密里根油滴儀

1、 實驗二十七實驗二十七 密里根油滴儀測電子電荷密里根油滴儀測電子電荷Experiment 34 Determining electron charge using the Millikan oil-drop apparatus 美國物理學(xué)家密立根（美國物理學(xué)家密立根（R.R.、A A、MillikanMillikan）從）從19091909到到19171917年所做的測年所做的測量微小油滴上所帶電荷的工作，即所量微小油滴上所帶電荷的工作，即所謂油滴實驗，在全世界久負(fù)盛名，堪謂油滴實驗，在全世界久負(fù)盛名，堪稱實驗物理的典范。他精確的測定了稱實驗物理的典范。他精確的測定了電子電荷的值，直接證實了電

2、荷的不電子電荷的值，直接證實了電荷的不連續(xù)性，所以說，密立根油滴實驗在連續(xù)性，所以說，密立根油滴實驗在物理學(xué)發(fā)展史上具有重要的意義。物理學(xué)發(fā)展史上具有重要的意義。 歷史背景及意義歷史背景及意義 一個電子所帶的電荷量是現(xiàn)代物理學(xué)重要的基本常數(shù)之一。 1897年湯姆遜測定了陰極射線的荷質(zhì)比，證實了陰極年湯姆遜測定了陰極射線的荷質(zhì)比，證實了陰極射線是帶電荷有質(zhì)量的離子，從而證實了電子的存在。射線是帶電荷有質(zhì)量的離子，從而證實了電子的存在。美國杰出的物理學(xué)家密立根，從美國杰出的物理學(xué)家密立根，從1906年起就致力于細(xì)小年起就致力于細(xì)小油滴帶電量的測量，他用了油滴帶電量的測量，他用了11年時間，經(jīng)過多次

3、重大改年時間，經(jīng)過多次重大改進，終于以上千個油滴的確鑿實驗數(shù)據(jù)得出基本電荷的進，終于以上千個油滴的確鑿實驗數(shù)據(jù)得出基本電荷的電量電量e=(1.59240.0017)10-19C，首先直接證實了電，首先直接證實了電荷的量子性，即任何電量都是基本電荷的整數(shù)倍，這個荷的量子性，即任何電量都是基本電荷的整數(shù)倍，這個基本電荷就是電子所帶的電荷，密立根因測出電子電荷基本電荷就是電子所帶的電荷，密立根因測出電子電荷及其他方面的貢獻，榮獲及其他方面的貢獻，榮獲1923年度諾貝爾物理獎。年度諾貝爾物理獎。 1. 利用電視顯微密立根油滴儀測量電子電荷利用電視顯微密立根油滴儀測量電子電荷 本實驗要求采用靜本實驗要求

4、采用靜 態(tài)（平衡）法。態(tài)（平衡）法。 【實驗?zāi)康摹緦嶒災(zāi)康摹?experiment goal2. 了解了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用，學(xué)習(xí)圖像傳感器的原理與應(yīng)用，學(xué)習(xí) 電視顯微測量方法。電視顯微測量方法。 CCD，是英文Charge Coupled Device的縮寫，即電荷耦合器件，CCD使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變出信號電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，并借助于計算機的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。CCD圖像傳感器

5、圖像傳感器靜態(tài)靜態(tài)(平衡平衡)測量法測量法: 一個質(zhì)量為一個質(zhì)量為m帶電量為帶電量為q的油滴處在兩塊平的油滴處在兩塊平行極板之間，行極板之間，【實驗原理【實驗原理】 Experiment principium1、平行極板之間加上電壓時，、平行極板之間加上電壓時，調(diào)節(jié)兩極板間的電壓調(diào)節(jié)兩極板間的電壓UdUqqEmg（1）Udmgq 2、在平行極板未加電壓時，、在平行極板未加電壓時，油滴受重力作用而加速下降。由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，速度離后，油滴將作勻速運動，速度為為vg。這時重力與阻力平衡（空。這時重力與阻力平

6、衡（空氣浮力忽略不計），根據(jù)斯托克氣浮力忽略不計），根據(jù)斯托克斯定律，粘滯阻力為斯定律，粘滯阻力為 式中，式中，是空氣的粘滯系數(shù)，是空氣的粘滯系數(shù)， a是油滴的半是油滴的半徑。這時有徑。這時有 mgvafgr6（2） 由質(zhì)量、體積與密度的關(guān)系有334mgvg29（3）由（由（2）與（）與（3）對于半徑小到對于半徑小到10-6米的小球，空氣的粘滯系數(shù)米的小球，空氣的粘滯系數(shù)應(yīng)作如下修正應(yīng)作如下修正（4）pabgvg1129（5）由（由（3）與（）與（5）有）有23112934pabgvmg（6）lgt當(dāng)兩極板間的電壓V為零時，設(shè)油滴勻速下降的距離為 時間為 ，有g(shù)gtlv （7）由（由（1）、（

7、）、（6）與（）與（7）有）有Udpabtlgqg231218（8）油滴的半徑 由(4)式計算 將將已知數(shù)據(jù)已知數(shù)據(jù)代入公式（代入公式（8）得）得Uttqgg102. 011043. 12314P208（15）電視顯微油滴儀電視顯微油滴儀:1. 油滴儀油滴儀2. CCD成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)【實驗儀器【實驗儀器】 Experiment apparatus實驗用油和噴油裝置實驗用油和噴油裝置 密立根油滴儀密立根油滴儀 顯示器顯示器 每格0.5mm【實驗步驟【實驗步驟】 Experiment step（一）儀器的檢查調(diào)整（一）儀器的檢查調(diào)整1. 將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整儀器油滴盒處于水平狀態(tài)。將儀器放平穩(wěn)，調(diào)

8、整儀器油滴盒處于水平狀態(tài)。2. 檢查油滴盒或油霧室是否擦拭干凈，特別注意檢查油滴盒或油霧室是否擦拭干凈，特別注意油滴盒上電極板中央的小孔保持暢通。油滴盒上電極板中央的小孔保持暢通。3. 打開監(jiān)視器和油滴儀的電源，在監(jiān)視器上顯示打開監(jiān)視器和油滴儀的電源，在監(jiān)視器上顯示 出分劃板刻度線及電壓和時間值。出分劃板刻度線及電壓和時間值。4. 利用噴霧器向油霧室噴油。轉(zhuǎn)動顯微鏡的調(diào)焦手輪，利用噴霧器向油霧室噴油。轉(zhuǎn)動顯微鏡的調(diào)焦手輪，使顯微鏡聚焦，屏幕上出現(xiàn)清晰的油滴圖像。使顯微鏡聚焦，屏幕上出現(xiàn)清晰的油滴圖像。（二）油滴的選擇與測量練習(xí)（二）油滴的選擇與測量練習(xí) 能夠選擇合適的油滴和準(zhǔn)確地操作測量油滴運

9、動能夠選擇合適的油滴和準(zhǔn)確地操作測量油滴運動是順利作好本實驗的關(guān)鍵。是順利作好本實驗的關(guān)鍵。1、置、置“平衡平衡”檔，調(diào)節(jié)檔，調(diào)節(jié)w板極電壓為板極電壓為250V左右。左右。噴射油霧，緩慢調(diào)節(jié)顯微鏡頭前后移動，觀察監(jiān)視噴射油霧，緩慢調(diào)節(jié)顯微鏡頭前后移動，觀察監(jiān)視器是否有油滴運動。器是否有油滴運動。4、油滴靜止平衡調(diào)控與下落起點的調(diào)控。、油滴靜止平衡調(diào)控與下落起點的調(diào)控。 A.調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)w板極電壓板極電壓，使油滴經(jīng)過一段時間確實，使油滴經(jīng)過一段時間確實不再移動。不再移動。 B.用用“升降升降” 和和“測量測量”開關(guān)開關(guān)將油滴移至下將油滴移至下落的起始刻度線上，落的起始刻度線上，3、選擇一個運動慢的油滴（滿足、選擇一個運動慢的油滴（滿足ABC） A.置置“升降升降”檔，油滴快速上升，檔，油滴快速上升，B.按下極性按下極性，油滴快速下降，油滴快速下降，C.恢復(fù)到恢復(fù)到“平衡平衡”檔和檔和“極性極性”，按下，按下“測量測量”，油滴慢速下降，恢復(fù)，油滴慢速下降，恢復(fù)“測量測量”檔檔。（三）正式測量（三）正式測量將已調(diào)平衡的油滴用控制開關(guān)移到將已調(diào)平衡的油滴用控制開關(guān)移到“起落起落”線上，然線上，然后后按下按下“測量測量”檔檔，油滴開始勻速下落的同時，計時，油滴開始勻速下落的同時，計時器開始計時。到器開始計時。到“終