1313-密立根油滴实验

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1、实验项目名称密立根油滴实验实验项目类型综合性实验时间2011年9月27日注意：本文档中预习报告只抄有灰色底纹部分的内容[实验目的]1.通过对带电油滴在重力场和静电场中得运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子电荷的电量值e.2.通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。3.学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。[实验原理]一个质量为m，带电量为q的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速

2、度为Vg，这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图1所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为式中是空气的粘滞系数，a是油滴的半径，这时有（1）当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为E的静电场中，设电场力qE与重力相反，如图2所示，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到平衡（空气浮力忽略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为Ve，则有：（2）又因为（3）由上述（1）、（2）（3）式可解出（4）为测定油滴所带电荷q，除应测V、d的速度Ve、Vg外，还需知油滴质量m，由于空气中悬浮和表面张力作用，可将油滴看作圆球，其质量为（

3、5）式中是油滴的密度。由（1）和（5）式，得油滴的半径（6）考虑到油滴非常小，空气已不能看成连续媒质，空气的粘滞系数应修正为（7）式中b为修正常数，p为空气压强，a为未经修正过的油滴半径，由于它在修正项中，不必计算得很精确，由（6）式计算就够了。实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为，测出油滴匀速下降的时间tg，匀速上升的时间te，则（8）将（5）、（6）、（7）、（8）式代入（4），可得令得（9）此式是动态（非平衡）法测油滴电荷的公式。下面导出静态（平衡）法测油滴电荷的公式。调节平行极板间的电压，使油滴不动，Ve=0，即，由（9）式可得或者（10）上式即为静态法

4、测油滴电荷的公式。为了求电子电荷e，对实验测得的各个电荷q求最大公约数，就是基本电荷e的值，也就是电子电荷e，也可以测得同一油滴所带电荷的改变量（可以用紫外线或放射源照射油滴，使它所带电荷改变），这时应近似为某一最小单位的整数倍，此最小单位即为基本电荷e。[实验仪器]仪器主要由油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱、监视器等组成。油滴盒是个重要部件，加工要求很高，其结构见图3。从图3上可以看到，上下电极形状与同一般油滴仪不同。取消了造成积累误差的“定位台阶”，直接用精加工的平板垫在胶木园环上，这样，极板间的不平行度、极板间的间距误差都可以控制在0.01mm以下，在上电极板中心有一

5、个0.4mm的油雾落入孔，在胶木园环上开有显微镜观察孔和照明孔。在油滴盒外套上有防风罩，罩上放置一个可取下的油雾杯，杯底中心有一个落油孔及一个档片，用来开关落油孔。在电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，注意，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板！这一点也与一般油滴仪采用直接抽出上极板的方式不同，为的是保证压簧与电极始终接触良好。照明灯安装在照明座中间位置，在照明光源和照明光路设计上也与一般油滴仪不同，传统油滴仪的照明光路与显微光路间的夹角为1200，现根据散射理论，将此夹角增大为1500～1600，油滴像特别明亮。一般油滴仪的照明灯为聚光钨丝灯，很易烧坏，MOD-5C油滴

6、仪采用了带聚光的半导体发光器件，使用寿命极长，为半永久性。MOD-5C电视显微镜的光学系统是专门设计的、体积小巧，成像质量好。由于MOD-5C摄像头与显微镜是整体设计，无须另加连接圈就可方便地装上拆下，使用可靠、稳定、不易损坏MOD-5C器件。图3电路箱体内装有高压产生、测量显示等电路。底部装有三只调平手轮，面板结构见图4。由测量显示电路产生的电子分划板刻度，与MOD-5C摄像头的行扫描严格同步，相当于刻度线是做在MOD-5C器件上的，所以，尽管监视器有大小，或监视器本身有非线性失真，但刻度值是不会变的。MOD-5C油滴仪备有两种分划板，标准分划板A是8×3结构，垂直线视场

7、为2mm，分别八格，每格值为0.25mm。为观察油滴的布朗运动，设计了另一种X、Y方向各为15小格的分划板B。用随机配备的标准显微物镜时，每格为0.08mm；换上高倍显微物镜后（选购件），每格直为0.04mm，此时，观察效果明显，油滴运动轨迹可以满格。进入或退出分划板B的方法是，按住“计时/停”按扭大于5秒即可切换分划板。在面板上有两只控制平行极板电压的三档开关，K1控制上极板电压的极性，K2控制极板上电压的大小。当K2处于中间位置即“平衡”档时，可用电位器调节平衡电压。打向“提升”档时，自动在平衡电压的基础上增加