密立根油滴实验.doc

密立根油滴实验 著名的物理学家密立根(Robert A Millkan)在1909到1917年期间所做的测量微小油滴所带电荷的工作，即后来被称之为的密立根油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。这一实验的设计思想简明巧妙，方法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，因此这一实验堪称物理实验的精华和典范。密立根油滴实验取得的重大结果就是，1)证明了电荷的不连续性(量子性)，所有电荷都是基本电荷e的整数倍；2)测量并得到了基本电荷即为电子电荷，其值库仑。正是这一实验的成就，密立根于1923年获得诺贝尔物理学奖。1、实验目的利用密立根油滴法测量基本电荷值，培养求实的科学态度和严谨的工作作风。2、实验原理油滴法测量电子电荷，是研究带电油滴在电场和重力场中受力和运动的情况。按油滴作匀速运动和静止两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。图1重力场中油滴的受力示意图 图2电场中油滴受力示意图 1)动态测量法 考虑重力场中一个足够小油滴的运动，假设此油滴可视为半径为质量为。空气是粘滞流体，故空气对运动的油滴除产生浮力作用外，还有粘滞阻力作用。斯托克斯定律给出，粘滞阻力与物体运动速度成正比，设此油滴以匀速下落，则有 （1）此处为与油滴同体积的空气的质量，为比例系数。油滴在空气介质重力场中受力情况如图1所示。若此油滴带电量为，并处在场强为的均匀电场中，设电场力方向与重力方向相反，如图2所示，如果油滴以匀速以上升，则有 （2）由式(1)和式(2)消去，可解出为 （3）由式(3)看出，要测量油滴上携带的电荷，需要分别求出、等物理量。由喷雾器喷出的小油滴的半径是微米量级，直接测量其质量是困难的，为此希望消去，而代之以容易测量的物理量。设油与空气的密度分别为和，于是半径为的油滴的视重为 （4）斯托克斯定律给出，粘滞流体对球形运动物体的阻力与物体的速度成正比，其比例系数，此处为粘滞系数。于是，可将式(4)代入式(1)，有 （5）于是可求出 （6）以此代入式(3)整理得到 （7）由此看出，如果测出、和、等宏观量即可算出值。 考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成连续媒质，其粘滞系数需作相应的修正，此处为空气压强，单位用，。由式(5)有 （8）当精度要求不高时，常采用类似一级微扰法的计算方法，即把值代入式(6)计算可得 （9）将此值代入中，并以代入式(7) （10）实验中常常是固定油滴运动的距离，测量它通过此距离S所需的时间来得到其运动速度。且电场强度，为平行板间的距离，为所加的电压，因此式(10)又可写成 （11）式中有些量和实验仪器及条件有关，选定之后在实验过程中不变，如、及等，将这些量一起以常数代表，可称为仪器常数。于是式(11)可简化为 （11）由此，量度油滴上电荷量或其改变量，只体现在，的不同；对同一油滴相同，只有U与不同，就标志电荷的不同。2)平衡测量法 平衡测量法的出发点是，使油滴在均匀电场中静止在某一位置。调节两极板间的电压，使油滴在两极板间受到的电场力和重力、浮力达到平衡，从而静止在某一位置。即将式(4)、式（9）和代入式（11），并注意到，则有 （12）对以匀速下落的某一油滴，若改变它所带的电量，则可得到油滴静止时的相应电压值U，由式(12)算得油滴带电量(i=1，2，3)。 测得油滴上带的电荷目的是找出电荷的最小单位。可以对不同的油滴，分别测出其所带的电荷值，它们应近似为某一最小单位的整数倍，即油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数即为基本电荷。实验内容1)调整油滴实验装置 目前实验室使用的油滴仪主要由油滴盒、油滴照明系统、调平系统、测量显微镜或TV监视器供电电源以及电子停表、喷雾器等部分组成。其中油滴盒是由两块经过精磨的金属平板，中间垫以胶木圆环，构成平行电容器。在上板中心处有落油孔，使微小油滴可进入电容器中间的电场空间。胶圆环上有进光孔、观察孔、进入电场空间内的油滴由照明系统照明。油滴盒可通过调平螺旋调整水平，用水准仪检查。具体操作方法请按仪器操作指南进行。 油滴盒防风罩前装有测量显微镜或CCD摄像头，用来观察油滴。在目镜或TV监视器上划有该度板，可用来观察油滴的运动距离。 电容器极板上所加电压由电源调节旋钮控制，极性由极性开关控制。使用时要注意，根据油滴上所带电荷符号不同，应选择适当的电压极性，控制油滴在电场力作用下克服重力向上运动或静止。 油滴实验是一个操作技巧要求较高的实验，为了获得满意的实验结果，必须仔细认真的调整油滴仪。调整时，应注意以下几点： (1)首先要调节调平螺丝，将平行电极板调到水平，使平衡电场方向与重力方向平行，以免引起实验误差。 (2)调整照明光源和显微镜的物镜和CCD摄像头的位置，使成像清楚，均匀照明，背景稍暗。 喷雾器是用来快速向油滴仪内喷油雾的，在喷射过程中，由于摩擦作用使油滴带电。为了在视场中获得足够供挑选的油滴，在喷射油雾时，一定要将油滴仪两极短路，即外加电压为零。 用喷雾器将油雾从喷雾口喷入油滴室后，望远镜内将看到在重力作用下油滴下落。试加电压，调整直流稳压电源提供合适的电场，练习控制油滴的运动。用停表记录油滴上升或下降经过两条刻线间距离所用的时间，。2)选择适当的油滴并测量油滴上的带电量 要做好油滴实验，很重要的一点是选择合适的油滴，所选的油滴体积要适中，大的油滴虽然比较亮，但一般带的电荷多，下降速度太快，不容易测准确；太小则受布朗运动的影响明显，测果结果涨落很大，也不容易测准确。因此应该选择质量适中，而带电量不多的油滴。一般希望选择油滴在电场力的作用下克服重力向上运动时，经过两刻线所需的时间在10秒到40秒之间，并根据这一要求选择合适的电压数值