【大学物理实验】密立根油滴实验讲义.pdf

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1、密立根油滴实验MillikanOil-DropExperiment【实验目的】1.了解密立根油滴仪的结构，掌握利用油滴测定电子电荷的设计思路和方法。2.了解CCD图像传感器的原理和电视显微测量方法。3.用平衡法和动态法(选做)测量电子电量的大小，验证电子电荷的量子化特性。4.感受和体验物理经典真滋味……【预备问题】1.密立根利用油滴测定电子电荷的基本原理和设计思路是什么？2.什么是静态(平衡)测量法和动态(非平衡)测量法？两种方法有何不同与优缺点？测量中需注意哪些问题？3.为什么必须保证油滴在测量范围内做匀速运动或静止？怎样控制油滴运动？4.使用油滴喷雾器应注意什么问题？若喷油后，在显示

2、器看不到油滴如何处理？5.如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？6.用CCD成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？【实验背景】1897年，英国物理学家汤姆逊(Thomson,JosephJohn)发现了电子，又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），并证实了这个比值是唯一的。因此，电子的电荷量的测量成为当时物理学家面临的重大课题。1917年，美国物理学家密立根(RobertAndrewsMillikan)历经9年苦心钻研，以卓越的研究方法和精湛的实验技术，设计了油滴实验，经过上千次测量，最早从实验上测得电子电-19荷的精确数值为e=1.60×10C；明确了电荷的

3、量子化，具有不连续性。密立根油滴实验堪称物理学的经典实验，实验结果对近代物理学发展有重要意义，其实验思路和方法有着广泛应用，其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用。密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。-19目前，测量电子电荷的最好结果为：e=(1.60217733±0.00000049)×10C。【实验原理】用油滴法测量电子的电荷e，可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法，也可以通1过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。本实验主要采用静态测量法，原理如下：设质量为m带电量为q的油滴在两平行极板间运动，两极板间电压为U，极板间距为d。则油滴

4、在极板间将同时受到重力和电场力的作用，如图1所示。如果调节两极板间的电压U，可使电场力和重力达到平衡，即UmgqEq(1)d图1静电场中的带电油滴(电压U，板间距d)当两平行极板间不加电压时，油滴在重力作用下加速下降，同时也受空气阻力(粘滞阻力)作用，根据斯托克斯定律，粘滞阻力为f6av，这里，a为油滴的半径，η为空气的粘rg滞系数，vg为油滴运动的速度。油滴的速度达到一定值后，粘滞阻力和重力会平衡，油滴进而做匀速直线运动，有f6avmg(2)rg43油滴的质量与半径的关系mva(3)39vg由(2)和(3)式得a(4)2g-6考虑到油滴的半径为10米量

5、级，空气不能再看作连续介质，空气的粘滞系数应做如下修正(5)b1pa-6这里，b为修正常数，b=6.17×10m·cmHg，p为大气压强，a为未修正过的油滴半径。而则修正后的油滴半径a为9vg1a(6)2gb1pa2油滴匀速运动的距离l和速度v之间的关系为glv(7)gtg由(1)、(2)、(6)、(7)式得，油滴的带电量q为3/218ldq(8)2pgt(1b)Ugpa式(8)即静态测量法的油滴带电量的表达式，要注意的是，因为油滴的半径a处于修正项中，可以不十分精确。因此，式(8)中油滴的半径a仍用(4)式计算。【实验仪器】P6701

6、型密立根油滴仪：包括水平放置的平行极板(油滴盒)、调平装置、照明装置、电源、计时器、实验油、喷雾器、显微镜、监视器等。【实验内容】实验1.仪器调整与熟悉，观察油滴运动，练习控制油滴。实验2.选择合适的油滴。实验3.平衡法测量电子电荷量的数值。实验4.动态法测量电子电荷量的数值（拓展选做）。【实验步骤与要求】实验1.仪器调整与熟悉，观察油滴运动，练习控制油滴。(1)调整仪器底部的调平螺丝，使水准泡指示水平；(2)如果显微镜的分划板位置不正，则转动目镜头，直到分划板的位置放正；调整接目镜，使分划板刻线清晰。(3)将油从油雾室旁的喷雾口喷入，微调显微镜的调焦手轮，使视场中出现大量清晰的油滴。实

7、验2.选择合适的油滴。将油滴仪的功能键置于“平衡”（即“BALANCE”）档，调节平衡电压至100~300V之间，观察能够静止的油滴，并且要满足油滴匀速下降1.5mm所用时间在8~30s之间。具体操作3为，将油滴仪的功能键置于“UP”档，使油滴运动到显示屏的最高刻度线，然后油滴仪的功能键置于“DOWN”档，使油滴运动到第二刻度线的时候开始计时，一直运动到最底端刻度线时计时停止。选择这段时间在8~30s的油滴。实验3.平衡法测量电子电