密立根油滴实验.pdf

实验实验6 21 密立根油滴实验密立根油滴实验 实验目的 实验原理 实验数据 实验步骤 已知参数 实验仪器 思考题 密立根简介 注意事项 数据处理 密立根简介 密立根 Robert Andrews Millikan 是 著名的实验物理学家 1913年 他以闻名的 油滴实验证实电子的存在 并测定了电子的 电荷值 电子的普遍存在从此得到令人信服 的证明 由于密立根在测量电子电荷量等方 面的杰出成就而荣获1923年诺贝尔物理学奖 密立根的实验设备简单而有效 构思巧 妙并且方法简洁 测得数据精确且结果稳定 是一个著名的有启发性的实验 被誉为物 理实验的典范 一 实验目的实验目的 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 加深对电荷量子化 理解 2 通过对实验仪器的调整 油滴的选择 跟踪和 测量 了解仪器的组成和工作原理 3 学习密立根油滴实验的设计思想 实验数据处 理方法 培养学生严谨的科学实验态度 二 实验仪器二 实验仪器 OM 99型密立根油滴仪 CCD摄像头及监视器 专用喷雾器 密立根油滴仪包括油滴盒 油滴照明装置 调平 系统 测量显微镜 供电电源以及电子停表 喷雾器 等部分组成 实验仪器 1 密立根油滴仪 极性极性 选择电极间电场方向 可 选 或 实验时保持不变 平衡平衡 通常置于中间 平衡 扳 向身边 0伏 开始计时 回到 中间计时结束 推向前面 提升 可使油滴向上运动 联动联动 扳向身边 保持计时器与 平衡开关联动状态 计时停计时停 当不需要计时而正在计 时 可按此按钮使计时器停止 无需清零 平衡电压平衡电压 调节此旋钮可改变电 极之间的电压 2 电视显示器 显示器屏幕上的线 条是油滴仪中电极之间 的空间坐标 不同水平 线即为电极之间不同高 度位置 每两条水平线 之间的空间距离为 0 25mm 屏幕右上角分 别为测量电极之间电压 的电压表和记录油滴下 落时间的计时器 3 喷雾器及钟油 喷雾器使用时油滴出口处 对准油雾室边上的孔 用力用力挤 压喷雾器的橡皮气囊 通常喷 射三至四下即可找到合适的油 滴 使用时喷口要向上 4 喷雾器及喷雾器杯子 喷雾器使用时或闲置时必 须保持油滴出口处始终朝上 不得横在桌上或倒置在杯中 以防止油直接流出来 使用过 程中要轻拿轻放 避免碰碎喷 雾器 喷油雾时保持喷口冲上 避免 将油直接喷出 三 实验原理三 实验原理 油滴在平行极板之间同时 受两个力的作用 一个是重力 mg 一个是静电力 如果调节两极板之间的电 压V 可使两力相互抵消而到 平衡 如图1所示 图1 油滴在两平行极板之间静止 1 静态测量法 d v q E mg qE qV d 设油滴的质量为m 所带电量 为q 两极板之间的电 压V 用油滴法测量电子的电荷有两种方法 即静态测量法和动态测量法 分述如下 平行极板未加电压时 油滴受重力作用而下降 但是由 于空气的粘滞阻力与油滴的速度成正比 油滴下落一小段距 离达到某一速度后 阻力与重力平衡 空气浮力忽略不 计 油滴将匀速下降 由斯托克斯定律可知 2 g v 6mgr v 为了测出油滴所带的电量q 除了需测定V 和d 外 还 需测量油滴的质量m 因m很小 需要用如下特殊的方法测定 这时 mg q V d 1 式中 是空气的粘滞系数 r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m又可以用下式表示 3 4 3 mr 3 由 2 式和 3 式得到油滴的半径 9 2 g v r g 4 式中b为一修正常数 b 6 17 10 m cmHg p为 大 气压强 单位为cmHg 用代替 4 式中的 得 5 6 1 b p r 9 1 2 1 g v r b g p r 空气的粘滞系数应作如下修正 斯托克斯定律适用于连续介质中 球状物体所受的粘滞力 由于油 滴甚小 其直径可和空气分子的 平均自由程相比拟 所以不能再 将空气看成是连续介质 油滴所 受粘滞力必将减小 粘滞系数应 予以修正 上式根号中还包含油滴的半径r 但因为它处于修正项 中 不需要十分精确 故它仍可以用 4 式计算 将 5 代入 3 式 得 g g g l v t l g v 3 2 9 41 32 1 g v m b g pr 对于匀速下降的速度 可用下法测出 当两极板间 的电压V 0时 设 油滴匀速下降的距离为 时间为t 则 6 7 将 7 式代入 6 式 6 式代入 1 式 得 8 3 2 1 8 2 1 g ld q vbg t p r 上式就是用静态法测定油滴所带电荷的计算公式 实验发现 对于同一颗油滴 如果我们改变它所带的电 量 则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定的值 实验发现 对于同一颗油滴 如果我们改变它所带的电 量 则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定的值Un 这就表示与它相对应的电量是不连续的 而 这就表示与它相对应的电量是不连续的 而e 则是一个不变 的值 则是一个不变 的值 2 动态测量法 参考教材 实验步骤 1 调节仪器底部螺丝 让油滴盒处于水平状态 2 清理油滴盒油雾杯 喷雾器注油2 3mm 3 用喷雾器向油雾室喷油 转动显微镜的调焦手轮 使屏幕上出现清晰的油滴图象 4 将仪器面板右侧的 控制 开关置于 平衡 档 调节极 板间的平衡电压200伏左右 使屏幕上保留少数的清晰油 滴 再选择一个大小合适的油滴 下落时间在6 50秒左右 5 通过调节平衡电压的大小让油滴处于静止不动的平 衡状态 记录此时屏幕上显示的电压 此电压就是油滴的平 衡电压 6 用 提升 档将油滴提到第二格起跑线上 开始运动同 时计时 当油滴运动到第七格时停止运动同时结束计时 记 录油滴运动六格所需的时间 7 再将油滴提到第二格起跑线上重复测量4次匀速下降 的时间与平衡电压 8 再选第二个油滴重复上面的过程 四 实验准备实验准备 1 1 调节调平螺丝 使水准仪气泡处在中心位 置 以保证电场力方向与重力方向平行 否 则 油滴几经上下就会离开显微镜视场 无 法继续测量 1 调节仪器 2 2 在喷雾器中注入油数滴 将油从喷雾口喷 入 调节测量显微镜的调焦手轮 随即可以 从显微镜中看到大量清晰的油滴 l 1 1 练习控制油滴 平衡电压 开关和 升降电压 开关均 拨到中间 0 位置 旋转平衡电压旋钮将平衡电压调至 200 300V 将油滴喷入 在视场中看到油滴后 将 平衡电 压 开关拨向 或 位置 把事先调好的电压加 到平行极板上 多数油滴立即以各种不同的速度向上或向下 动而消失 当视场中剩下几个因加电压而运动缓慢的油滴 时 从中选择一个 仔细调节平衡电压的大小 使它不动 接着利用升降电压使它上升 然后去掉极板电压再让它下降 如此反复升降 直到能熟练控制油滴的运动 若发现油滴逐 渐变得模糊 需微调显微镜跟踪油滴 使油滴保持清晰 2 2 测量练习 2 2 练习选择油滴 选择一个大小合适 带电量适中的油滴 是做好本实验的关键 选的油滴不能太大 太大的油滴虽 然比较亮 但是一般带电荷比较多 下降速度也比较快 时间不容易测准确 油滴也不能选得太小 油滴太小受布 朗运动或气流的影响太大 时间也不容易测准确 通常可 以选择平衡电压在70V以上 匀速下降2mm 8格 所用时间 为7 30秒的油滴 其大小和带电量都比较合适 3 3 练习测量 利用平衡电压及升降电压把选中的油滴调到接 近上极板 去掉电压 待油滴下降速度稳定后 并通过 一刻线时开始计时 记录下降四格所用的时间 反复几 次 熟练掌握测量时间的方法 1 1 静态法 由 8 式可知 用静态法实验时要测量三个量 即平衡电压V 油滴匀速下降一段距离所用的时间tg 测量平衡电压必须经过仔细的调节 并将油滴置于分划 板上某条横线附近 以便正确判断出这个油滴是否平衡了 测量时间tg时 为保证油滴匀速下降 应先让它下降1格 再开始计时 选定测量的一段距离 应该在平行极板的中 央部分 即视场中分划板的中央部分 若太靠近上极板 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 影响重复测量 一般 取 1 50mm比较合适 3 3 正式测量 l 因为t 有较大涨落 对同一个油滴应进行4次测量 然 后取 它们的平均值 另外 要选择不同的油滴 不少于2个 进行反复测量 实验内容 1 寻找合适油滴 调节平衡电压初始 值为200伏左右 平衡 开关置于中间 打开油雾室开关 使油雾室中心向下通道 畅通 将喷雾器对准油雾 室边上的孔喷射油滴 连喷1到2次 调节显微 镜手轮 在屏幕上找到 适当明亮并移动缓慢的 油滴 平衡电压初测平衡电压初测 调节平衡电压使油滴保 持基本静止 观察平衡电压值 该电压应 在100V 300V之间 下落时间初测下落时间初测 计时器应处于停止状 态 继续调节电压使油滴移到坐标上面的 第二条水平线上 起跑线 将平衡开关从 中间扳向身边 此时极板上电压为零 计 时器开始计时 油滴即以匀速 经极短暂的 加速过程 向下运动 油滴运动至坐标下面 倒数第二条水平线上 终点线 时将平衡开 关回到中间 电压恢复运动前的平衡电压 油滴停止运动 计时器停止计时 此时 计时器的记录值应在4 15秒之间 如记录到的平衡电压和下落时间超出 规定范围 则放弃该油滴 重新寻找新的 油滴进行测量 实验内容 2 初步测量 实验内容 3 正式测量 找到合适油滴后关闭油雾室开关 以免外部气流影响被 测油滴的运动 平衡电压测量 平衡电压测量 首先调节平衡电压 使油滴保持静止 观察一段时间油滴不再上下移动 记录此时电压即为平衡电 压 下落时间测量下落时间测量 按照前页介绍方法 测出油滴从起跑线 移动到终点线 6格 1 5mm 所用时间 即下落时间 将平衡开关推向 提升 档 油滴向上运动 到达上面 时平衡开关回到 平衡 档 油滴停止移动 重新测量平衡 电压 调节平衡电压旋钮使油滴移到起跑线上 再次测量下 落时间 对每颗油滴反复测量4次 并测量2颗不同油滴 五五 实验数据记录实验数据记录 其中q是油滴的带电量 n是油滴带电量子数量 第一颗油滴第二颗油滴第三颗油滴 平衡电压 第一颗油滴第二颗油滴第三颗油滴 平衡电压 U V 下落时间下落时间 t S 平衡电压平衡电压 U V 下落时间下落时间 t S 平衡电压平衡电压 U V 下落时间下落时间 t S 1 2 3 4 平均平均 q C n 误差 温度压强 误差 温度压强 六 数据处理 两个油滴要分别计算 由公式 4 计算油滴的半径 根据公式 8 计算油滴的电荷量 3 2 18 2 1 g ld q vbg t pr 9 2 g l r g t Vtt neq 1 10264 21 109277 0 232 14 将实验测量和计算得到的一组油滴带电量数据除以公认 值e得到各油滴的带电量子数 一般为非整数 再对这些 四舍五入取整 作为各油滴的带电量子数n Ce e q n i 19 1060 1 取整 100nE e n 取小数 相对误差 误差 i q 本实验数据处理 要求计算两个电荷 若 l 1 50mm 且取标准大气压 则电量公式为 21 21 nn qq e 实验值 相对误差 100 100 0 0 e ee E n q n1n2 q1 q2 喷油时 只需喷一两下即可 不要喷得太多 不然会堵塞小孔 对选定油滴进行跟踪测量的过程中 如果油 滴变得模糊了 应随时调节显微镜镜筒的位 置 对油滴聚焦 对任何一个油滴进行的任 何一次测量中都应随时调节显微镜 以保证 油滴处于清晰状态 平衡电压取100 300V为最好 应该尽量在 这个平衡电 压范围内去选择油滴 在监视器上要保证油滴竖直下落 注意事项注意事项 喷雾器内的油不可装的太满 否则会喷出很多 油 而不是 油雾 堵塞上电板的落油孔 喷油时 喷头不要深入喷油孔内 防止大颗粒油滴堵塞油孔 如果喷雾器内还有剩余的油 不用时请将喷雾器立置 否则 油会泄露在实验台上 测量油滴匀速下降一段距离l所需要的时间tg时 应先让油滴 下降一段距离后再测量时间 选定测量的一段距离l 应该在平 行板之间的中央部分 即视场中分划板的中央部分 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 若太靠近下电极板 测量完时间tg后 油滴容易丢失 影响测 量 一般取l为0 2厘米比较合适 注意事项注意事项 油滴仪通电情况下不得触及平行电极 避免发生电击 每次重复测量时都要重新测量平衡电压 实验前必须调节水准泡 喷雾器在喷油或存放时都应保持出油口朝上 对喷雾 器要轻拿轻放 用喷雾器将油从喷雾口喷入油雾室后 推上油雾孔挡 板 以免空气流动而使油滴乱漂移 实验时应该尽量避 免油滴仪周围空气流动 微调显微镜的调焦手轮 当监 视器上出现大量清晰的油滴 如夜空繁星 说明显微镜 已调好 在测量时还是要调节CCD的位置 一边寻找合适的带 电微粒 注意事项注意事项 在喷油后 若视场中没有发现油滴 可能有以下几个 原因 传感线接触不良 油滴孔被堵 处理方法 检 查线路 打开有机玻璃油雾室 利用脱脂棉擦拭小 孔 或利用细丝 直径小于0 4mm 捅一捅小孔 调整仪器时 如要打开有机玻璃油雾室 应先将工作 电压选择开关放在 下落 位置 测量时 要随时调整工作电压 若发现工作电压有明 显改变 应放弃测量 重新选择油滴 喷油雾时喷雾器应该竖拿 食指堵住出气孔 喷雾器 对准油雾室的喷雾口 轻轻喷入少许油滴即可 切勿 将喷雾器插入油雾室 甚至将油倒出来 否则会弄脏 油滴盒 甚至堵塞落油孔 喷油雾时 应将电容器短路 注意事项注意事项 七 思考题七 思考题 1 1 两极板不水平对测量有什么影响 2 2 为什么要测量油滴匀速运动的速度 在实验中 怎样才能保证油滴作匀速运动 3 3 实验中应该选择什么