R-密立根油滴實驗-WFH-LZC

1、密立根油滴實驗王福合王福合劉戰(zhàn)存劉戰(zhàn)存董巧燕董巧燕密立根榮獲密立根榮獲1923年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎 密立根密立根(Robert Andrews Millikan) 在在19071913年間做了一連串實年間做了一連串實驗，一方面驗，一方面用實驗驗證了電荷是由用實驗驗證了電荷是由相同的單元組成的，且相同的單元組成的，且準確地測定準確地測定電子的電荷值，另一方面驗證了愛電子的電荷值，另一方面驗證了愛因斯坦的光電效應方程，測得了普因斯坦的光電效應方程，測得了普朗克常數(shù)的精密數(shù)值。因在基本電朗克常數(shù)的精密數(shù)值。因在基本電荷和光電效應方面的研究而獲得荷和光電效應方面的研究而獲得1923年諾貝爾物理

2、學獎。年諾貝爾物理學獎。實驗目的l通過對帶電油滴在重力場和靜電場中運動通過對帶電油滴在重力場和靜電場中運動的測量，驗證電荷的的測量，驗證電荷的“量子化量子化”，即電量，即電量不是連續(xù)變化的，測定電子的電荷值；不是連續(xù)變化的，測定電子的電荷值；l通過對儀器的調(diào)整練習選擇、跟蹤油滴，通過對儀器的調(diào)整練習選擇、跟蹤油滴，調(diào)整電壓使油滴平衡，了解調(diào)整電壓使油滴平衡，了解CCD圖像傳感圖像傳感器的原理并練習使用器的原理并練習使用CCD系統(tǒng)進行測量。系統(tǒng)進行測量。實驗原理dqEmg用噴霧器將油噴入兩塊相距為用噴霧器將油噴入兩塊相距為d d 的的水平水平放置的平行極放置的平行極板之間，油在噴射撕裂成油滴時，

3、一般都帶上電荷，板之間，油在噴射撕裂成油滴時，一般都帶上電荷，假如油滴的質(zhì)量為假如油滴的質(zhì)量為m m，所帶的電量為，所帶的電量為q q，兩極板間的電，兩極板間的電壓為壓為U U。油滴在極板間同時受到重力和電場力兩個力。油滴在極板間同時受到重力和電場力兩個力的作用。的作用。E E 為兩極板間的電場強度。為兩極板間的電場強度。l如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U 可使重可使重力和電場力平衡，則有關系式：力和電場力平衡，則有關系式：l此時油滴會靜止地懸浮在電場中，此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并保持平衡。并保持平衡。lm=?mgf1(1) dUqqEmg實驗原理實驗原理l由于表面張力的作

4、用，油滴一般呈小球狀。由于表面張力的作用，油滴一般呈小球狀。設油滴的密度為設油滴的密度為，半徑為，半徑為a，則油滴的質(zhì)，則油滴的質(zhì)量量m為：為：l重力可表示為重力可表示為：la=?334am gamg334 實驗原理 空氣阻力可表示為空氣阻力可表示為: 當油滴下落速度達到某一數(shù)值時，油滴所當油滴下落速度達到某一數(shù)值時，油滴所受合外力等于零時，油滴勻速下降。此時受合外力等于零時，油滴勻速下降。此時有：有：af62a6ga343(2) g29a 實驗原理 實驗中油滴半徑約為實驗中油滴半徑約為10-6m左右，此半徑左右，此半徑與空氣分子間的間隙大致相等，因此空氣與空氣分子間的間隙大致相等，因此空氣的

5、粘滯系數(shù)修改為：的粘滯系數(shù)修改為：將此帶入將此帶入(2)式后，再求解方程式后，再求解方程(1)可得：可得：pab1(3) )(23pab1tLUdg218q實驗原理(3) )(23pab1tLUdg218q1重力加速度重力加速度: g = 9.80 ms-2 2油的密度油的密度: = 981 kgm-3 3空氣的粘滯系數(shù)空氣的粘滯系數(shù): =1.8310-5 Pas 4大氣壓強大氣壓強: P=1.0133105 Pa 5修正常數(shù)修正常數(shù): b=8.2210-3 mPa6平行極板間的距離平行極板間的距離: d=5.0010-3 m實驗裝置電壓顯示電壓顯示計時顯示計時顯示油霧室油霧室平衡水泡平衡水泡

6、CCD聚焦調(diào)節(jié)聚焦調(diào)節(jié)平衡電壓平衡電壓調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換開關開關電源開關電源開關計時鍵計時鍵密立根油滴儀密立根油滴儀實驗裝置油滴盒結(jié)構(gòu)： 油滴盒是由兩塊經(jīng)過精磨的平油滴盒是由兩塊經(jīng)過精磨的平行極板，上極板中央有一個直行極板，上極板中央有一個直徑徑0.4毫米的小孔，油滴從油霧毫米的小孔，油滴從油霧室經(jīng)油霧孔落入小孔，進入上室經(jīng)油霧孔落入小孔，進入上下極板之間。油滴盒防風罩前下極板之間。油滴盒防風罩前裝有裝有CCD，用以觀察平行極板，用以觀察平行極板間的油滴。間的油滴。實驗裝置開關開關對比度調(diào)節(jié)對比度調(diào)節(jié)亮度調(diào)節(jié)亮度調(diào)節(jié)垂直顯示調(diào)節(jié)垂直顯示調(diào)節(jié)水平顯示調(diào)節(jié)水平顯示調(diào)節(jié)2mm實驗裝置 CCD是

7、英文是英文Charge Coupled Device的縮寫，的縮寫，即電荷耦合器件，它是一種以電荷量反映光即電荷耦合器件，它是一種以電荷量反映光量大小，用耦合方式傳輸電荷量的新器件。量大小，用耦合方式傳輸電荷量的新器件。 它具有自掃描、光譜范圍寬、動態(tài)范圍大、它具有自掃描、光譜范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小、功耗低、壽命長、可靠性高等一系體積小、功耗低、壽命長、可靠性高等一系列優(yōu)點。自列優(yōu)點。自1970年問世以來，發(fā)展迅速，應年問世以來，發(fā)展迅速，應用廣泛，用廣泛，2009年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。思考題在我們的實驗中，油滴是怎樣獲得電荷的？油滴所在我們的實驗中，油滴是怎樣獲得電荷的？油滴所帶電

8、荷同性嗎？帶電荷同性嗎？應選什么樣的油滴進行測量？選太小的油滴對測量應選什么樣的油滴進行測量？選太小的油滴對測量有什么影響？選太大或帶電太多的油滴又存在什么有什么影響？選太大或帶電太多的油滴又存在什么問題？問題？為什么用油滴而不用水滴來測定電荷？為什么用油滴而不用水滴來測定電荷？觀察中發(fā)現(xiàn)油滴的像變模糊，為什么？如何處理？觀察中發(fā)現(xiàn)油滴的像變模糊，為什么？如何處理？在未知在未知e=1.60210-19C時，怎樣利用實驗數(shù)據(jù)求出時，怎樣利用實驗數(shù)據(jù)求出e=？實驗內(nèi)容 1調(diào)整儀器： 將儀器放平，調(diào)節(jié)底部的左、右兩只調(diào)平螺絲，使將儀器放平，調(diào)節(jié)底部的左、右兩只調(diào)平螺絲，使位于防風罩內(nèi)油滴盒附近的水準

9、泡指示水平，此時位于防風罩內(nèi)油滴盒附近的水準泡指示水平，此時平行極板處于水平位置。平行極板處于水平位置。 開機預熱開機預熱10分鐘。分鐘。水準泡水準泡實驗內(nèi)容1 1調(diào)整儀器調(diào)整儀器：l 將電壓轉(zhuǎn)換開關扳向?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換開關扳向“Down(下落下落)”位置，將專位置，將專用油從噴霧口噴入用油從噴霧口噴入(只噴一次少量即可只噴一次少量即可)，適當對，適當對CCD調(diào)焦即可從監(jiān)視屏上可看到大量的油滴。調(diào)焦即可從監(jiān)視屏上可看到大量的油滴。l 從監(jiān)視器熒光屏從監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運上觀察油滴的運動。如果油滴斜動。如果油滴斜向運動，則可轉(zhuǎn)向運動，則可轉(zhuǎn)動動CCD，使觀察使觀察到的油滴沿豎直到的油滴沿豎直方向

10、下落。方向下落。實驗內(nèi)容2. 練習測量 練習控制油滴：噴入油滴后，在平行極板上加上練習控制油滴：噴入油滴后，在平行極板上加上250V250V左右的平衡電壓，工作電壓選擇開關放在左右的平衡電壓，工作電壓選擇開關放在“Balance Balance ( (平衡平衡) )”檔，則不需要的大量油滴會被驅(qū)走，剩下幾檔，則不需要的大量油滴會被驅(qū)走，剩下幾個緩慢運動的油滴。個緩慢運動的油滴。 選中其中的某一個油滴，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，直到使選中其中的某一個油滴，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，直到使這個油滴靜止不動。這個油滴靜止不動。 然后將平衡電壓置于然后將平衡電壓置于“DownDown”，油滴會自由下落；下，油滴會自由

11、下落；下落一段距離后再加上落一段距離后再加上“Up(Up(提升提升) )”電壓，使油滴上升。電壓，使油滴上升。如此反復多次進行練習，以達到熟練控制和測量油滴如此反復多次進行練習，以達到熟練控制和測量油滴的目的。的目的。實驗內(nèi)容3. 3. 選擇合適的油滴選擇合適的油滴 油滴體積不能太大，太大的油滴一般帶電荷油滴體積不能太大，太大的油滴一般帶電荷很多才能取得平衡；它的下落速度比較快，很多才能取得平衡；它的下落速度比較快，時間不易測準。時間不易測準。 太小的油滴布朗運動明顯，測量過程中容易太小的油滴布朗運動明顯，測量過程中容易丟失。丟失。 通?？梢赃x擇平衡電壓在通?？梢赃x擇平衡電壓在200V左右的，

12、油滴左右的，油滴勻速下落勻速下落2mm時間約時間約1535s的油滴，其大小的油滴，其大小和電量都比較合適。和電量都比較合適。 實驗內(nèi)容3.3.正式測量正式測量用平衡測量法測量油滴勻速下降一段距離用平衡測量法測量油滴勻速下降一段距離 l 時要測量時要測量的有兩個量的有兩個量: (1)平衡電壓平衡電壓U平衡電壓必須經(jīng)過仔細的調(diào)節(jié)，并將油滴置于屏幕上平衡電壓必須經(jīng)過仔細的調(diào)節(jié)，并將油滴置于屏幕上某條橫線附近，以便準確判斷出這顆油滴是否達到平某條橫線附近，以便準確判斷出這顆油滴是否達到平衡。衡。(2)油滴勻速下降一段距離油滴勻速下降一段距離 l 所需要的時間所需要的時間 tl 測量時間測量時間t 時，

13、為了在按動計時器時有所準備，應時，為了在按動計時器時有所準備，應先讓它下降一段距離后再測量時間。先讓它下降一段距離后再測量時間。l 選定測量的一段距離選定測量的一段距離l，應該在平衡極板之間的中央，應該在平衡極板之間的中央部分。若太靠近上極板，電場不均勻，會影響測量部分。若太靠近上極板，電場不均勻，會影響測量結(jié)果。太靠近下電極板，測量完時間后，油滴容易結(jié)果。太靠近下電極板，測量完時間后，油滴容易丟失，影響測量。丟失，影響測量。l 一般取一般取l=2mm比較合適。比較合適。實驗內(nèi)容實驗要求l對同一顆油滴進行對同一顆油滴進行610次測量，而且每次次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓。列表記錄測測量都要重新調(diào)整平衡電壓。列表記錄測量結(jié)果，利用倒證法求出電荷數(shù)量結(jié)果，利用倒證法求出電荷數(shù)n和基本電和基本電荷值荷值e。l對多個（至少對多個（至少3個）油滴進行測量處理。個）油滴進行測量處理。注意事項l 噴油前將噴油前將油霧孔擋板上的圓孔與油霧孔對齊，油霧孔擋板上的圓孔與油霧孔對齊，噴噴油后