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1、广东技术师范学院学报2006年第6期JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo.6,2006密立根油滴实验的误差分析12梁明月王笑君(华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510006)摘要:针对测定电子的电荷量的密立根油滴实验,分析该实验误差产生的原因,根据误差传递和随机误差的统计分析理论给出总的随机误差。在数据处理过程中应用肖维勒准则推导出异常数值的判断和剔除的方法。关键词:密立根油滴实验;误差产生原因;误差传递;异常值剔除;肖维勒准则中图分类号:O562文献标识码:A文章编号
2、:1672-402X(2006)06-0084-03电在科学技术上的广泛应用以及物质的电结构理强度。如果调节两极板间的电压U,可使两力互相抵消论的发展,促使人们要求对电的本质作更深入的研而达到平衡,即它们之间的关系为:究。美国杰出的物理学家密立根经历7年的时间,用油Umg=QE=Q(1)d滴法直接证实了/电0的不连续性,并用实验方法直接可见测出了U,d,m,即可知测量了电子的电荷量,从而揭示了电荷的量子本性。这道油滴的带电量Q。由于油滴的质就是著名的密立根油滴实验,它是近代物理学发展中-15量很小(约10kg),因此,必须采具有重要意
3、义的实验。本文结合该实验的原理和实验用特殊方法测定。的操作过程,分析这个实验误差产生原因,推导由于误平行板间未加电压时,油滴受差传递引起的总的实验误差的计算。最后,在数据处理重力和空气的粘滞阻力,油滴走一时,根据实验测得到的各个电量q,应用肖维勒准则判小段达到某一速度vg后,粘滞阻力断和剔除异常数值,再作图线性拟和,即可由斜率求出与重力平衡,如图2,基本电荷e的值。由斯托克斯定律及对其修正,1实验原理和实验过程推导得到油滴质量为3[2]1.1基本原理4PQ9Gvg2m=(2)3b测定电2Qg(1+)pa子的电量,本l实验采用平vg=t
4、(3)衡测量方式中,Q为油滴密度,G是空气的粘度,a是油滴的法。用喷雾器-3半径,b为一修正常数,b=8.22@10m#Pa,p为大气将油滴喷入压强,l为油滴在两极板未加电压时匀速下降的距离,两块相距为d时间为t。的水平放置的平行极板之间,如图1所示。由(1)、(2)、(3)式得油滴在喷射时由于摩擦,一般都是带电的。设油滴318PGl2d的质量为m,所带电量为Q,两极板间所加的电压为U,Q=bU32Qgt(1+)则油滴在平行极板间将同时受到两个力的作用。一个pa是重力mg,一个是电场力QE。E为两平行板间的电场实验中可发现,对于同一油
5、滴,如果我们改变它所收稿日期:2006-10-21作者简介:梁明月,女,(1978~),广东阳江人,华南师范大学2006级物理与电信工程学院研究生,研究方向为课程与教学论。第5期梁明月王笑君:密立根油滴实验的误差分析#85#带的电量,则能够使油滴达到平衡的电压U,必须是某系统误差引起的部分,主要就是由测量人员的主观素些特定的值Un,这表示与它相对应的电量Q是不连续质引起的偶然误差形成的。的,即选择合适的油滴很重要,油滴的体积太大,大的油Qn=ne=mgd/Un(n=?1,?2,,)滴虽然容易观察,但质量大,必须带很多电荷才能取得e是一
6、个不变的值。平衡,而且下落时间短,结果不易测准。油滴的体积过对于不同的油滴,可以发现有同样的规律,e是小,容易产生漂移,也会增大测量误差。选择那些质量Q1,Q2,,,Qn的最大公约数,这就证明了电荷的不连续适中而带电量不太多的油滴才是可取的,可根据平衡性,并存在着最小的电荷单位,即电子的电荷量e。电压的大小(约200V)和油滴匀速下降的时间(约15~[3]1.2实验过程35s)来判断油滴的大小和带电量的多少。本实验的实验仪器有密立根油滴实验仪、CCD监测量平衡电压必须经过仔细的调节,而且应该将视器。实验时实际上要测量的只有两个物理量,
7、一个是油滴悬于分格板上某条横刻度线附近,以便准确判断平衡电压Un,另一个是油滴匀速下降一段时间l所需出油滴是否静止。在每次测量时都要仔细调节/平衡0要的时间t。对已调平衡的油滴,将油滴移到/起跑0线电压,以减小测量的随机误差和因油滴挥发、质量减少上,即将油滴移到某条刻度线上,仔细调节/平衡0电使平衡电压发生变化。压,使油滴受力平衡,静止不动。按/计时/停"按钮,让在测量油滴匀速下降距离L所需的时间t时,选计时器停止,使面板控制两极板电压的开关置为/00,定测量的这段距离的位置也会影响测量的误差大小。油滴开始匀速下降,同时时间开始计时,
8、到达终点踏线若L的距离太靠近上极板,极板上的小孔有气流,电场时,调节面板开关拨向/平衡0位置,使油滴立即静止,变得不均匀,影响测量结果;如果太靠近下极板,测量计时停止。完时间t,油滴容易丢失,影响重复测量。为保证油滴匀速
