密立根油滴實(shí)驗(yàn)報(bào)告

密立根油滴實(shí)驗(yàn)摘要：本文闡述了在密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，測量帶電油滴的電荷數(shù)從而驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測定電荷的電荷值e的方法。本文使用靜態(tài)測量法和動(dòng)態(tài)測量法兩種方法,利用密立根油滴儀測量帶電油滴下落時(shí)間，列出統(tǒng)計(jì)表格，由此計(jì)算出電荷的電荷值e，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。關(guān)鍵詞：帶電油滴靜態(tài)測量法動(dòng)態(tài)測量法引言自電子的荷質(zhì)比的確定初步判定電子的存在以來，科學(xué)界便開始對電子電荷進(jìn)行測定[1]。其中由美國物理學(xué)家密立根(R.A.Millikan)設(shè)計(jì)完成的密立根油滴實(shí)驗(yàn)，在近代物理學(xué)的發(fā)展史上是一個(gè)十分重要的實(shí)驗(yàn),它不但有深刻的哲學(xué)意義[2]，還證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷——基本電荷的整數(shù)倍；明確了電荷的不連續(xù)性；并精確地測定了基本電荷的數(shù)值，為從實(shí)驗(yàn)上測定其它一些基本物理量提供了可能性。密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，原理清楚，設(shè)備簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，所以它歷來是一個(gè)著名而有啟發(fā)性的物理實(shí)驗(yàn)。通過學(xué)習(xí)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)技巧，可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退刭|(zhì)。實(shí)驗(yàn)方案本實(shí)驗(yàn)使用OM99CCD微機(jī)密立根油滴儀,其為用于驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性及測量基本電荷電量的物理實(shí)驗(yàn)儀器，也是學(xué)習(xí)了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用、學(xué)習(xí)電視顯微測量方法的實(shí)驗(yàn)儀器。儀器主要由油滴盒、CCD電視顯微鏡、電路箱、監(jiān)視器等組成。油滴盒是重要部件，加工要求很高，其結(jié)構(gòu)見圖1：88．上蓋板9．噴霧口10．油霧孔11．上電極壓簧12．油滴盒基座1．油霧杯2．油霧孔開關(guān)3．防風(fēng)罩4．上電極5．油滴盒6．下電極7．座架圖1試驗(yàn)儀面板結(jié)構(gòu)如圖2所示：11．電源線2．指示燈3．調(diào)平水泡4．電源開關(guān)5．視頻電纜6．顯微鏡-0V計(jì)時(shí)/停平衡電壓+提升平衡7．上電極壓簧8．K19．K210．聯(lián)動(dòng)11．K312．W圖2聯(lián)動(dòng)具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:練習(xí)測量選擇一顆合適的油滴，大而亮的油滴必然質(zhì)量大，所帶電荷也多，而勻速下降時(shí)間則很短，增大了測量誤差和給數(shù)據(jù)處理帶來困難[3]。通常選擇平衡電壓為(200~300)V，勻速下落1.50mm（6格）的時(shí)間在(8~20)s左右的油滴較適宜。噴油后，K2置“平衡”檔，調(diào)“平衡電壓”電位器W使極板電壓為(200~300)V，注意幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)、較為清晰明亮的油滴。試將K2置“0判斷油滴是否平衡要有足夠的耐性。用K2將油滴移至某條刻度線上，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，這樣反復(fù)操作幾次，經(jīng)一段時(shí)間觀察，油滴確實(shí)不再移動(dòng)才認(rèn)為是平衡了。測準(zhǔn)油滴上升或下降某段距離所需的時(shí)間，一是要統(tǒng)一油滴到達(dá)刻度線什么位置才認(rèn)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)幾次，使測出的各次時(shí)間的離散性較小，并且對油滴的控制比較熟練。表2非平衡法測量油滴編號測量序次1ttkq111.1011.482.99×103.97×10211.3311.432.98×103.90×10311.2911.772.98×103.85×10411.1711.452.99×103.95×10511.1811.412.99×103.95×10611.0911.602.99×103.96×10711.1711.482.99×103.95×10811.1911.512.99×103.93×10q的平均值q3.93×10油滴編號測量序次2ttkq122.5114.612.86×101.70×10222.5514.192.86×101.73×10322.9214.252.86×101.70×10422.8613.842.86×101.73×10523.0914.332.85×101.68×10623.1014.502.85×101.67×10723.4814.622.85×101.63×10823.4014.402.85×101.65×10q的平均值q1.69×10油滴編號測量序次3ttkq113.5611.622.95×103.21×10213.2612.042.96×103.22×10313.0611.712.96×103.32×10413.2511.742.96×103.26×10513.2312.182.96×103.21×10613.3311.862.96×103.23×10713.1611.952.96×103.26×10813.3312.002.96×103.21×10q的平均值q3.24×10將數(shù)據(jù)帶入由以下公式求得油滴的電荷量q如表2所示：q=k式中k=驗(yàn)證基本電荷數(shù)：1.“倒過來驗(yàn)證”法[4]對油滴的電荷量q進(jìn)行處理，即用公認(rèn)的電子電荷值e0=1.602×10-19C去除實(shí)驗(yàn)測得的電荷量q，得到一個(gè)接近于某一整數(shù)的數(shù)值，即該油滴所帶的基本電荷數(shù)目n，再用n去除實(shí)驗(yàn)測得的電量，即得電子的電荷值e，表3和表4分別為平衡法和非平衡表3油滴編號123電荷數(shù)73632e/C1.58×101.58×101.58×10油滴45電荷數(shù)2825e/C1.60×101.57×10表4油滴編號123電荷數(shù)251120e/C1.57×101.59×101.62×10由表3和表4可求得平衡法中平均值e1=1.584×10計(jì)算得：平衡法下測量誤差?e1=同理非平衡法下測量誤差?e2=2.作圖法驗(yàn)證以油滴電量q與所帶電子數(shù)n為坐標(biāo)軸，建立坐標(biāo)得：對數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，可得直線斜率為k=1.588×10-19，即基本電荷數(shù)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析本實(shí)驗(yàn)中油滴密度ρ、空氣粘滯系數(shù)η隨溫度變化，重力加速度g和大氣壓強(qiáng)p又隨實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)變化，從而導(dǎo)致計(jì)算有一定誤差。本實(shí)驗(yàn)使用的“倒過來驗(yàn)證”法只能作為一種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅在油滴帶電量較少時(shí)可以使用。當(dāng)n值較大時(shí)，勻速下降的時(shí)間很短，帶來誤差的0.5個(gè)電子的電荷在分配給電子時(shí)，誤差必然很小，測得e值接近1.60×10-19C，在實(shí)驗(yàn)前要對儀器進(jìn)行水平調(diào)平，否則會導(dǎo)致測量時(shí)油滴無法在垂直方向做直線運(yùn)動(dòng)。再加上布朗運(yùn)動(dòng)，測量時(shí)判斷油滴運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束的時(shí)間誤差，都會影響最終的計(jì)算結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中油滴雖然是先經(jīng)一段變速運(yùn)動(dòng)然后進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)的，但這變速運(yùn)動(dòng)時(shí)間非常短，遠(yuǎn)小于0.01s，與計(jì)時(shí)器精度相當(dāng)。因此可以看作，當(dāng)油滴自靜止開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，油滴是立即作勻速運(yùn)動(dòng)的；運(yùn)動(dòng)的油滴突然加上原平衡電壓時(shí)，將立即靜止下來[5]。結(jié)論本實(shí)驗(yàn)使用靜態(tài)測量法和動(dòng)態(tài)測量法兩種方法,利用密立根油滴儀測量帶電油滴下落時(shí)間，列出統(tǒng)計(jì)表格，由此計(jì)算出電荷的電荷值e。由平衡法測得電子電荷值為e1=1.584×10-19C，相對誤差為δ1==1.02%；由非平衡法測得電子電荷值為e2=1.575×10-19C，相對誤差為δ2=1.57%參考文獻(xiàn):[1]ThomsonJJ.XL.CathodeRays[J].TheLondon,Edinburgh,andDublinPhilosophicalMagazineandJournalofScience,1897,44(269).[2]王延鋒.密立根油滴實(shí)驗(yàn)歷史評價(jià)中的哲學(xué)背景分析[J].自然辯證法通訊.2