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1、实验29密立根油滴实验——电子电荷的测量日期:2010.04.21桌号:1号第一次实验时:室温:24.2℃,大气压:102.4KPa第二次实验时:室温:25.0℃,大气压:102.3KPa实验人:张宝夫(理工学院08光信息1班08323018)参加人:张介楠(理工学院08光信息1班08323016)【仪器设备】密立根油滴仪,应包括水平放置的平行极板(油滴盒),调平装置,照明装置,显微镜,电源,计时器(数字毫秒计),实验油,喷雾器等。【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,验证电荷的不连续性,并测定电子的电荷值e2.通过实验过程中;
2、对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等,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和构思图1图1密立根油滴仪【实验原理】用油滴法测量电子的电荷,可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法,也可以通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。测量方法分述如下。1.静态(平衡)测量法用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。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V,则油滴在平行极板间将同时受到重力mg
3、和静电力qE的作用,如图1所示。如果调节两极板间的电压V,可使两力达到平衡,这时VmgqEq(1)d从上式可见,为了测出油滴所带的电量q,除了需测定平衡电压V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v后,阻力f与gr重力mg平衡,(空气浮力忽略不计),油滴将匀速下降。根据斯托克斯定律,油滴匀速下降时:f6av(2)rg其中η是空气的粘滞系数,a是油滴的半径(由于表面张力的原因,油滴总是呈小球状)。设油滴密度为ρ,油滴的
4、质量m可以用下式表示43ma(3)3由式(2)和式(3)可得油滴的半径9vga(4)2g6对于半径小到10m的小球,空气的粘滞系数η应作如下修正b1pa6avg这时斯托克斯定律应改为:frb1pa6其中b为修正常数,b=6.17×10m/cmHg,p为大气压强,单位为厘米汞高(cmHg)。得:9v1ga(5)2gb1pa式(5)右边根号中还包含油滴的半径a,但因它处于修正项中,可以不十分精确,因此可用式(4)计算。将式(5)代入式(3),得32419vgm(6)32g1bpa
5、至于油滴匀速下降的速度v,可用下法测出:当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下g降的距离为l,时间为t,则glv(7)gtg将(7)式代入(6)式,(6)式代入(1)式,得3218ldq(8)2gt(1b)Vgpa上式是用平衡测量法测定油滴所带电量的理论公式。2.动态(非平衡)测量法平衡测量法是在静电力qE和重力mg达到平衡时导出式(8)进行实验测量的。非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V,但并不调节V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
6、v后,空气e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。这时:V6avqmg(9)ed当去掉平行极板上所加的电压V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v下降,这时:g6avmg(10)gdvvgeqmg()(11)Vvg实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等,设都为l。测出油滴匀速下降的时间为t,g匀速上升的时间为,则tellv;v(12)gettge将式(6)油滴的质量m和式(12)代入式(11)得3218ld1111q()()2(13)2g(1
7、b)Vttteggpa从实验所测得的结果,可以分析出q只能为某一数值的整数倍,由此可以得出油滴所带电子的总数n,从而得到一个电子的电荷值为e=qn(14)从上讨论可见:(1)用平衡法测量,原理简单、直观,且油滴有平衡不动的时候,实验操作的节奏可以进行得较慢,但需仔细调整平衡电压;用非平衡法测量,在原理和数据处理方面较平衡法要麻烦一些,且油滴没有静止不动的时候,实验操作略一疏忽,油滴容易丢失,但它不需要调整平衡电压。(2)比较式(8)和式(13),当调节电压V使油滴受力达到平衡时,油滴匀速上升的时间t→∞,两式相一致。可见平衡测量法是非平衡测量
8、法的一个特殊情况。e【实验内容】1.调整仪器将仪器放平稳,调节仪器底部左右两只调平螺丝,使水准泡指示水平,这
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