电子电荷量子化的实验研究 近代物理实验 毕业论文.docx

电子电荷量子化的实验研究 -密立根油滴实验报告摘要：r.a.milikan于1909-1917年间对微小油滴所带的电荷量进行了不懈的测量，用大量的测量数据表明，电子的电量是不连续，或者叫做量子化的，所测得的基本电荷 e=1.6010-19c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。该实验采用了融合诸多物理和技术的内容的静态平衡法，在研究方法上有着独特的风采。关键字： 密立根 密立根油滴实验 静态平衡 电子 电荷 量子化1 引言r.a.milikan于1909-1917年间对微小油滴所带的电荷量进行了不懈的测量，用大量的测量数据表明，电子的电量是不连续，或者叫做量子化的，所测得的基本电荷 e=1.6010-19c2 实验原理测量油滴所带电荷量的方法是密立根提出来的，称之为：平衡测量法。（1） 让带点油滴处在竖直方向的电场中，调节两极板电压，令油滴在两极板间悬停，此时重力与电场力平衡mg=qvd式中q为油滴所带电量，m为油滴的质量， u为两极板间的电势差，d为两板间的距离。（2）在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气粘滞阻力平衡时，它便作匀速下降，它们之间的关系是： mg=f1 式中：mg油滴受的重力，f1空气的粘滞阻力. 由流体力学的斯托克斯定律可知：f1=6rv式中，是空气粘滞系数，r是油滴的半径，v是油滴匀速下落的速率。 当油滴是微米量级大小时，粘滞系数需要修正：=01+brp式中：0是宏观物体时的粘滞系数，b=8.2310-3m.pa, p使空气压强。结合质量与半径的关系：m=43r3式中：是油滴的密度。可以解出油滴的半径、电量等未知的量，其中半径的近似关系是：a=9v2g=9l2gtq=182lt1+bp2gt9l在以上两式中，油的密度kg/m3；重力加速度m/s2；空气的粘滞系数；油滴下降距离m；常数；大气压cmhg；平行极板距离m。则上式可以简化为：r=4.1410-6tm()nvttq102.011043.12314+=-根据以上两式，只要测出油滴下落两毫米所用的时间，测量出油滴在电场中不动的平衡电压，就可以计算出油滴的半径和电荷。3.实验过程（一） 仪器调节1将油滴照明灯接2.2v电源，平行极板接500v直流电源，电源插孔都在电源后盖上。2调节调平螺丝，使水准仪的气泡移到中央，这时平行极板处于水平位置，电场方向和重力平行。3将“均衡电压”开关置于“0”位置，“升降电压”开关也置于“0”位置。将油滴从喷雾室的喷口喷入，视场中将出现大量油滴，犹如夜空繁星。如果油滴太暗，可转动小照明灯，使油滴更明亮，微调显微镜，使油滴更清楚。（二）测量练习1练习控制油滴：当油滴喷入油雾室并观察到大量油滴时，在平行极板上加上平衡电压（约300v左右，“+”或“-”均可），驱走不需要的油滴，等待一至二分钟后，只剩下几颗油滴在慢慢移到，注意其中的一颗，微调显微镜，使油滴很清楚，仔细调节电压使这颗油滴平衡；然后去掉平衡电压，让它达到匀速下降（显微镜中看上去是在上升）时，再加上平衡电压使油滴停止运动；之后，再调节升降电压使油滴上升（显微镜中看上去是在下降）到原来的位置。如此反复练习，以熟练掌握控制油滴的方法。2练习选择油滴：要作好本实验，很重要的一点就是选择好被测量的油滴。油滴的体积既不能太大，也不能太小（太大时必须带的电荷很多才能达到平衡；太小时由于热扰动和布朗运动的影响，很难稳定），否则，难于准确测量。对于所选油滴，当取平衡电压为320v，匀速下降距离cm所用时间约为20s左右时，油滴大小和所带电量较适中，测量也较为准确。因此，需要反复试测练习，才能选择好待测油滴。3速度测试练习：任意选择几个下降速度不同的油滴，用秒表测出它们下降一段距离所需要的时间，掌握测量油滴速度的方法。（三） 正式测量进行本实验真正需要测量的量只有二个，一个是油滴的平衡电压，另一个是油滴匀速下降的速度即油滴匀速下降距离所需的时间。1测量平衡电压必须经过仔细的调节，应该将油滴悬于分化板上某条横线附近，以便准确地判断出这颗油滴是否平衡，应该仔细观察一分钟左右，如果油滴在此时间内在平衡位置附近漂移不大，才能认为油滴是真正平衡了。记下此时的平衡电压。2在测量油滴匀速下降一段距离所需的时间时，为保证油滴下降的速度均匀，应先让它下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离应该在平行极板之间的中间部分，占分划板中间四个分格为宜，此时的距离为cm，若太靠近上电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。太靠近下极板，测量完时间后，油滴容易丢失，不能反复测量。3由于有涨落，对于同一颗油滴，必须重复测量10次。同时，还应该选择不少于5颗不同的油滴进行测量。4通过计算求出基本电荷的值，验证电荷的不连续性。四实验数据处理及分析对现象进行观察，并记录数据如下表：编号平衡电压下落时间半径电量130137.80.673371.71784214439.60.657893.335853110360.695.07765426428.10.780993.12629523844.40.621311.6834623628.60.774143.401567188340.713.251648183190.949788.32345919250.50.582581.70031024213.81.1144510.35181111137.10.679695.098081219420.30.918876.780831310723.90.846849.944551419533.60.714223.194011514224.80.831336.771611611535.70.692894.921531723522.10.880655.118481824243.10.630611.7355519325380.67161.577762021146.90.604521.740492110421.80.8866911.815732238311.41.226166.79452319818.20.970438.226692420813.81.1144512.043922518925.60.818245.054982610736.10.689045.197182719520.40.916616.990652811518.60.9599413.692122923244.40.621311.726933030324.40.838123.399663123645.40.614431.638643236034.9