大学物理实验：密立根油滴

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1、密立根油滴实验浙江大学物理实验中心¿电磁学系列21910年美国物理学家罗伯特·密立根进行了一项世界著名的“油滴实验”，第一次测出了基本电荷的电量。密立根油滴实验的重要意义在于揭示了物质电结构的量子性，对人们认识组成物质的基本结构有决定性的作用。鉴于密立根对物理科学界的卓越贡献，于1923年获得了诺贝尔物理学奖一、实验目的1、测定油滴的带电量，并推算出电子电荷量e的大小。2、验证电荷的不连续性。二、实验原理1、油滴在静电场中匀速运动之情况如图1所示，油滴在静电场运动过程中，调节板间电压V，可使作用在油滴上的重力mg和静电力qE达到动

2、态平衡。因此可得：qEmgdv图1两平行板之间的带电油滴由公式可知，V、d、g都是已知量，要测q只需要得到质量m就可以有了。2、油滴在无电场之重力场中匀速运动之情况：平衡时：重力–浮力=粘滞阻力m很小，空气浮力忽略不计，因此重力=粘滞阻力重力：mg=(4/3)3g粘滞阻力：6v平行板不加电压时，油滴受重力而加速下降，但由于空气对油滴的粘滞阻力f与油滴的速度v成正比，油滴下降一段距离达到某一速度后阻力f与重力mg平衡，油滴将匀速下降。由斯托克斯定律知：f=6v=(4/3)3g两式得油滴半径的大小为：对于半径小

3、到10-6m的小球，空气的粘滞系数应作修正，此时的斯托克斯定律应修正为：式中b为修正常数，b=6.1710-6m·cmHg，p为大气压强，单位为cmHg。根据修正后的粘滞阻力公式，得油滴半径为：上式根号中还包含油滴的半径，由于它处在修正项中，故不需十分精确，因此用代入计算即可。油滴下落的速度可以在不带电场的情况下，测量匀速下落的距离L与时间t，用公式求出。3、油滴的质量为：4、综合诸多公式：该公式表示在诸多物理量都知道的情况下，只要测出带电场时，使油滴平衡的电压V及不带电场时，油滴匀速下落的时间t,就可以测出油滴的带电量。

4、实验发现，对同一个油滴，当改变其所带的电量时，其平衡电压必须是某些推定的值，研究这些电压的变化规律可以发现它们都满足以下方程式中的,而e是一个不变的值。三、实验仪器显示器油滴实验装置1、整体装置2、主要结构介绍1）油滴电离室示意图油滴电离室侧视图油滴电离室俯视图仪器结构俯视示意图2）油滴实验装置电压极性开关提升—平衡---0转换开关时间/开电压调节CCD聚焦调节3）各开关与调节旋纽4）TV显示器显示屏画面A、画面共显示8条横格，每条0.25mm，表示从最上条到最下条的间距是2mm。B、屏的右上角显示板极电压与下落的时间。四、实验内

5、容1、练习掌握正确的测量技术包括对密立根仪的平衡调节，选择适当的电压，适当大小的油滴和准确控制计时等。从喷雾口将油滴喷入，调节CCD聚集，就能清晰地显示油滴的图形电压调节电压指示加油密立根仪的使用演示2、多次测量同一油滴在一定电压情况下匀速降落的距离及其所用的时间:对不同的多颗油滴再进行相同的测量。验证不同油滴所带电量都是某一公约数（电子电荷）的倍数。油滴现象见图。操作演示五、数据处理根据前叙公式，由于考虑是匀速运动，式中的可写成：将有关数据代入公式由于油的密度，空气的粘滞系数都是温度的函数，重力加速度g和大气压p又随实验地

6、点和条件的变化而变化，因此，上式的计算是近似的，其引起的误差约1%。得：油的密度=981kg·m-3重力加速度g=9.80m·s-2油滴均匀下降距离l=2.0010-3m空气粘滞系数=1.8310-5kg·m-1·s-1平行极板距离d=5.0010-3m大气压强p=76.0cmHg数据处理的方法1:对实验测量的各实验数据求最大公约数例：求基本电荷从原则上说，对实验所测得的各个油滴的电荷值求最大公约数，即可求得基本电荷，看到电荷的不连续性。但由于实验有误差，求最大公约数有一定困难。故用“逐次相减法”求最大公约数。例如我们对

7、10个油滴测量所得电量如表中第二列所示(按电量大小排列)表中第三列是逐次相减的结果，并考虑到实验误差，可将基本电荷估计为，从而确定各个油滴的基本电荷数(如果取作基本电荷值，n的计算值将不会这样接近于整数，从而被否定了。)如果一次相减还看不出基电荷的范围，可再进行一次“逐次相减法”；若考有负值，则取其绝对值进行分析。于是电子电荷为：2:倒过来验证法最大公约数有时求起来比较困难，因此实验中常常采用“倒过来验证”的方法，即用公认的电荷值e0=1.60x10-19C除实验值q，得到一个数值就近靠入某一个整数来表示电荷的个数n，再用该n除实

8、验电荷量，就是电子的单位量e.例：用除各个即3:用作图法处理数据：公式纵坐标表示q横坐标表示n直线的斜率即enq0