用密立根油滴仪测量电子电量

1、用密立根油滴仪测量电子电量美国闻仁实验物理学家密立根花了七年功夫(1909T917)所做的测呈微小油滴上所带电荷的工作在近代物理学进展中具有重要意义，实验设计巧妙，筒单方便地证明了所有电荷都是大体电荷6的整数倍，明确了电荷的不持续性。此刻公认的大体电荷为c=(±)xio-19c由于实脸中喷出的油滴是超级微小的，难于捕捉、操纵和测量，因此做本实验时，专门要有严谨的科学态度，严格的实险操作，准确的数据处置，才能取得比较好的实验结果。实验目的1 .测定电子的电荷值，并验证电荷的不持续性：2 .培育学生进行科学实验时的坚韧精神和严谨的科学态度。设计思路图Z5-1带电平行板间油滴的平衡用喷雾器

2、将油滴喷入两块相距为d的水平放置的平行板之间。由于喷射时的摩擦，油滴一样带有电量小当平行板间加有电压V，产生电场E，油滴受电场力作用。调整电压的大小，使油滴所受的电场力与重力相等，油滴将静止地悬浮在极板中间，见图Z5-1。现在Vmg=qE=q或(Z5-1)匕”是容易测量的物理量，若是进一步测量出油滴的质量?，就能够取得油滴所带的电量。实验发觉，油滴的电量是某最小恒量的整数倍，即q=ne,H=±,±2,0如此就证明了电荷的不持续性，并存在着最小的电荷单位，即电子的电荷值6。设油滴的密度为P，油滴的质量，可用下式表示m=mp(Z5-2)3为测量r,去掉平行板间电压。油滴受重力而

3、下降，同时受到空气的粘滞性对油滴所产生的阻力。粘滞力与下降速度成正比，也确实是服从斯托克斯定律：fr=6勿77v(Z5-3)式中"是空气粘滞系数，是油滴半径，V是油淌下落速度。油滴受重力43=加pg(Z5-4)当油滴在空气中下降一段距离时，粘滞阻力增大，达到二力平稳油滴开始匀速下降。43J(Z5-5)mpg=6加斗，解出油滴半径(Z5-6)关于半径小到lO'm的油滴，空气介质不能以为是均匀持续的，因此需将空气的粘滞系数修正为pr97V2。月P式中人为一修正系数，为大气压强，于是可得亿5-7)亿5-8)上式根号中还包括油滴半径厂，但因它是处于修正项中，不须十分精准，故可将(Z5

4、-6)带入(Z5-8)式进行计算。考虑到油滴匀速下降的速度u等于匀速下降的距离与通过这段距离所需时刻的比值，即v=l/t.取得：(Z5-9)49nl1m=ip3 2附J.PL将上式代入(Z5-1)式可得:(Z5-1O)上式及公式(Z5-6)确实是本实验的所用的大体公式。实验仪器图Z5-2 油滴仪外形密立根油滴仪包括油滴盒、油滴照明装置，测量显微镜、供电电源和电子停表、喷雾器等部份组成。M0D«4型油滴仪的外形如图Z5-2所示。1.油滴盒如图Z5-3所示，油滴盒由两块通过精磨的平行极板组成，间距6/=0.500cnic上1 .油雾室2 .油滴盒3 .防风置4 .照明灯5 .电压表6 .

5、平衡电压调节钮7 .平衡电压换向开关8 .升降电压调节钮9 .升降电压换向开关10 .电源开关11 .测量显微镜电极板中央有一个力0.4n】m的小孔，以供油滴落入。整个油滴盒装在有机玻璃防风罩中，以防空气流动对油滴的阻碍。防风罩上面是油雾室，油滴用喷雾器从喷雾口喷入，并经油雾孔落入油滴盒°为了观看油滴的运动，附有发光二极管照明装置。发光二极管发烧量小，因此对油滴盒中的空气热对流小，油滴就比较稳固。2.显微镜显微镜是用来观看和测量油滴运动的,目镜中装有分划板,共分六格，每格相当视场中的，六图Z53油滴盒侧视图1油本室1可用来2沏事孔洲笑3-得反4JLtM测量油5-他调去j8-TtM滴运

6、动7-从聚8-X1M.的距离9It*口110一*中几/,以计11一上电收仄要$12一上，就柿也13一饱满金算油滴格共，分划板运动的3.电源电源共提供三种电压（1）5V交流电源供照明装置用（2）500V直流平稳电压，该电压的大小能够持续数值能够从电压表上读出来。平稳电压由标有“平稳电拨动开关操纵。开关拨在中间“0”位，上下极板被短路,零电位。开关拨在“+”位置，这时能达到平稳位置的可通过标有“起落电压”拨动带正电荷，反之油滴带负电荷。（3）300V直流起落电压，该电压的大小能够持续调剂,开关趣加在平稳电压上。由于该电压只起一个改变已达到平稳的油滴在两块极板间上下位置的作用，不需要明白它的大小，因

7、此没有读数。4.计时器计时器是一只液晶显示数字电子停表，精度为实验内容与要求1 .仪器调剂（1）将仪器放平稳，调剂调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行板处于水平位置。（2）先使仪器预热一段时刻，利用预热时刻，从显微镜中观看，调剂目镜，使分划板位置放正而且刻线清楚。若是视场太暗，可略微转动油滴照明灯座。（3）将“平稳电压”和“起落电压”二开关均置于“0”位置，将油从油雾室的喷雾口喷入（喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，这时视场中将显现大量清楚的油滴，有如夜空繁星。2 .测量练习（1）练习操纵油滴；平行极板加上300V左右的平稳电压（“十”或“一”随意），可见到多数油滴专门快起落而消失，选择

8、一个因加电压而运动缓慢的油滴，认真调剂平稳电压使油滴平稳。利用起落电压使它上升，然后将电压全数去掉，让油滴自由降落。如此反复起落,多次练习，把握操纵和观看油滴的方式。（2）练习选择油滴；选择一个大小适当，带电量适中的油滴，是本实验中每次测量的关键一环。油滴太大，自由降落太快，测量时速度尚未达到匀速，必然误差大，而且油滴须带电较多才易于平稳.，由于电量的绝对误差会接近于电子电量，使结果不易测准。油滴过小,又会因热扰运动和布朗运动，使测量时涨落太大。为此，可在刚显现的“繁星”自由降落时,选定几个运动较慢又只是分缓慢的油滴，再将300V上下的平稳电压加上去，设法留住其中一个。（3）练习测量油滴运动的

9、时刻：利用平稳电压及起落电压，把选中的油滴调到电场最上方，然后去掉全数电压，待油滴速度稳固并通过某一条刻线时按动秒表，记录降落一段距离所需要的时刻，并及时把油滴操纵在视场内不要丢失。反复几回，以把握测量时刻的方式。3 .正式测量由公式（Z5-10）可知，进行本实验要测量的只有两个量，一个是平稳电压Vn，另一个是油滴匀速下降一段距离/所需要的时刻/。测量平稳电压必需通过认真.调剂，将油滴悬于分划板上某条横线周围,以便准确判定出这颗油滴是不是平稳了。测量油滴匀速下降一段距离，所需的时刻，时，为保证油淌下降时速度均匀，应先让它下降一段距离后再测量时刻。选定测量的一段距离应该在平行极板之间的中央部份，

10、假设太靠近上极板，小孔周围有气流，电场也不均匀，会阻碍测量结果。太靠近下极板，油滴容易丢失，阻碍重复测量。一样取分划板中央部份/=0.200cm比较适合。由于实验的统计涨落现象显著，关于同一颗油滴应进行610次测量，而且每次测量都要从头调整平稳电压，并记录此电压值。同时还应该别离对610颗油滴进行反复的测量。1.依照公式（Z5-10）及（Z5-6）进行计算。已知：油的密度p=981依/?3空气粘滞系数=L83x1（T5依/（“S）重力加速度g=9.80?/S2油滴匀速下降的距离取/=2.00x10-3?修正常数b=X10-6mcmHg大气压强片平行极板间距d=X10-3m将以上数据代入公式得：

11、1.43X10-U1q1/(1+0.02772匕显然，由于油滴的密度p,空气粘滞系数都是温度的函数，重力加速度和大气压又随实验地址和条件而转变，因此，上式的计算是近似的。但一样条件下，如此的计算引发的误差仅有1%左右，带来的益处是运算大为简化。2 .为了证明电荷的不持续性和所有电荷都是大体电荷e的整数倍，并取得大体电荷e值，咱们应付实验测得的各个电量g求最大公约数。那个最大公约数确实是大体电荷，也确实是电子的电荷值。可是关于初学者能够用“倒过来验证”的方法进行数据处置。即用公认的电子电荷值6=1.602x1()79。去除实验测得的电量心取得很接近于某一个整数的数值,然后取其整数，那个整数确实是

12、油滴所带的大体电荷数量。再用那个去除实验测得的电量，即得电子的电荷值e,求出三并与公认值比较。3 .数据表格由同窗自行设计，应使其合理而明显地表达出测试结果。对实验结果给出合理的评判。注意事项1 .每次计时以后，及时操纵油滴不要丢失，眼睛离开显微镜时，必然使油滴静止。油滴起落运动时必需不断的注视，以避免油滴跑得太高和太低，以致逃出视野乃至丢失。假设停止观看时刻略长，那么应把油滴稳固在电场上部，但不可停止观看太久。2 .油滴选定以后，应及时关闭电极进油孔，再开始正式测量。3 .为使平稳电压测值准确，应适当延长观看平稳状态的时刻。4 .在测量进程中，不断校准平稳电压，每一次测量都要记录平稳电压值。假设发觉平稳电压有明显改变，那么应作为一颗新的油滴记录其测量数据。分析与试探1 .未加任何电压的情形下，一个油淌下落极块或极慢的缘故是什么？对测量会带来什么阻碍？2 .假设一个油滴所需平稳电压太大或过小，各说明了什么？3 .在一个油滴测量进程中，发