01 密立根油滴实验(2014)

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1、用密立根油滴实验测电子电荷1897年J.J.汤姆逊通过对阴极射线的研究，测量了电子的荷质比，从实验上发现了电子的存在。之后，不少科学家不断努力希望准确测量电子电荷值。杰出的美国物理学家密立根在1909年至1917年所做的测量微小油滴上带的电荷的工作，在全世界是享负盛名，堪称物理实验的典范。Millikan在这一实验工作中花费里近10年的心血，取得了有重大意义的结果，那就是：(1)证明电荷的不连续性(具有颗粒性)，所有电荷都是基本电荷e的整数倍。(2)测量并得到了基本电荷即为电子电荷，其值为e=1.60

2、×10-19库仑。现公认e是基本电荷，对其值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：e=(1.60217731±0.00000049)×10-19库仑。正是由于这一实验成就，他荣获了1923年诺贝尔物理学奖。八十多年过去了，物理学发生了根本的变化，而这个实验又重新站到了实验物理的前列。近年来，根据这一实验的设计思想改进的用磁漂浮的方法测量分数电荷的实验，使古老的实验又焕发青春，也就更说明，Millikan油滴实验是富有巨大生命力的实验。一、实验目的1．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，

3、验证电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e。2．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。二、实验原理1．静态（平衡）测量法用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带的电量为q，两极板间的电压为U，则油滴在平行极板之间同时受两个力的作用，一个是重力mg，一个是静电力。如果调节两极板之间的电压U8，可使两力相互抵消而达到平衡，如图1所示。图1带电油滴受力图这时：(1)为了测出油滴所带的

4、电量q，除了需测定平衡电压U和极板间距离d外，还需要测量油滴的质量m。因m很小，需用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度后，阻力与重力mg平衡，如图2所示（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。图2油滴受力图根据斯托克斯定律以及二力平衡，此时有：(2)其中是空气的粘滞系数，是r油滴的半径。由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状。设油滴的密度为ρ，油滴的质量m又可以用下式表示（3）由（2）式和（3）式得到油滴的半径（4）8斯托克斯定律是

5、以连续介质为前提的，对于半径小到10-6m的微小油滴，已不能将空气看作连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正(5)其中b是修正常数，p为大气压强。至于油滴匀速下降的速度，可用下法测出：当两极板间的电压U为零时，设油滴匀速下降的距离为，时间为t，则(6)最后得到理论公式：(7)上式就是用平衡法测定油滴所带电荷的计算公式。该式中还包含油滴的半径r，但因为它处于修正项中，不需要十分精确，故它仍可以用（4）式计算。其它已知参数：b=6.17×10-6m·cmHg,ρ=981kg/m3，g=9.80m/s2，η=

6、1.83×10-5kg/m•s，d=5mm。因此除平衡电压U及下落时间需测量，其余都为已知量。2．动态（非平衡）测量法非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压U，但并不调节U使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作用加速上升。由于空气阻力的作用，上升一段距离达到某一速度后，空气阻力、重力与静电力达到平衡（空气浮力忽略不计），油滴将匀速上升，如图3所示。图3油滴受力图8这时：（6）当去掉平行极板上所加的电压U后，油滴受重力作用而加速下降。当空气阻力和重力平衡时，油滴将以匀速下降，这时：（7）化简，

7、并把平衡法中油滴的质量代入，得理论公式：（8）三、实验仪器油滴实验装置是油滴盒，油滴照明装置，调平系统，测量显微镜，供电电源以及电子停表，喷雾器等组成的，其实验装置如图1所示。其中油滴盒是由两块经过精磨的金属平板，中间垫以胶木圆环，构成的平行板电容器。在上板中心处有落油孔，使微小油滴可以进入电容器中间的电场空间，胶木圆环上有进光孔，观察孔。进入电场空间内的油滴由照明装置照明，油滴盒可通过调平螺旋调整水平，用水准仪检查。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，并连接CCD。图1油滴实验装置图1—油雾室；2—油雾孔

8、开关；3—防风罩；4—上电极板；5—胶木圆环；6—下电极板；7—底板；8—上盖板；9—喷雾口；10—油雾孔；11—上电极板压簧；12—上电极板点源插孔；13—油滴盒基座8四、实验内容1．仪器调整打开仪器和显示开关，使其正常工作；调节仪器底座上的三只平衡手轮，将平行电极板调到水平；将显微镜筒前端和底座前端对齐，喷油后再前后微调；使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦1mm内为好。2．测量前的练习（1）喷雾练习：喷雾器是用来快速向油滴仪内喷油雾的，在喷射过