密立根油滴实验（课堂PPT）

1、.1 龙岩学院 基础物理实验中心.2 密立根密立根 (Bobert Andrew Millikan) 1868年年3月月22日生日生于美国伊利诺斯州的莫里森镇于美国伊利诺斯州的莫里森镇 他的父亲是镇上的牧师。他的父亲是镇上的牧师。他生活和工作在一个以物理学最富革命性的发展为其特他生活和工作在一个以物理学最富革命性的发展为其特征的时期，在这段时期建立的许多概念构成了我们今天征的时期，在这段时期建立的许多概念构成了我们今天物理观念的基础。物理观念的基础。 密立根设计了一种研究油滴在电场和重力场作用下密立根设计了一种研究油滴在电场和重力场作用下运动的方法。这一实验后来被称做油滴实验，比起较早的运动的

2、方法。这一实验后来被称做油滴实验，比起较早的方法这是一项重大改进，用它得到了可靠并且可以重复测方法这是一项重大改进，用它得到了可靠并且可以重复测量的电子电荷值。密立根令人信服地证明了电荷的不连续量的电子电荷值。密立根令人信服地证明了电荷的不连续性，这对最终建立物质的原子论有着重大的作用。性，这对最终建立物质的原子论有着重大的作用。.3目目 录录1. 实验原理2. 实验仪器3. 实验内容4. 实验拓展.41. 实验原理用喷雾器将油喷入两块相距为用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极的水平放置的平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时，一般都带上电荷，假如油板之间，油在喷射撕裂成油滴时，一般都带

3、上电荷，假如油滴的质量为滴的质量为m ，所带的电量为，所带的电量为q，两极板间的电压为，两极板间的电压为U 。油。油滴在极板间同时受到重力和电场力两个力的作用。滴在极板间同时受到重力和电场力两个力的作用。E 为两极为两极板间的电场强度。板间的电场强度。 dqemg.5mgf1f2此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。 dUqqEmg 如果调节两极板间的电压如果调节两极板间的电压U 可使重可使重力和电场力平衡，则有关系式：力和电场力平衡，则有关系式： 平行板不加电压时，油滴在空气中自由下落，下落平行板不加电压时，油滴在空气中自由下落，下落过程中受三个

4、力的作用：重力过程中受三个力的作用：重力mg ；空气浮力；空气浮力f1 ；空气；空气对它的阻力对它的阻力f2。 .6334am gamg334gaf3134 由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴的由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴的密度为密度为 ，半径为，半径为a ，则油滴的质量，则油滴的质量m为：为：重力及空气浮力可表示为重力及空气浮力可表示为：.7 af62空气阻力可表示为空气阻力可表示为 agaga6343433)(29ga 当油滴下落速度达到某一数值时，油滴所受合外力等当油滴下落速度达到某一数值时，油滴所受合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：于零时，油滴匀速下降。此

5、时有：.8 ga29pab1pabaf162当当 时，空气浮力可以忽略。有时，空气浮力可以忽略。有 实验中油滴半径约为实验中油滴半径约为1010-6-6m m 左右，此半径与空气分子左右，此半径与空气分子间的间隙大致相等，因此空气的粘滞系数修改为：间的间隙大致相等，因此空气的粘滞系数修改为：斯托克斯定律修改为斯托克斯定律修改为.9最终可得：最终可得： 2392)1 (218LgtpbtLUdgq此式是本实验的基本公式。式中此式是本实验的基本公式。式中b 为修正常数，为修正常数，b=6.1710-6m米米. 厘米汞高，厘米汞高，p为大气压强，单位为厘为大气压强，单位为厘米汞高。米汞高。.102.

6、 实验仪器密立根油滴仪，电压显示电压显示计时显示计时显示油雾室油雾室平衡水泡平衡水泡CCD物距调节物距调节平衡电压平衡电压调节调节电压转换电压转换开关开关电源开关电源开关计时键计时键.11开关开关对比度调节对比度调节亮度调节亮度调节垂直显示调节垂直显示调节水平显示调节水平显示调节.123. 实验内容 要求：要求：1 1、熟悉仪器的使用熟悉仪器的使用2 2、调整仪器调整仪器 3 3、练习控制油滴练习控制油滴4 4、练习选择油滴练习选择油滴5 5、对同一油滴进行对同一油滴进行25302530次测量次测量 .13：调节水平螺丝调节水平螺丝 ，使水准泡指示水平，使水准泡指示水平，极板处于水平位置，电场

7、方向与重力平行。极板处于水平位置，电场方向与重力平行。 .14调节监视器的对比度和亮度旋钮调节监视器的对比度和亮度旋钮使监视器屏幕处于极不太亮又不太暗的状态。使监视器屏幕处于极不太亮又不太暗的状态。：工作电压选择：开关扳向工作电压选择：开关扳向“下落下落”位置，位置，将专用油从喷雾口喷入（只喷一次少量即可），从监视屏上可将专用油从喷雾口喷入（只喷一次少量即可），从监视屏上可看看到大量的油滴。到大量的油滴。.15如果油滴看不到，或是看不清，可如果油滴看不到，或是看不清，可能是能是 CCDCCD的物距不合适，或是监视器的亮度的物距不合适，或是监视器的亮度或对比或对比 度不合适，应该进行调整。度不合

8、适，应该进行调整。如油滴斜向运动，可转动显微镜上如油滴斜向运动，可转动显微镜上的圆的圆 形形CCD CCD ，使油滴沿垂直方向运动。，使油滴沿垂直方向运动。.16 测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧。测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧。方法是：在平行极板上加平衡电压方法是：在平行极板上加平衡电压250250伏左右，工作电伏左右，工作电压选择开关置压选择开关置“平衡平衡”档，趋走不需要的油滴，直到剩下档，趋走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止。注意其中的一颗，仔细调节平衡几颗缓慢运动的为止。注意其中的一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它电压，使这颗油滴静止

9、不动。然后去掉平衡电压，让它自由下降，下降一段距离后再加自由下降，下降一段距离后再加“提升提升”电压，使油滴上电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习。升。如此反复多次地进行练习。.17 选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较亮，选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较亮，但带电量比较多，下降速度较快，时间不容易测但带电量比较多，下降速度较快，时间不容易测准确。太小的油滴布朗运动明显。通常选择平衡准确。太小的油滴布朗运动明显。通常选择平衡电压电压200200伏左右时（需要仔细调节平衡电压），伏左右时（需要仔细调节平衡电压），使某个油滴静止不动，然后去掉平衡电压（即把使某个油滴静止不动，然后去掉平衡电

10、压（即把工作电压选择开关扳向工作电压选择开关扳向“下落下落”位置），按下计时位置），按下计时按钮，寻找在按钮，寻找在1010秒以上时间内匀速下降秒以上时间内匀速下降2 2毫米的毫米的油滴（这时其大小和带电量比较适当）。油滴（这时其大小和带电量比较适当）。.181） 实验中需直接测量平衡电压U和油滴匀速下降2毫米距离所用时间t 。平衡电压可从仪器上电压表直接读出。如下：将已选择好的油滴升至视野的上方，然后去掉平衡电压，油滴开始下落，此时是加速运动，不宜记时。下落一段距离后，可认为空气阻力与重力相等，记时开始。运动距离 L（取 L=2.00mm），记时停止。记时停止后，应立即加平衡电压，防止油滴丢

11、失。然后再扳向“提升”，当油滴上升到上方时，再扳向“平衡”。重复上述过程，对同一油滴进行2530次测量，每次测量开始都要重新调节平衡电压。.19 完成本实验的关键在于控制油滴和选择合适的油滴。完成本实验的关键在于控制油滴和选择合适的油滴。测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧，并选择合测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧，并选择合适的油滴。否则就会造成实验失败。适的油滴。否则就会造成实验失败。 实验中选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较实验中选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较亮，但带电量比较多，下降速度较快，时间不容易测亮，但带电量比较多，下降速度较快，时间不容易测准确。太小的油滴布朗运动明显

12、。通常选择平衡电压准确。太小的油滴布朗运动明显。通常选择平衡电压200200伏左右伏左右的油滴，这时其大小和带电量比较适当。的油滴，这时其大小和带电量比较适当。.202 2、通过对该携带离子的油滴在电场和重力场中行、通过对该携带离子的油滴在电场和重力场中行为的研究，证明：所有电荷，不论是怎样产生的，都是为的研究，证明：所有电荷，不论是怎样产生的，都是某一确定基本电荷的精确倍数。某一确定基本电荷的精确倍数。密立根油滴实验做到并证明了以下几点：密立根油滴实验做到并证明了以下几点：1 1、使一滴微油滴带上单个或、使一滴微油滴带上单个或11501150个之间的任何一个个之间的任何一个所需数目的空气离子。所需数目的空气离子。3 3、大多数电离空气的离子，不论为正还是为负，、大多数电离空气的离子，不论为正还是为负，带的都是基本电荷。带的都是基本电荷。 .214 4、所有值得商榷的理论假设都无关地测定出基本、所有值得商榷的理论假设都无关地测定出基本电荷的精确值，其淮确程度只受空气粘滞电荷的精确值，其淮确程度只受空气粘滞系数测量可达到系数测量可达到的精度的限制。的精度的限制。 5 5、直接测定一个分子骚动动能的数量级，这为物、直接测定一个分子骚动动能的