密立根油滴實(shí)驗(yàn)（課堂PPT）

1、.1 龍巖學(xué)院 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)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(gè)以物理學(xué)最富革命性的發(fā)展為其特他生活和工作在一個(gè)以物理學(xué)最富革命性的發(fā)展為其特征的時(shí)期，在這段時(shí)期建立的許多概念構(gòu)成了我們今天征的時(shí)期，在這段時(shí)期建立的許多概念構(gòu)成了我們今天物理觀念的基礎(chǔ)。物理觀念的基礎(chǔ)。 密立根設(shè)計(jì)了一種研究油滴在電場(chǎng)和重力場(chǎng)作用下密立根設(shè)計(jì)了一種研究油滴在電場(chǎng)和重力場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的方法。這一實(shí)驗(yàn)后來被稱做油滴實(shí)驗(yàn)，比起較早的運(yùn)動(dòng)的

2、方法。這一實(shí)驗(yàn)后來被稱做油滴實(shí)驗(yàn)，比起較早的方法這是一項(xiàng)重大改進(jìn)，用它得到了可靠并且可以重復(fù)測(cè)方法這是一項(xiàng)重大改進(jìn)，用它得到了可靠并且可以重復(fù)測(cè)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(duì)最終建立物質(zhì)的原子論有著重大的作用。性，這對(duì)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(shí)驗(yàn)原理2. 實(shí)驗(yàn)儀器3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4. 實(shí)驗(yàn)拓展.41. 實(shí)驗(yàn)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(shí)，一般都帶上電荷，假如油板之間，油在噴射撕裂成油滴時(shí)，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(shí)受到重力和電場(chǎng)力兩個(gè)力的作用。滴在極板間同時(shí)受到重力和電場(chǎng)力兩個(gè)力的作用。E 為兩極為兩極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。板間的電場(chǎng)強(qiáng)度。 dqemg.5mgf1f2此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)中，并保持平衡。此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場(chǎng)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(chǎng)力平衡，則有關(guān)系式：力和電場(chǎng)力平衡，則有關(guān)系式： 平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自由下落，下落平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自由下落，下落過程中受三個(gè)

4、力的作用：重力過程中受三個(gè)力的作用：重力mg ；空氣浮力；空氣浮力f1 ；空氣；空氣對(duì)它的阻力對(duì)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(shè)油滴的由于表面張力的作用，油滴一般呈小球狀。設(shè)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(dāng)油滴下落速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，油滴所受合外力等當(dāng)油滴下落速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，油滴所受合外力等于零時(shí)，油滴勻速下降。此時(shí)有：于零時(shí)，油滴勻速下降。此

5、時(shí)有：.8 ga29pab1pabaf162當(dāng)當(dāng) 時(shí)，空氣浮力可以忽略。有時(shí)，空氣浮力可以忽略。有 實(shí)驗(yàn)中油滴半徑約為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的基本公式。式中此式是本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，單位為厘為大氣壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。米汞高。.102.

6、 實(shí)驗(yàn)儀器密立根油滴儀，電壓顯示電壓顯示計(jì)時(shí)顯示計(jì)時(shí)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(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)開關(guān)電源開關(guān)電源開關(guān)計(jì)時(shí)鍵計(jì)時(shí)鍵.11開關(guān)開關(guān)對(duì)比度調(diào)節(jié)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xí)控制油滴練習(xí)控制油滴4 4、練習(xí)選擇油滴練習(xí)選擇油滴5 5、對(duì)同一油滴進(jìn)行對(duì)同一油滴進(jìn)行25302530次測(cè)量次測(cè)量 .13：調(diào)節(jié)水平螺絲調(diào)節(jié)水平螺絲 ，使水準(zhǔn)泡指示水平，使水準(zhǔn)泡指示水平，極板處于水平位置，電場(chǎng)

7、方向與重力平行。極板處于水平位置，電場(chǎng)方向與重力平行。 .14調(diào)節(jié)監(jiān)視器的對(duì)比度和亮度旋鈕調(diào)節(jié)監(jiān)視器的對(duì)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(guān)扳向工作電壓選擇：開關(guān)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(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。度不合

8、適，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，可轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡上如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，可轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡上的圓的圓 形形CCD CCD ，使油滴沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。，使油滴沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。.16 測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的技巧。測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)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(guān)置壓選擇開關(guān)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(yùn)動(dòng)的為止。注意其中的一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)的為止。注意其中的一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉平衡電壓，讓它電壓，使這顆油滴靜止

9、不動(dòng)。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(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)。升。如此反復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)。.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(shí)間不容易測(cè)但帶電量比較多，下降速度較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓電壓200200伏左右時(shí)（需要仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓），伏左右時(shí)（需要仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓），使某個(gè)油滴靜止不動(dòng)，然后去掉平衡電壓（即把使某個(gè)油滴靜止不動(dòng)，然后去掉平衡電

10、壓（即把工作電壓選擇開關(guān)扳向工作電壓選擇開關(guān)扳向“下落下落”位置），按下計(jì)時(shí)位置），按下計(jì)時(shí)按鈕，尋找在按鈕，尋找在1010秒以上時(shí)間內(nèi)勻速下降秒以上時(shí)間內(nèi)勻速下降2 2毫米的毫米的油滴（這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)）。油滴（這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)）。.181） 實(shí)驗(yàn)中需直接測(cè)量平衡電壓U和油滴勻速下降2毫米距離所用時(shí)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(shí)是加速運(yùn)動(dòng)，不宜記時(shí)。下落一段距離后，可認(rèn)為空氣阻力與重力相等，記時(shí)開始。運(yùn)動(dòng)距離 L（取 L=2.00mm），記時(shí)停止。記時(shí)停止后，應(yīng)立即加平衡電壓，防止油滴丟

11、失。然后再扳向“提升”，當(dāng)油滴上升到上方時(shí)，再扳向“平衡”。重復(fù)上述過程，對(duì)同一油滴進(jìn)行2530次測(cè)量，每次測(cè)量開始都要重新調(diào)節(jié)平衡電壓。.19 完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適的油滴。完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適的油滴。測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇合測(cè)量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗。適的油滴。否則就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗。 實(shí)驗(yàn)中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較實(shí)驗(yàn)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(shí)間不容易測(cè)亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明顯

12、。通常選擇平衡電壓準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓200200伏左右伏左右的油滴，這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)。的油滴，這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)。.202 2、通過對(duì)該攜帶離子的油滴在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中行、通過對(duì)該攜帶離子的油滴在電場(chǎng)和重力場(chǎng)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(shí)驗(yàn)做到并證明了以下幾點(diǎn)：密立根油滴實(shí)驗(yàn)做到并證明了以下幾點(diǎn)：1 1、使一滴微油滴帶上單個(gè)或、使一滴微油滴帶上單個(gè)或11501150個(gè)之間的任何一個(gè)個(gè)之間的任何一個(gè)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(fù)，、大多數(shù)電離空氣的離子，不論為正還是為負(fù)，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(shè)都無關(guān)地測(cè)定出基本、所有值得商榷的理論假設(shè)都無關(guān)地測(cè)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(cè)量可達(dá)到系數(shù)測(cè)量可達(dá)到的精度的限制。的精度的限制。 5 5、直接測(cè)定一個(gè)分子騷動(dòng)動(dòng)能的數(shù)量級(jí)，這為物、直接測(cè)定一個(gè)分子騷動(dòng)動(dòng)能的