密立根油滴實驗近代物理實驗論文

1、 近代物理實驗論文 密立根油滴測電子電荷 學(xué)院：理學(xué)院 班級： 姓名： 學(xué)號：密立根油滴測電子電荷摘要：密立根油滴實驗可以測量油滴的電量，并可驗證電荷的量子性，即任何帶電體所帶的電量都是基本的整數(shù)倍。OM98型油滴儀將油滴噴入電容兩塊水平的平行電極板之間時，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場的情況下，小油滴受重力作用而下落，當(dāng)重力與空氣的浮力（或者阻力）和粘滯阻力平衡時，它便勻速下降，或者平衡在某一點，通過測量下降一定高度的時間從而計算得出油滴的帶電量。本實驗難度較大，且存在不可避免的誤差，測量物體帶電量還有其他方法這里不再贅述。關(guān)鍵字：密立根油滴實驗、顯微攝像油滴儀（OM98型）、油滴

2、引言：密立根油滴實驗，美國物理學(xué)家密立根所做的測定電子電荷的實驗。1907-1913年密立根用在電場和重力場中運動的帶電油滴進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數(shù)倍，該最小電荷值就是電子電荷。1、 實驗?zāi)康?、利用電視顯微密立根油滴儀測量電子電荷。2、了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用，學(xué)習(xí)電視顯微測量方法。2、 實驗背景 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實了這個比值是唯一的。許多科學(xué)家為測量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國科學(xué)家密立根于1917年用實驗測得

3、的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測量，他作了幾千次測量，一個油滴要盯住幾個小時，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗，精確地測定基本電荷量e的過程，是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。為了實現(xiàn)精確測量，他創(chuàng)造了實驗所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測量和控制。開始他是用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，不能得到滿意的結(jié)果，后來改用了揮發(fā)性小的油滴。最初，由實驗數(shù)據(jù)通過公式計算出的e值隨油滴的減小而增大，面對這一情況，密立根經(jīng)過分析后認(rèn)為導(dǎo)致這個謬誤的原因在于，實驗中選用的油滴很小，對它來說，空氣已不能看作連續(xù)媒質(zhì)，斯托克斯定律已不適用，因此他通過分析和實驗對斯托克斯

4、定律作了修正，得到了合理的結(jié)果。三、實驗儀器OM98型油滴儀、顯微攝像油滴儀4、 實驗原理與操作一個質(zhì)量為m，帶電量為的油滴處在二塊平行極板之間，在平行極板未加電壓時，油滴受重力作用而加速下降，由于空氣阻力的作用，下降一段距離后，油滴將作勻速運動，速度為Vg，這時重力與阻力平衡（空氣浮力忽略不計），如圖1所示。根據(jù)斯托克斯定律，粘滯阻力為 圖1 式中是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑，這時有 圖 2當(dāng)在平行極板上加電壓V時，油滴處在場強(qiáng)為的靜電場中，設(shè)電場力q與重力相反，如圖2所示，使油滴受電場力加速上升，由于空氣阻力作用，上升一段距離后，油滴所受的空氣阻力、重力與電場力達(dá)到平衡（空氣浮力忽略不計

5、），則油滴將以勻速上升，此時速度為，則有： 又因為 由上述（）、（）、（）式可解出 為測定油滴所帶電荷，除應(yīng)測出、和速度、外，還需知油滴質(zhì)量，由于空氣中懸浮和表面張力作用，可將油滴看作圓球，其質(zhì)量為 式中是油滴的密度。由（）和（）式，得油滴的半徑 考慮到油滴非常小，空氣已不能看成連續(xù)媒質(zhì)，空氣的粘滯系數(shù)應(yīng)修正為 式中為修正常數(shù)，為空氣壓強(qiáng)，為未經(jīng)修正過的油滴半徑，由于它在修正項中，不必計算得很精確，由（）式計算就夠了實驗時取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，設(shè)都為l，測出油滴勻速下降的時間，勻速上升的時間e，則 將（）、（）、（）、（）式代入（），可得令得/V 此式是動態(tài)（非平衡）法測油滴電荷

6、的公式。下面導(dǎo)出靜態(tài)（平衡）法測油滴電荷的公式。調(diào)節(jié)平行極板間的電壓，使油滴不動，Ve=0，即，由上式可得或者 上式即為靜態(tài)法測油滴電荷的公式。為了求電子電荷，對實驗測得的各個電荷求最大公約數(shù)，就是基本電荷的值，也就是電子電荷，也可以測得同一油滴所帶電荷的改變量（可以用紫外線或放射源照射油滴，使它所帶電荷改變），這時應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，此最小單位即為基本電荷。5、 實驗步驟1、儀器調(diào)整調(diào)節(jié)儀器底座上的三只調(diào)平手輪，將水泡調(diào)平。由于底座空間較小,調(diào)手輪時如將手心向上,用中指和無名指夾住手輪調(diào)節(jié)較為方便。噴霧器內(nèi)的油不可裝得太滿，否則會噴出很多“油”而不是“油霧”，堵塞上電極的落油孔。每

7、次實驗完畢應(yīng)及時揩擦上極板及油霧室內(nèi)的積油！噴油時噴霧器的噴頭不要深入噴油孔內(nèi)，防止大顆粒油滴堵塞落油孔。噴霧器的汽囊不耐油，實驗后，將汽囊與金屬件分離保管較好，可延長使用壽命。 如需打開油滴儀檢查，一定要拔下電源插頭再進(jìn)行！2、測量練習(xí)練習(xí)是順利做好實驗的重要一環(huán)，包括練習(xí)控制油滴運動，練習(xí)測量油滴運動時間和練習(xí)選擇合適的油滴。選擇一顆合適的油滴十分重要。大而亮的油滴必然質(zhì)量大，所帶電荷也多，而勻速下降時間則很短，增大了測量誤差和給數(shù)據(jù)處理帶來困難。通常選擇平衡電壓為200300，勻速下落1.5mm的時間在8 - 20S左右的油滴較適宜。噴油后，置“平衡”檔,調(diào)W使極板電壓為200300，注

8、意幾顆緩慢運動、較為清晰明亮的油滴。置“0V”檔時，觀察各顆油滴下落大概的速度，從中選一顆作為測量對象。對于英寸監(jiān)視器，目視油滴直徑在0.51mm左右的較適宜。過小的油滴觀察困難,布朗運動明顯，會引入較大的測量誤差。判斷油滴是否平衡要有足夠的耐性。用將油滴移至某條刻度線上，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，這樣反復(fù)操作幾次，經(jīng)一段時間觀察油滴確實不再移動才認(rèn)為是平衡了。測準(zhǔn)油滴上升或下降某段距離所需的時間，一是要統(tǒng)一油滴到達(dá)刻度線什么位置才認(rèn)為油滴已踏線，二是眼睛要平視刻度線，不要有夾角。反復(fù)練習(xí)幾次，使測出的各次時間的離散性較小。3、正式測量用平衡測量法、動態(tài)測量法和同一油滴改變電荷法（第三種方法所用的射線

9、源用戶自備）。如采用平衡法測量，可將已調(diào)平衡的油滴用控制移到“起跑”線上，按K3（計時停），讓計時器停止計時，然后將撥向“0V”，油滴開始勻速下降的同時，計時器開始計時。到“終點”時迅速將撥向“平衡”，油滴立即靜止，計時也立即停止。動態(tài)法是分別測出加電壓時油滴上升的速度和不加電壓時油滴下落的速度，代入相應(yīng)公式，求出e值。油滴的運動距離一般取1mm1.5mm。對某顆油滴重復(fù)510次測量，選擇1020顆油滴，求得電子電荷的平均值。在每次測量時都要檢查和調(diào)整平衡電壓，以減小偶然誤差和因油滴揮發(fā)而使平衡電壓發(fā)生變化。六、實驗數(shù)據(jù)處理=1.59=0.6%n112513.1213.0312.8413.05

10、13.0121.20141.51211915.0215.2614.7114.7314.9311.1671.59318122.5222.4922.7422.5722.586.4441.61419816.7616.5816.7716.8416.759.3861.56510018.1018.3118.2418.2718.2316.28101.63615713.6513.7613.8413.8313.7716.04101.60722124.4024.3624.3524.3724.374.6831.56811011.5411.5011.6211.5011.5430.10191.58910420.5820

11、.6120.6820.6520.6312.9181.611016520.7620.8320.8520.8420.828.0251.60實驗條件： 油的密度 （20）重力加速度 空氣粘滯系數(shù) 油滴勻速下降距離 修正常數(shù) 大氣壓強(qiáng) 平行極板間距離 注： n第幾個油滴， t1-t4每個油滴測時間四次（s）， V平平衡電壓（伏），t1-t4的平均值（s）， N每個油滴帶幾個電子， 由第i個油滴算出的一個電子的電量， 由10個油滴算出的電子電量的平均值（1019c）七、誤差分析1 理論誤差 因為油的密度、空氣的粘滯系數(shù)都是溫度的函數(shù), 重力加速度g 和大氣壓強(qiáng)p 又隨實驗地點和實驗條件的變化而變化,但是

12、一般條件下,計算的誤差只有百分之一左右。因此式(10) 是可取的,它給實驗結(jié)果的計算帶來了方便。2 測量誤差a、密立根油滴實驗是一個操作技巧要求較高的實驗, 因此, 在實驗儀器相同的情況下, 測量誤差除了由系統(tǒng)誤差引起的部分, 主要就是由測量人員的主觀素質(zhì)引起的偶然誤差形成的。b、選擇合適的油滴很重要,油滴的體積太大,大的油滴雖然容易觀察,但質(zhì)量大,必須帶很多電荷才能取得平衡,而且下落時間短,結(jié)果不易測準(zhǔn)。油滴的體積過小,容易產(chǎn)生漂移,也會增大測量誤差。選擇那些質(zhì)量適中而帶電量不太多的油滴才是可取的, 可根據(jù)平衡電壓的大小(約200V) 和油滴勻速下降的時間(約1535s) 來判斷油滴的大小和帶電量的多少。