（Analysis）六、結(jié)論和討論（Conclusion&Discussion）七、思考題（FurtherStudy）問題

PREPARATORYQUESTIONSQ:電子的電量公認(rèn)值是多少？（有無理論值？）A：e=1.6022X10-19C

e=(1.602177310.00000049)10-19C（目前最新結(jié)果）Q:物體帶電荷是量子化，還是連續(xù)的？或者說基本電荷是否存在？A：是，電荷具有量子化特征一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

PURPOSE

學(xué)習(xí)測(cè)量基本電荷的方法；驗(yàn)證電荷不連續(xù)性特征；體會(huì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)簡潔之”美”，掌握實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技巧；美：參與人少，設(shè)計(jì)精巧，計(jì)算工具簡單，結(jié)果準(zhǔn)確。訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和堅(jiān)韌不拔的科學(xué)精神。二、背景知識(shí)

INTRODUCTION原子存在的證據(jù)：布朗運(yùn)動(dòng)等實(shí)驗(yàn)原子是由什么組成的？電子的發(fā)現(xiàn)

DISCOVERYOFELECTRONS1890年J.斯通尼(Stoney)最早提出“electron“，即”電子”一詞，表示基本電荷的載體。1897年，J.J.Thomson,C.T.Wilson和P.Lenard曾以陰極射線管、氣體云室證實(shí)電子的存在，并測(cè)定了電子的荷質(zhì)比。e/m電子的發(fā)現(xiàn)陰極射線管實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了電子的荷質(zhì)比1833年，法拉弟電解定律實(shí)際上為電荷的不連續(xù)結(jié)構(gòu)提供了證據(jù)但其本人當(dāng)時(shí)卻并不認(rèn)同。法拉第電解定律

Faraday’sLawofElectrolysisFaraday'sLawofElectrolysis意義和地位物理學(xué)史上最重要的實(shí)驗(yàn)之一驗(yàn)證了電荷的量子性（不連續(xù)性）測(cè)量了基本電荷，準(zhǔn):e=1.591x10-19C此外，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技巧，結(jié)果準(zhǔn)確，具有啟發(fā)性科學(xué)史上最美的科學(xué)實(shí)驗(yàn)之一 Science’s10MostBeautifulExperiments[1]，rank3[1]GEORGEJOHNSON，September24,2002TheNewYorkTimes密立根

RobertAndrewsMillikan（1868-1953）

1891年他從奧伯林學(xué)院畢業(yè)后，自學(xué)獲碩士學(xué)位。1893年，密立根獲獎(jiǎng)學(xué)金到哥倫比亞大學(xué)，以熾熱表面發(fā)光的偏振性為題獲博士學(xué)位。1896年接受邁克耳遜邀請(qǐng)到芝加哥大學(xué)任教。1909年至1917年期間，測(cè)量微小油滴電荷的工作，即油滴實(shí)驗(yàn).1923年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根論實(shí)驗(yàn)…Sciencewalksforwardontwofeet,namelytheoryandexperiment…Sometimesitisonefootwhichisputforwardfirst,sometimestheother,butcontinuousprogressisonlymadebytheuseofboth-bytheorizingandthentesting,orbyfindingnewrelationsintheprocessofexperimentingandthenbringingthetheoreticalfootupandpushingitonbeyond,andsooninunendingalternations[1].科學(xué)靠兩只腳前行:理論和實(shí)驗(yàn)…有時(shí)一只腳先行，但只有采用兩只腳,科學(xué)才能得以持續(xù)進(jìn)步…

-[1]ROBERTA.MILLIKANNobelLecture,May23,1924協(xié)作In1907，HarveyFletcher,RobertMillikan‘syoungcollaborator[2]gottheideaofwatchingthemotionofasingle,charged,microscopicoildroplet…producedmicroscopicdropletswithan“atomizer“wonMillikantheNobelPrize[2]MassachusettsInstituteofTechnologyPhysicsDepartment.Millikan’sOilDropExperiment.Aug.2000密立根的團(tuán)隊(duì)Millikan’sGroup基本電荷測(cè)量-原實(shí)驗(yàn)室布局determineelementarycharge,e密立根油滴實(shí)驗(yàn)-儀器和論文FromMillikan’sfirstpaperReproducedinHolton,1978小觀察者李耀邦--密立根方法實(shí)驗(yàn)中國第一人李耀邦（1884-1940），廣東番禺人。中國第一個(gè)物理學(xué)博士學(xué)位獲得者，密立根的學(xué)生博士論文題目是《以密立根的方法利用固體球粒測(cè)定ｅ值》，研究的問題：以不同于使用液滴的方法，用固體球粒是否能得出ｅ值；對(duì)于固體球粒和液滴二者，斯托克斯定律的修正項(xiàng)是否相同采用的是蟲膠，磨細(xì)過濾蟲膠酒精溶液噴入油滴儀，酒精揮發(fā)后就得到蟲膠固體顆粒。三、實(shí)驗(yàn)原理密立根油滴儀示意圖巧水滴如何？油滴不易蒸發(fā)現(xiàn)象觀察

OBSERVATION…likeabrilliantstaronablackbackground[3]… 如夜空繁星[3]Science‘s10MostBeautifulExperimentsbyJerryBecker，.tw/如何測(cè)得基本電荷值？

HOWTO?第一步：測(cè)量油滴的電量q平衡法，本實(shí)驗(yàn)采用此法。動(dòng)態(tài)法第二步，求各油滴帶電量q的最大公約數(shù)。由于測(cè)量誤差，通常難求最大公約數(shù)。如果選擇的油滴數(shù)較少，建議采用驗(yàn)證的方法。我們采用講義提供的方法（先分組，求出最小差值或最小電荷值作為估計(jì)值，再用最小二乘法求斜率）。平衡法測(cè)量油滴電量

METHOD油滴靜止時(shí)，受力分析：電場力（Electrostaticforce）,qV/d,重力（Gravitationalforce）,mg,空氣浮力忽略(buoyantforce)簡化結(jié)果:如何確定m？V，d容易測(cè)量，m?平衡法測(cè)量油滴電量1、確定.未加電壓時(shí)，油滴加速下落，直至收尾速度Vg根據(jù)斯托克斯定律，Stokes‘law：半徑為r的球形物體,在靜止的均勻流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若物體運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)Re<1，則物體所受的粘滯阻力為上式。平衡法測(cè)量油滴電量（續(xù)）對(duì)于半徑小到接近空氣空隙的大小，對(duì)斯托克斯定律修正，上式變?yōu)樯鲜街?，由于a處于修正項(xiàng)中，不需要很精確，假定仍采用上張幻燈片的表達(dá)式計(jì)算的結(jié)果。b為常量8.22*10-3m.Pa.，p為大氣壓強(qiáng)平衡法測(cè)量油滴電量（續(xù)）2.油滴質(zhì)量3.測(cè)油滴速度。當(dāng)電壓為零，油滴勻速下降的距離為，下降時(shí)間為則4.油滴電量公式為，只要我們測(cè)出平衡電壓V，油滴勻速下降的時(shí)間和,即可求得q四、實(shí)驗(yàn)--任務(wù)和條件

EXPERIMENT測(cè)量參數(shù)（只有兩個(gè)）1、平衡電壓。讀取油滴靜止時(shí)的平衡電壓值。2、測(cè)量油滴勻速下降的時(shí)間和距離。其中距離我們約定采用為1.5mm，即屏幕上6格的距離。3、記錄室溫、濕度、氣壓。（通常實(shí)驗(yàn)室給出）實(shí)驗(yàn)條件油滴盒水平（為何？）電場方向與重力方向平行消除空氣對(duì)流影響。關(guān)閉進(jìn)油孔。實(shí)驗(yàn)儀器

APPARATUS實(shí)驗(yàn)儀器（續(xù)）照明系統(tǒng)上電極板下電極板實(shí)驗(yàn)儀器（續(xù)）注意噴油角度和用力，防止折斷玻璃噴嘴實(shí)驗(yàn)儀器（續(xù)）CCD攝像頭電極水平儀計(jì)時(shí)按鈕平衡電壓攝像頭聚焦調(diào)節(jié)進(jìn)油孔電極極性實(shí)驗(yàn)儀器（續(xù)）平衡電壓計(jì)時(shí)測(cè)量步驟

PROCEEDURES1、調(diào)節(jié)儀器水平。2、首先練習(xí)正確選擇和控制油滴，需要耐心和細(xì)致。合適的油滴：大?。褐睆皆?.5~1mm（監(jiān)視器）左右，撤電壓勻速下降6格的時(shí)間8~30s左右。電量：加提升電壓能上，調(diào)平衡電壓能靜止。一般平衡電壓在200-300之間。測(cè)量步驟(續(xù))觀察油滴是否平衡時(shí)，需要時(shí)間。調(diào)節(jié)平衡電壓時(shí)，需要細(xì)致熟能生巧（Practicemakesperfect.）3、用平衡法測(cè)量油滴勻速下降6格的時(shí)間。選擇10~20個(gè)油滴，每個(gè)油滴測(cè)量5次。注意事項(xiàng)使用噴霧器往油霧室噴油時(shí)，不要連續(xù)噴多次，一般噴一下即可。以防堵塞極板上的小孔。油滴選定之后，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉電極進(jìn)油孔，再開始正式測(cè)量。油滴的選取一定要大小合適，一般在直徑0.5mm-1mm左右（屏幕顯示）。為使平衡電壓測(cè)值準(zhǔn)確，應(yīng)適當(dāng)延長觀察平衡狀態(tài)的時(shí)間。在測(cè)量過程中，不斷校準(zhǔn)平衡電壓，每一次測(cè)量都要記錄平衡電壓值。若發(fā)現(xiàn)平衡電壓有明顯改變，則應(yīng)作為一顆新的油滴記錄其測(cè)量數(shù)據(jù)。五、分析

ANALYSIS隨機(jī)誤差（randomerrorsofmeasurement）多次測(cè)量（由于課堂時(shí)間的限制，我們通常難以進(jìn)行更多次的測(cè)量）系統(tǒng)誤差（systematicerror）電壓的測(cè)量精度，計(jì)時(shí)器的精度…六、結(jié)論和討論

CONCLUSIONANDDISCUSSIONS本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了（shows）油滴所帶電量是量子化的，基本電荷的測(cè)量值為(例)：e=（1.59±0.09）×10-19CMillkan以后的實(shí)驗(yàn)（Johnson‘sshotnoiseexperiment）與該實(shí)驗(yàn)的量級(jí)一致。至于基本電荷值是還是看起來(appears)是該值，至今仍舊是一個(gè)哲學(xué)問題，還沒有足夠的證據(jù)完全確定[4]。隨著粒子物理學(xué)的發(fā)展，的確發(fā)現(xiàn)了比基本電荷小的電荷(Quarks)，僅有基本電荷的1/3，但“通?！保∟ormal）情況下，總是以三個(gè)一組的情形出現(xiàn)[3]。因此，對(duì)于我們“普通”物理實(shí)驗(yàn)課程來說，實(shí)驗(yàn)中觀察到的值，就是基本電荷值。來源[4]/~muchomas/8.04/Lecs/lec_Millikan/node8.html七、思考題

FURTHERSTUDY描述另外一種與密立根方法不同的測(cè)量電子電荷的方法Describeanothercompletelyindependentmethodfordeterminingthevalueofthee