密立根油滴實驗（課堂PPT）

1、.1 龍巖學院 基礎物理實驗中心.2 密立根密立根 (Bobert Andrew Millikan) 1868年年3月月22日生日生于美國伊利諾斯州的莫里森鎮(zhèn)于美國伊利諾斯州的莫里森鎮(zhèn) 他的父親是鎮(zhèn)上的牧師。他的父親是鎮(zhèn)上的牧師。他生活和工作在一個以物理學最富革命性的發(fā)展為其特他生活和工作在一個以物理學最富革命性的發(fā)展為其特征的時期，在這段時期建立的許多概念構成了我們今天征的時期，在這段時期建立的許多概念構成了我們今天物理觀念的基礎。物理觀念的基礎。 密立根設計了一種研究油滴在電場和重力場作用下密立根設計了一種研究油滴在電場和重力場作用下運動的方法。這一實驗后來被稱做油滴實驗，比起較早的運動的

2、方法。這一實驗后來被稱做油滴實驗，比起較早的方法這是一項重大改進，用它得到了可靠并且可以重復測方法這是一項重大改進，用它得到了可靠并且可以重復測量的電子電荷值。密立根令人信服地證明了電荷的不連續(xù)量的電子電荷值。密立根令人信服地證明了電荷的不連續(xù)性，這對最終建立物質(zhì)的原子論有著重大的作用。性，這對最終建立物質(zhì)的原子論有著重大的作用。.3目目 錄錄1. 實驗原理2. 實驗儀器3. 實驗內(nèi)容4. 實驗拓展.41. 實驗原理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的水平放置的平行極的水平放置的平行極板之間，油在噴射撕裂成油滴時，一般都帶上電荷，假如油板之間，油在噴射撕裂成油滴時，一般都帶

3、上電荷，假如油滴的質(zhì)量為滴的質(zhì)量為m ，所帶的電量為，所帶的電量為q，兩極板間的電壓為，兩極板間的電壓為U 。油。油滴在極板間同時受到重力和電場力兩個力的作用。滴在極板間同時受到重力和電場力兩個力的作用。E 為兩極為兩極板間的電場強度。板間的電場強度。 dqemg.5mgf1f2此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并保持平衡。此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并保持平衡。 dUqqEmg 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： 平行板不加電壓時，油滴在空氣中自由下落，下落平行板不加電壓時，油滴在空氣中自由下落，下落過程中受三個

4、力的作用：重力過程中受三個力的作用：重力mg ；空氣浮力；空氣浮力f1 ；空氣；空氣對它的阻力對它的阻力f2。 .6334am gamg334gaf3134 由于表面張力的作用，油滴一般呈小球狀。設油滴的由于表面張力的作用，油滴一般呈小球狀。設油滴的密度為密度為 ，半徑為，半徑為a ，則油滴的質(zhì)量，則油滴的質(zhì)量m為：為：重力及空氣浮力可表示為重力及空氣浮力可表示為：.7 af62空氣阻力可表示為空氣阻力可表示為 agaga6343433)(29ga 當油滴下落速度達到某一數(shù)值時，油滴所受合外力等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。此時有：于零時，油滴勻速下降。此

5、時有：.8 ga29pab1pabaf162當當 時，空氣浮力可以忽略。有時，空氣浮力可以忽略。有 實驗中油滴半徑約為實驗中油滴半徑約為1010-6-6m m 左右，此半徑與空氣分子左右，此半徑與空氣分子間的間隙大致相等，因此空氣的粘滯系數(shù)修改為：間的間隙大致相等，因此空氣的粘滯系數(shù)修改為：斯托克斯定律修改為斯托克斯定律修改為.9最終可得：最終可得： 2392)1 (218LgtpbtLUdgq此式是本實驗的基本公式。式中此式是本實驗的基本公式。式中b 為修正常數(shù)，為修正常數(shù)，b=6.1710-6m米米. 厘米汞高，厘米汞高，p為大氣壓強，單位為厘為大氣壓強，單位為厘米汞高。米汞高。.102.

6、 實驗儀器密立根油滴儀，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CCD物距調(diào)節(jié)物距調(diào)節(jié)平衡電壓平衡電壓調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電壓轉換電壓轉換開關開關電源開關電源開關計時鍵計時鍵.11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).123. 實驗內(nèi)容 要求：要求：1 1、熟悉儀器的使用熟悉儀器的使用2 2、調(diào)整儀器調(diào)整儀器 3 3、練習控制油滴練習控制油滴4 4、練習選擇油滴練習選擇油滴5 5、對同一油滴進行對同一油滴進行25302530次測量次測量 .13：調(diào)節(jié)水平螺絲調(diào)節(jié)水平螺絲 ，使水準泡指示水平，使水準泡指示水平，極板處于水平位置，電場

7、方向與重力平行。極板處于水平位置，電場方向與重力平行。 .14調(diào)節(jié)監(jiān)視器的對比度和亮度旋鈕調(diào)節(jié)監(jiān)視器的對比度和亮度旋鈕使監(jiān)視器屏幕處于極不太亮又不太暗的狀態(tài)。使監(jiān)視器屏幕處于極不太亮又不太暗的狀態(tài)。：工作電壓選擇：開關扳向工作電壓選擇：開關扳向“下落下落”位置，位置，將專用油從噴霧口噴入（只噴一次少量即可），從監(jiān)視屏上可將專用油從噴霧口噴入（只噴一次少量即可），從監(jiān)視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的物距不合適，或是監(jiān)視器的亮度的物距不合適，或是監(jiān)視器的亮度或?qū)Ρ然驅(qū)Ρ?度不合適，應該進行調(diào)整。度不合

8、適，應該進行調(diào)整。如油滴斜向運動，可轉動顯微鏡上如油滴斜向運動，可轉動顯微鏡上的圓的圓 形形CCD CCD ，使油滴沿垂直方向運動。，使油滴沿垂直方向運動。.16 測量數(shù)據(jù)之前應熟練掌握控制油滴的技巧。測量數(shù)據(jù)之前應熟練掌握控制油滴的技巧。方法是：在平行極板上加平衡電壓方法是：在平行極板上加平衡電壓250250伏左右，工作電伏左右，工作電壓選擇開關置壓選擇開關置“平衡平衡”檔，趨走不需要的油滴，直到剩下檔，趨走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的為止。注意其中的一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡幾顆緩慢運動的為止。注意其中的一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓，讓它電壓，使這顆油滴靜止

9、不動。然后去掉平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后再加自由下降，下降一段距離后再加“提升提升”電壓，使油滴上電壓，使油滴上升。如此反復多次地進行練習。升。如此反復多次地進行練習。.17 選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮，選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測準確。太小的油滴布朗運動明顯。通常選擇平衡準確。太小的油滴布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓電壓200200伏左右時（需要仔細調(diào)節(jié)平衡電壓），伏左右時（需要仔細調(diào)節(jié)平衡電壓），使某個油滴靜止不動，然后去掉平衡電壓（即把使某個油滴靜止不動，然后去掉平衡電

10、壓（即把工作電壓選擇開關扳向工作電壓選擇開關扳向“下落下落”位置），按下計時位置），按下計時按鈕，尋找在按鈕，尋找在1010秒以上時間內(nèi)勻速下降秒以上時間內(nèi)勻速下降2 2毫米的毫米的油滴（這時其大小和帶電量比較適當）。油滴（這時其大小和帶電量比較適當）。.181） 實驗中需直接測量平衡電壓U和油滴勻速下降2毫米距離所用時間t 。平衡電壓可從儀器上電壓表直接讀出。如下：將已選擇好的油滴升至視野的上方，然后去掉平衡電壓，油滴開始下落，此時是加速運動，不宜記時。下落一段距離后，可認為空氣阻力與重力相等，記時開始。運動距離 L（取 L=2.00mm），記時停止。記時停止后，應立即加平衡電壓，防止油滴丟

11、失。然后再扳向“提升”，當油滴上升到上方時，再扳向“平衡”。重復上述過程，對同一油滴進行2530次測量，每次測量開始都要重新調(diào)節(jié)平衡電壓。.19 完成本實驗的關鍵在于控制油滴和選擇合適的油滴。完成本實驗的關鍵在于控制油滴和選擇合適的油滴。測量數(shù)據(jù)之前應熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇合測量數(shù)據(jù)之前應熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會造成實驗失敗。適的油滴。否則就會造成實驗失敗。 實驗中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較實驗中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測準確。太小的油滴布朗運動明顯

12、。通常選擇平衡電壓準確。太小的油滴布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓200200伏左右伏左右的油滴，這時其大小和帶電量比較適當。的油滴，這時其大小和帶電量比較適當。.202 2、通過對該攜帶離子的油滴在電場和重力場中行、通過對該攜帶離子的油滴在電場和重力場中行為的研究，證明：所有電荷，不論是怎樣產(chǎn)生的，都是為的研究，證明：所有電荷，不論是怎樣產(chǎn)生的，都是某一確定基本電荷的精確倍數(shù)。某一確定基本電荷的精確倍數(shù)。密立根油滴實驗做到并證明了以下幾點：密立根油滴實驗做到并證明了以下幾點：1 1、使一滴微油滴帶上單個或、使一滴微油滴帶上單個或11501150個之間的任何一個個之間的任何一個所需數(shù)目的空氣離子。所需數(shù)目的空氣離子。3 3、大多數(shù)電離空氣的離子，不論為正還是為負，、大多數(shù)電離空氣的離子，不論為正還是為負，帶的都是基本電荷。帶的都是基本電荷。 .214 4、所有值得商榷的理論假設都無關地測定出基本、所有值得商榷的理論假設都無關地測定出基本電荷的精確值，其淮確程度只受空氣粘滯電荷的精確值，其淮確程度只受空氣粘滯系數(shù)測量可達到系數(shù)測量可達到的精度的限制。的精度的限制。 5 5、直接測定一個分子騷動動能的數(shù)量級，這為物、直接測定一個分子騷動動能的