密立根油滴实验-2014

密立根油滴实验

Millikan Oil-Drop Experiment

【实验目的】

1. 了解密立根油滴仪的结构，掌握利用油滴测定电子电荷的设计思路和方法。 2. 了解CCD图像传感器的原理和电视显微测量方法。

3. 用平衡法和动态法(选做)测量电子电量的大小，验证电子电荷的量子化特性。

【预备问题】

1. 密立根利用油滴测定电子电荷的基本原理和设计思路是什么？

2. 什么是静态(平衡)测量法和动态(非平衡)测量法？两种方法有何不同与优缺点？测量中需注意哪些问题？

3. 为什么必须保证油滴在测量范围内做匀速运动或静止？怎样控制油滴运动？ 4. 使用油滴喷雾器应注意什么问题？若喷油后，在显示器看不到油滴如何处理？ 5. 如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？ 6. 用CCD成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？

【实验背景】

1897年，英国物理学家汤姆逊(Thomson, Joseph John)发现了电子，又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），并证实了这个比值是唯一的。因此，电子的电荷量的测量成为当时物理学家面临的重大课题。

1917年，美国物理学家密立根(Robert Andrews Millikan)历经9年苦心钻研，以卓越的研究方法和精湛的实验技术，设计了油滴实验，经过上千次测量，最早从实验上测得电子电荷的精确数值为e=1.60×10-19C；明确了电荷的量子化，具有不连续性。密立根油滴实验堪称物理学的经典实验，实验结果对近代物理学发展有重要意义，其实验思路和方法有着广泛应用，其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用。密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

【实验原理】

用油滴法测量电子的电荷e，可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法，也可以通过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。

本实验主要采用静态测量法，原理如下：

设质量为m带电量为q的油滴在两平行极板间运动，两极板间电压为U，极板间距为d。则油滴在极板间将同时受到重力和电场力的作用，如图1所示。如果调节两极板间的电压U，可使电场力和重力达到平衡，即

mg qe q

U

(1)

d

图1 静电场中的带电油滴(电压U，板间距d)

当两平行极板间不加电压时，油滴在重力作用下加速下降，同时也受空气阻力(黏滞阻力)作用，根据斯托克斯定律，黏滞阻力为fr 6 a vg，这里，a为油滴的半径，η为空气的黏滞系数，vg为油滴运动的速度。油滴的速度达到一定值后，黏滞阻力和重力会平衡，油滴进而做匀速直线运动，有

fr 6 a vg mg (2) 油滴的质量与半径的关系 m v

43

a (3) 3

(4)

由(2)和(3)式得 a

9 vg2 g

考虑到油滴的半径为10-6米量级，空气不能再看作连续介质，空气的黏滞系数应做如下修正

1

pb

(5)

这里，b为修正常数，b=6.17×10-6m.cmHg，p为大气压强，a为未修正过的油滴半径。而则修正后的油滴半径a为

a

9 vg

1

2 g1 pa

(6)

油滴匀速运动的距离l和速度vg之间的关系为 vg 由(1)、(2)、(6)、(7)式得，油滴的带电量q为

l

(7) tg

3/2

18 l

q

2pg t(1 ) g

pa

d

(8) U

式(8)即静态测量法的油滴带电量的表达式，要注意的是，因为油滴的半径a处于修正项中，可以不十分精确。因此，式(8)中油滴的半径a仍用(4)式计算。

【实验仪器】

MOD-5型系列密立根油滴仪：包括水平放置的平行极板(油滴盒)、调平装置、照明装置、电源、计时器、实验油、喷雾器、显微镜、监视器等。

【实验内容】

实验1. 仪器调整与熟悉，观察油滴运动，练习控制油滴。 实验2. 选择合适的油滴。

实验3. 平衡法测量电子电荷量的数值。

实验4. 动态法测量电子电荷量的数值（拓展选做）。

【实验步骤与要求】

实验1. 仪器调整与熟悉，观察油滴运动，练习控制油滴。

(1) 调整仪器底部的调平螺丝，使水准泡指示水平；

(2) 如果显微镜的分划板位置不正，则转动目镜头，直到分划板位置位置放正；调整接目镜，使分划板刻线清晰。

(3) 将油从油雾室旁的喷雾口喷入，微调显微镜的调焦手轮，使视场中出现大量清晰的油滴。

实验2. 选择合适的油滴。

将油滴仪的功能键置于“平衡”档，调节平衡电压至100~300V之间，观察能够静止的油滴，并且要满足油滴匀速下降1.5mm所用时间在8~20s之间。具体操作为，将油滴仪的

功能键置于“up”档，使油滴运动到显示屏的最高刻度线，然后油滴仪的功能键置于“down”档，使油滴运动到第二刻度线的时候开始计时，一直运动到最底端刻度线时计时停止。选择这段时间在8~20s的油滴。

实验3. 平衡法测量电子电荷量的数值。

选择满足上述条件的10颗油滴进行时间的测量，每个油滴重复测量5次。

注意：计时结束时，一定要迅速将油滴仪的功能键置于“平衡”档，否则油滴就会运动到下极板而观察不到，进而无法测量5次。

实验4. 动态法测量电子电荷量的数值（拓展选做）。 略。

【数据处理】

1. 计算每颗油滴的带电量q。 2. 计算n值。n 取整

q

e

3. 图示法作q-n曲线，求 e的测量数值和相对不确定度Ur 值也可用最小二乘法来求的。

【注意事项】

1. 喷雾器喷口方向不能朝下，否则会导致漏油。

e e0

100%。e的数e0

2. 注意针对选中油滴用显微镜调焦，呈现出清晰的亮点后再测量。

3. 个别情况下喷雾器产生的油滴数量过多且无法快速消散，严重妨碍了对油滴的选择和观察。这时要先通过风吹等方式消除过多的悬浮油滴。

4. 测量时要对油滴跟踪聚焦；计时结束时同时按下“balance”键，以防油滴丢失。 5. 通电时极板带电，请勿用手接触。 6. 做完实验后请擦拭掉自己仪器上的油渍。 7. 1~4号负责实验室清洁卫生。

【思考题】

1. 如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？如果上下极板不水平，对测量结果有什么影响？

答：调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平，使水平仪水平，这样平衡极板就水平了。

如果不水平，油滴横向漂移很厉害，影响实验结果。同时，电场力与重力不在同一方向，对于平衡电压的测量也有影响。

2. 对实验结果造成影响的主要因素有哪些？ 答：

1）要选择合适的油滴，这是最主要的，油滴不能太大，并且每次选的油滴带电量要求不一样。

2）人为因素，每次计时时的反应时间不一样，还有选择的平衡线有差别。 3）有视差。

4）在测每一个油滴下落时间时，在第四、五次时，油滴会挥发，时间会有差距；油滴挥发时，要移动显微镜，也会影响实验结果。

【拓展思考问题】 略。

【参考文献】

[1] Millikan R A. Coefficients of slip in gases and the law of refflection of mecules from the surfaces of solids and liquids. Physical Rev, 1923, 22:409

[2] 熊永红等. 大学物理实验(第一册). 科学出版社, 2007年8月. [3] …… 此处隐藏：1948字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……