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1、实验3・7密立根油滴法测定电子电量R.A.Millikan花了七年功夫(1909-1917年)所做的测量微小油滴上所带电荷的工作，即著名的密立根油滴实验，是近代物理学发展中具有重要意义的实验。其原因：(1)证明了电荷的不连续性(即电荷的量子性)，所有电荷都是基本电荷幺的整倍数；⑵测量并得到了基本电荷即电子的电荷值。一、实验目的1.测量电子的电量e,验证电荷的量子性。图3.7-12.通过实验培养学生严谨的科学态度。二、原理用喷雾器将油滴喷入两块相距为d,水平放置的平行极板之间，如图3.7-1,油滴在喷射时由于摩擦，一般都是带电的
2、。设油滴的质量为m,所带的电量为q,两极板的电压为V,则油滴在平行极板间将同时受两个力的作用，V一个是重力nig,—个是电场力qE=q如果调节两极板间的电压人可使两力相互抵消d而达到平衡，这时mg=q=(3.7.1)a为了测出油滴所带的电量q，除了测量/和〃之外，还需要测定油滴的质量加。由于加很小，需要用如下的特殊方法来测定。平行板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，但空气粘滞性对油滴所产生的阻力与速度成正比，油滴下降达到某一速度卩后，阻力与重力平衡(空气浮力忽略不计)，油滴将匀速下降，由斯托克斯定律知fr=6兀ar/v=
3、mg(3.7.2)式中"是空气的粘滞系数，G是油滴的半径(由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状)。设油滴的密度为"油滴的质量加又可用下式表示4m=-^p(3.7.3)将式(3.7.3)代入(3.7.2),得油滴半径(3.7.4)对于半径小到10«米的小球，油滴半径接近于空气分子间孔隙的大小，空气介质不能再认为是均匀的，而斯氏定律只能对均匀介质才正确，因而斯托克斯定律应修正为式中b为一修正常数，『6兀ar/v人一、b1+—6=4.629xl0_9cmHg,P为大气压强，单位为Pa。得(3.7.5)上式根号中还包含油滴的半径g,但
4、因它是处于修正项中，不需耍十分精确，故它仍可用(3.7.4)式计算。将(3.7.5)式代入(3.7.3)式，得(3.7.6)对于油滴匀速下降的速度卩，可以用下法测出。当两极板间的电压炉0时，设油滴匀速下降的距离为/，时间为/，则/v=-(3.7.7)t将(3.7.7)式代入(3.7.6)式，(3.7.6)式代入(3.7.1)式，得(3.7.8)实验发现，对于同一个油滴，如果改变它所带的电量，则能够使油滴达到平衡的电压必须为某些特定的值％。研究这些电压变化规律，可以发现它们都满足下列方程d(i=ne=mg—~vn式'p/7=±1
5、,2,…，而€则是一个不变的值。8上船板上式就是本实验的理论公式。三、实验仪器与用具仪器主要由油滴盒,CCD电视显微镜,电路箱，监视器等组成。油滴盒如图3.7-2所示，由上下两块圆形的平行板组成，板边缘用绝缘的胶木圆坏隔开，间距为<7=6.00x10'3m,上极板屮心有直径为0.4mm的小孔，油滴经此孔进入油滴盒上下极板问。在油滴盒外套上有防风罩，罩1油雾杯2油雾七1开关3防风眾1卜4上电极5油滴査6下电檢■
6、—10油雾孔—9喷雾口7座架图3.7-2对于不同的油滴，可以发现有同样的规律，而且€是共同的常数，这就证明了电荷的不连
7、续性，并存在着最小的电荷单位，即电子的电荷值0。上放置一个可収下的油雾杯，杯底屮心有一个落油孔及一个挡片，用来开关落油孔。在胶木圆坏上开有显微观察孔、照明孔。°簇5指示灯在上电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板。实验时压簧始终压在上极板上，以确保上极板带电。电路箱体内装有产生高压、测量显示等电路。底部装有三只调平手轮，而板结构如图3.7-3所示。提_1^000Vi+Bl/停¥*由测量显示电路产生的电子分划板刻度，与CCD摄像头的行扫描严格同步，相当于刻度线是做在CCD器件上的，所以，即使监
8、视器本身有非线性失真，刻度值仍是固定不变的。分划板是8x3结构，垂直线视场为2mm分8格，每格值为0.25mm。7上电极I:•-K/8KI/9K2/lOK3/11W图3.7-3在面板上有两只控制平行极板电压的三档开关，K
9、控制上极板电压的极性，心控制极板上电压的大小。当忌处于中间位置即“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200-300V的提升电压，打向“0V”档时，极板上电压为0V。为了提高测量精度，心的“平衡”、“0V“档与计时器的“计时/停”联动。在&由“平衡”打向“0V”时，
10、油滴开始匀速下落的同时开始计时，油滴下落到预定距离时，迅速将K2由“0V”档打向“平衡”档，油滴停止下落的同时停止计时。这样，在屏幕上显示的是油滴实际的运动距离及对应的时间。由于空气阻力的存在，油滴是先经一变速运动然后进入匀速运动的。但这变速运动时间非常短，小于0.01秒，与
