华中科技大学【密立根油滴实验】.doc

实验原理：用油滴法测量电子的电荷e，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。本实验采用静态测量法，原理如下：设质量为m带电量为q的油滴在两平行极板间运动，两极板间电压为U，极板间距为d。则油滴在极板间将同时受到重力和电场力的作用，如图1所示。如果调节两极板间的电压U，可使电场力和重力达到平衡，即 (1) 图1 静电场中的带电油滴(电压U，板间距d)当两平行极板间不加电压时，油滴在重力作用下加速下降，同时也受空气阻力(黏滞阻力)作用，根据斯托克斯定律，黏滞阻力为，这里，a为油滴的半径，为空气的黏滞系数，vg为油滴运动的速度。油滴的速度达到一定值后，黏滞阻力和重力会平衡，油滴进而做匀速直线运动，有 (2)油滴的质量与半径的关系 (3)由(2)和(3)式得 (4)考虑到油滴的半径小到10-6米，空气不能再看作连续介质，空气的黏滞系数应做如下修正 (5)这里，b为修正常数，b=6.1710-6m.cmHg，p为大气压强，a为未修正过的油滴半径。则修正后的a为 (6)油滴匀速运动的距离和速度之间的关系为 (7)由(1)、(2)、(6)、(7)式得，油滴的带电量q为 (8)(8)式即静态测量法的油滴带电量的表达式，要注意的是，因为油滴的半径a处于修正项中，可以不十分精确，因此(8)式中油滴的半径a仍用(4)式计算。实验内容、步骤与要求：1. 调整仪器(1)调整仪器底部的调平螺丝，使水准泡指示水平；(2)将监视器亮度调低，对比度调到最高。(3)将油从油雾室旁的喷雾口喷入，微调显微镜的调焦手轮，使视场中出现大量清晰的油滴。 2. 选择合适的油滴 将油滴仪的功能键置于“平衡”档，调节平衡电压至100300V之间，观察能够静止的油滴，并且要满足油滴匀速下降1.5mm所用时间在820s之间。具体操作为，将油滴仪的功能键置于“up”档，使油滴运动到显示屏的最高刻度线，然后油滴仪的功能键置于“down”档，使油滴运动到第二刻度线的时候开始计时，一直运动到最底端刻度线时计时停止。选择这段时间在820s的油滴。 3. 正式测量 选择满足上述条件的10颗油滴进行时间的测量，每个油滴重复测量5次。 注意：计时结束时，一定要迅速将油滴仪的功能键置于“平衡”档，否则油滴就会运动到下极板而观察不到，进而无法测量5次。实验注意事项及学生容易出错的地方：1. 实验前必须调节水准泡；2. 每次都要调节平衡电压，要求每个油滴的平衡电压和下降时间都不同。3. 擦拭极板时要关掉电源，以免触电；4. 喷油时功能键应置于down处，即两电极板间电压为零。5. 喷雾时喷雾器应竖拿,食指赌住气孔,对准油雾室的喷雾口,轻轻喷入少许即可。6. 喷油后应将风口盖住，以防止空气流动对油滴的影响。7. 注意跟踪油滴，随时调节显微镜镜筒，不断校准平衡电压,发现平衡电压有明显改变,则应放弃测量，或作为一颗新油滴重新测量；8. 选择平衡电压200V左右，下降1.5mm时间8-20s的油滴。数据处理与误差估算:油滴编号电压(V)t1t2t3t4t5t平均1270 21.13 20.01 20.35 20.80 21.01 20.660 2281 10.10 10.40 9.80 10.20 10.10 10.120 3156 17.20 18.00 17.90 17.10 17.40 17.520 4207 22.70 22.03 22.36 21.69 22.02 22.160 5213 17.66 17.44 17.22 16.88 17.33 17.306 6105 20.01 20.14 20.01 20.16 20.12 20.088 7260 9.02 9.11 9.08 9.07 9.10 9.076 8283 21.35 21.02 21.13 21.24 20.88 21.124 9232 16.53 16.41 16.44 16.60 16.55 16.506 10168 16.66 17.11 16.99 16.88 16.99 16.926 将=981 kg/m3, g=9.795 m/s2, =1.8310-5 kg/(m.s), =1.5 mm, 修正常数b=6.1710-6 m.cmHg, 大气压p=76.0 cmHg, d=5.0010-3 m,及上表中的平均时间带入(8)式可得到10个油滴的带电量q的大小及其与电子电荷e的倍数n(已经四舍五入)。油滴编号12345678910电量q(10-19C)3.16 9.24 7.08 3.69 5.29 8.49 11.83 6.03 5.23 6.94 n=q/e26423574341. 利用作图法qi-ni (i=1, 2, 3 10) (如图2所示)，在直线上任取一点(图中黑色方块)，可得直线的斜率即电子的电荷e值大小为： 相对误差为：2. 利用最小二乘法可得电子电荷值e的大小为 =1.59310-19 C 相对误差为：结果评定与分析讨论课堂评分序号要求分值1预习报告：内容完整（目的、原理、仪器、内容），原理部分描述清晰、重点突出。302理解实验设计，调整操作思路清晰，方法得当。303测量准确，数据完整，记录整齐规范，表格设计合理。40报告成绩：序号要求分值1报告形式规范，文字清晰工整。152实验数据符合要求，计算正确、表达规范，包括有效数字的正确使用、单位正确、计算用到的各参数值的记录、表述。453坐标纸作图，作图规范。104通过作图或最小二乘法正确计算e及相对不确定度105思考题1106思考题2107对实验现象或结果进行分析讨论10分以内的酌情加分实验内容拓展课后思考题1.如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？如果上下极板不水平，对测量结果有什么影响？答：调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平，使水平仪水平，这样平衡极板就水平了。 如果不水平，油滴横向漂移很厉害，影响实验结果。同时，电场力与重力不在同一方向，对于平衡电压的测量也有影响，测得的电压与油滴的实际平衡电压相比偏大；而由于测下降时间时油滴不受电场力作用，故极板水平状况几乎不会影响测量的时间。 2 对实验结果造成影响的主要因素有哪些？ 答：1）要选择合适的油滴，这是最主要的，油滴不能太大，并且每次选的油滴带电量要求不一样。2）人为因素，每次计时时的反应时间不一样，还有选择的平衡线有差别。3）有视差。4）在测每一个油滴下落时间时，在第四、五次时，油滴会挥发，时间会有差距；油滴挥发时，要移动显微镜，也会影响实验结果。最新进展及应用密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学家用类似的方法确定出基本粒子夸克的电量。油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的。参考文献及资料1 Millikan R A. Coefficients of slip in gases and the law of refflec