用密立根油滴仪测电子电量

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1、课题用密立根油滴仪测电子电量1．领会密立根油滴实验的设计思想；教学目的2．运用密立根油滴仪测定油滴的电量，并验证电荷的量子性；3．训练物理实验时应有的严谨态度与坚韧不拔的科学精神。重难点1．动态法和平衡法测定油滴所带电荷的原理；2．测量中如何选择合适的油滴。教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。学时3个学时一、前言著名的美国物理学家密立根(RobertA.Millikan)在1909年到1917年期间所做的测量微小油滴上所带电荷的工作，即油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。这一实验的设计思想简明巧妙，方法简单，而结论却具有不容置

2、疑的说服力，因此这一实验堪称物理实验的精华和典范。密立根在这一实验工作上花费了近10年的心血，从而取得了具有重大意义的结果，那就是(1)证明了电荷的不连续性(具有颗粒性)。(2)测量并得到了元电荷即为电子电荷，其值为e=1.60×10-19C。现公认e是元电荷，对其值的测量精度不断提高，目前给出最好的结果为e=(1.60217733±0.00000049)×10-19C正是由于这一实验的成就，他荣获了1923年诺贝尔物理学奖金。二、实验仪器密立根油滴仪（包括水平放置的平行板，水准，照明装置，显微镜，电源，计时器等），放射线装置，实验油，

3、等。三、实验原理密立根油滴实验测定电子电荷的基本设计思想是使带电油滴在测量范围内处于受力平衡的状态。按油滴作匀速运动或静止两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。（一）动态测量法考虑重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为r，质量为m１，空气是粘滞流体，故此运动油滴除重力和浮力外还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力与物体运动速度成正比。设油滴以匀速度υf下落，则有(1)此处m2为与油滴同体积的空气的质量，K为比例系数，g为重力加速度。油滴在空气及重力场中的受力情况如图1所示。若此油滴带电荷为q，并处在场

4、强为E的均匀电场中，设电场力qE方向与重力方向相反，如图2所示，如果油滴以匀速υr上升，则有(2)由式(1)和(2)消去K，可解出q为(3)由式(3)可以看出，要测量油滴上携带的电荷q，需要分别测出m1、m2、E、υf、υr等物理量。由喷雾器喷出的小油滴的半径r是微米数量级，直接测量其质量m1也是困难的，为此希望消去m1，而代之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为ρ1、ρ2，于是半径为r的油滴的视重为(4)图1重力场中油滴受力示意图图2电场中油滴受力示意图由斯托克斯定律，粘滞流体对球形运动物体的阻力与物体速度成正比，其比例系数K为6

5、πηr，此处η为粘度，r为物体半径。于是可将式(4)代入式(1)，有(5)因此(6)以此代入式(3)并整理得到(7)因此，如果测出υr、υf和η、ρ1、ρ2、E等宏观量即可得到q值。考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，其粘度η需作相应的修正此处p为空气压强，b为修正常数，b=0.00823N/m,因此，(8)当精确度要求不太高时，常采用近似计算方法先将υf值代入式(6)计算得(9)再将此r0值代入η′中，并以η＇代入式(7)，得(10)实验中常常固定油滴运动的距离，通过测量它通过此距离s所需的时间来求得其运动

6、速度，且电场强度E=U/d，d为平行板间的距离，U为所加的电压，因此，式(10)可写成(11)式中有些量和实验仪器以及条件有关，选定之后在实验过程中不变，如d、s、(ρ1-ρ2)及η等，将这些量与常数一起用C代表，可称为仪器常数，于是式(11)简化成(11＇)由此可知，量度油滴上的电荷，只体现在U、tf、tr的不同。对同一油滴，相同，U与tr的不同，标志着电荷的不同。（二）平衡测量法平衡测量法的出发点是，使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力qE、重力m1g和浮力m2g

7、达到平衡，从而静止在某一位置。即qE=(m1-m2)g油滴在重力场中作匀速运动时，情形同动态测量法。将式(4)、(9)和代入式(11)并注意到1/tr=0，则有(12)（三）基本电荷的测量方法测量油滴电荷的目的是找出电荷的最小单位e。为此可以对不同的油滴，分别测出其所带的电荷值qi，它们应近似为某一最小单位的整数倍，即油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷。实验中常采用紫外线、X射线或放射源等改变同一油滴所带的电荷，测量油滴上所带电荷的改变值△qi，而△qi，值应是元电荷的整数倍。即△qi=nie(其中ni为一

8、整数)(13)由此证实了电荷的量子性，并能测出电子的电量。四、实验内容与步骤（一）仪器介绍密立根油滴仪（包括油滴盒，水准[提问：若仪器不水平，将会产生什么影响]，油雾室，照明装置，显微镜，供电电源，计时器等