2、密立根油滴实验 河南理工.doc

物理实验3密立根油滴实验一、实验目的1了解电量不连续性并应用平衡法测定电子电量；2了解密立根油滴实验的精华所在。二、实验仪器THQMD-1密立根油滴实验仪，监视器，喷雾器，实验油（一瓶）。三、实验原理1.概述电子电荷是一个重要的基本物理量，对它的准确测定有很大的意义。1883年由法拉第电解定律发现了电荷的不连续结构；1897年J .J. 汤姆逊通过对阴极射线的研究，测量了电子的荷质比，从实验上发现了电子的存在；而用个别粒子所带的电荷的方法来直接证明电荷的分立性，以及首先准确测定电子电荷的数值，则是由密立根（Millikan）在1911年完成的。本实验就利用密立根油滴实验仪验证电荷的不连续性，并求出电子所带的电量。从实验结果可以看出，任何油滴从空气中捕获的电荷都是最小电荷的整数倍。 1923年密立根荣获了诺贝尔物理学奖，密立根油滴实验历来是一个著名而有启发性的实验，它设计巧妙，结果准确。在实验中，认真选择油滴，耐心跟踪和测量，培养一丝不苟的科学实验态度。 实验中要学会选择合适的油滴，并且熟练控制油滴以进行多次测量。计算每个油滴的带电量，这里采用倒过来验证的方法，即用公认的电子电量值去除每个油滴的电量，并取一最接近的整数，用这个整数除油滴的电量，得到电子电荷的测量值。 2.平衡法测定电子电量图2用喷雾器将油滴喷入两块相距为的水平放置的电容器极板之间，油滴在喷射时由于摩擦而带电。设油滴的质量为，所带电量为。当两极板间未加电压时，油滴在粘滞空气中向下运动，受空气阻力、空气浮力及重力作用，如图2所示。由于空气阻力随油滴速度增大而增大，最终三力平衡。平衡时，油滴以速度匀速下降。根据斯托克斯定律有式中为油滴的半径，由于表面张力作用，油滴呈球形。为空气的粘滞系数。、分别为油滴和空气的密度，得 (1)当两极板上加有直流电压时，调节电压，使油滴静止，如图3所示，有图3把（1）式代入上式，得 （2）由于油滴半径约为10-6m，空气质量不能再认为是均匀的。空气粘滞系数修正为，有因此，斯托克斯定律可写为修正项中含有，因处于修正项中不需十分精确，还按（1）式计算若油滴匀速下降距离为，经过时间为，则有，有令所以 （3）本实验以下数据是已知的：两极板间距离（0.005），空气的粘滞系数（1.8310-5）油滴匀速下降距离（0.001）,油的密度（981）空气密度（1.294）,重力加速度（9.79）修正常数（0.00823）,大气压强（1.01105）可求出，所以只需测出及代入（3）式即可求出油滴所带电量。四、实验仪器1. CCD：观察被照亮的油滴，与成像显微镜和显示器合用。2. 电源开关按钮：控制整机通电与否。3. 视频输出插座：将CCD成像系统的信号输出至显示器。显示器阻抗选择置75处。4. 功能切换开关：有平衡、升降、测量三档：a. 处于中间平衡档时，可用电压调节旋钮来调节平衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态。平衡电压调节范围为0450V。b. 当处于升降档时，上下电机在平衡电压的基础上自动增加提升电压，油滴将失去原先的平衡状态。升降电压大小用电压调节旋钮调节，调节范围为300700V。c. 当处于测量档时，极板间电压为0V，被测油滴在重力作用下匀速下落，从而可以测量油滴下落一定距离的时间。油滴下落到一定距离时应迅速拨回平衡档，同时停止计时。5. 电压调节旋钮：至于不同档位可调节不同电压，调节范围为0700V。6. 秒表计时键：按一下该键，清除秒表内存同时开始计时，再按一下该键，计时器停止计时，秒表显示当前计时时间。7. 水平仪：调节仪器机箱底部三只调平螺栓，使水泡处于中间位置，此时平行板处于水平位置。8. 油室：由上下电极组成一个平行板电容器，加上电压时，极板间形成相对均匀电场可使带电油滴在电场中处于平衡状态。9. 照明灯室，内置照明绿光LED，用来照明油滴。10. 计时器：数字式的，精度0.1S。11. 三位半数字电压表：显示上下电极板之间的实际电压。五、实验内容1、正确选择和控制油滴。一般选择平衡电压在200V以上，匀速下降1mm距离用时间10-15S的油滴。如果油滴过大或者过小都不可取（屏幕上四格为2mm）。2、练习控制油滴，要保证油滴能在上下刻线间匀速下落，并且落下去能够再次把它调上来，因为后面每个油滴要测量3次，所以这一步很重要。3、用平衡法测量油滴匀速下降1mm所用的时间。共选择3颗油滴，每个油滴测量3次。4、计算每个油滴的带电量，然后计算电子电荷。这里我们采用倒过来验证的方法，即用公认的电子电量值去除每个油滴的电量，取一个最接近的整数，再用这个整数除油滴的电量，从而得到电子电荷的测量值。5、将电子电荷的测量值与理论值（C）进行比较，计算相对百分误差。六、数据处理要求自己设计表格，并处理数据。七、注意事项1.一定要检验油滴仪是否水平