大学物理实验：实验6-21 密立根油滴实验

1、实验实验6.216.21密立根油滴实验密立根油滴实验 华南理工大学实验物理中心密立根油滴实验密立根油滴实验 1907-1913年密立根用在电场和重力场中年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。小电荷值就是电子电荷。1923年获得了诺贝年获得了诺贝尔物理学奖尔物理学奖。 密立根油滴实验获得两项重大的成果： 一是证明了任何带电物体所带的电荷都是基本电荷e的整数倍，并精确测出了基本电荷的数值； 二是明确了电荷的不连续性，即电荷具有量子性。实验

2、目的实验目的v(1)通过密立根油滴实验来验证电荷的“量子化”。v(2) 测定电子的电荷值。 v(3)学习该实验的设计思想和实验方法。 实验原理实验原理 通过带电油滴在电场和重力场中受力和运动情况，测定基本电荷的电量。按油滴静止或作匀速运动两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为平衡测量法和动态测量法。 实验原理实验原理平衡法测油滴带电量平衡法测油滴带电量dUqEmg 一个质量为m、带电量为q的油滴处在两块加有电压U的平行板之间。受到平行板间静电场力（qE）、自身重力（mg）的作用(空气的浮力忽略不计)。油滴平衡时，有 qEmg 由于表面张力的作用，可将油滴看作半径为 的圆球, ,rgrmg334

3、v当平行板不加电压时，油滴受到重力作用而加速下降，由于油滴粘滞阻力（Fr）的作用，油滴下降一段距离后，达到某一均匀速度Vg。根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时满足下式：grrVFgr3346gVrg29因此有, mgrfvgv可得平衡法测油滴电量公式为 prb1232123)()2()(18gVUdgq 考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，其粘度需作相应的修正 。p为空气压强，b为修正常数 dUE 式中实验原理实验原理修正后的半径为 prbgVrg11290上式中还包含油滴的半径，但因它处于修正项中，可以不十分精确，因此可以用右式计算。 gVrg29修正后的油滴带电量

4、公式为 23023212311)()2()(18prbVUdgqg实验时，当平行板电压为零时，让油滴作匀速运动，测出油滴下降距离为 l 时对应的时间tg ，则可得出ggtlV 修正后平衡法测油滴电量公式为修正后平衡法测油滴电量公式为 23023212311)()2()(18prbtlUdgqg已知参数值已知参数值钟油的密度 = 981 kg/m3重力加速度 g = 9.797 m / s2空气的粘滞系数 = 1.8310-5 kg /ms 油滴下降距离 l = 1.5010-3 m常数 b = 8.2210-3mPa大气压 P = 1.013105Pa平行极板距离 d = 5.0010-3 m

5、显示器显示器油滴实验装置油滴实验装置实验仪器实验仪器油滴电离室示意图油滴电离室示意图油滴电离室侧视图油滴电离室侧视图油滴电离室俯视图油滴电离室俯视图实验仪器实验仪器密立根油滴仪密立根油滴仪油雾室油雾室平衡水泡平衡水泡CCD物镜物镜极板电压极板电压转换开关转换开关计时键计时键平衡电压平衡电压调节调节ccd提升、平提升、平衡、下降衡、下降转换开关转换开关联动键联动键TVTV显示器显示器画面共显示8条横格，每条0.25mm，从最上条到最下条的间距是2mm。计时显示计时显示电压显示电压显示实验内容与步骤实验内容与步骤 -调整仪器v (1)油滴盒水平调节 调节油滴仪的水平螺钉，使水准仪的气泡移到中央，这

6、时平行极板处于水平位置，电场方向和重力平行。v (2 ) 显微镜调焦 将显微镜筒前端和底座前端对齐，然后喷油后再稍稍前后微调即可。在使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦1mm内的油滴较好 选择合适的油滴选择平衡电压150V左右，下降1.5mm（6格）时间8-20s的油滴v（1）将油滴仪的换向开关K1放在“+”或“-”上，功能键K2置于“平衡”档，调节平衡电压大约在150V左右。v （2）用喷雾器将油从喷雾口喷入（喷一次即可），推上油雾孔挡板，以免空气流动而使油滴乱漂移，微调CCD聚集，使能清晰的看到油滴。v（3）将K2开关置于“提升”或“0V”，观察到油滴能够上、下自如运动，然后将其移动在

7、屏幕上某刻度线上，将K2置于“平衡”档，细调平衡电压, 使之保持平衡。正式测量平衡法测量油滴电量 v（1）将已调平衡的油滴用K2移到“起跑”线上（一般取第2格上线）。v （2）将K2拨向“0V”，油滴开始下降的同时，计时器开始计时。到“终点”（一般取第7格下线）时迅速将拨向“平衡”，油滴立即静止，计时也立即停止（可将联动键打开）。记录此时的电压与时间。v（3）对于同一颗油滴，必须重复测量5次。v（4）另选3-4颗不同的油滴，用同样的方法进行测量。注意注意：选取油滴时每个油滴的平衡电压和下降时间不能相同。实验数据记录表格 油滴编号平衡电压 (V)平均电压油滴匀速下降时间 (s)平均时间q/e基本

8、电荷量 (c)V1V2V3V4V5t1t2t3t4t512345v方法一：先计算出各油滴的带电量，再求它们的最大公约数，即为基本电荷e值。 v 方法二：作图法求基本电荷e值。 （1）设实验得到m个油滴的带电量分别为q1， q2，.qm,由于电荷的量子化特性，应有qi=nie,此为一直线方程，n为自变量，q为因变量，e为斜率。 （2）m个油滴对应的数据在nq坐标系中将在同一条过原点的直线上，画出满足这一关系的曲线，求得斜率就是e值。 （3）将e值的实验值与公认值比较，求相对误差。数据处理数据处理2121nnqqe实验值： 相对误差： 10010000eeeEnqn1n2q1q2实验注意事项v（1）实验前必须调节水准泡；v （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；v（3）擦拭极板时要关掉电源，以免触电；实验时严禁打开油滴盒盖，以免触电。v（4）喷