密立根油滴實(shí)驗(yàn)

密立根油滴試驗(yàn)——基本電荷測(cè)定BobertAndrewMillikan華東理工高校物理試驗(yàn)中心一、試驗(yàn)歷史背景及意義1897年湯姆遜發(fā)覺了電子的存在，一個(gè)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。由美國(guó)杰出的物理學(xué)家密立根首先設(shè)計(jì)并完成的密立根油滴試驗(yàn)，接受了宏觀的力學(xué)模式來探討微觀世界的量子特性。它證明白帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷的整數(shù)倍，明確了電荷的電荷的量子化，并精確地測(cè)定了基本電荷e的數(shù)值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)奇異，將微觀測(cè)量量轉(zhuǎn)化為宏觀量的測(cè)量，在近代物理學(xué)的發(fā)展史上具有里程碑意義。密立根本人也因此榮獲1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們用類似的方法測(cè)定基本粒子夸克的電量。1)學(xué)習(xí)密立根油滴試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。2)驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測(cè)定基本電荷值。3)培育學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)試驗(yàn)看法。二、試驗(yàn)?zāi)康娜?、試?yàn)原理如何測(cè)量微觀電荷量q？油滴在極板間同時(shí)受到重力mg，電場(chǎng)力qE和空氣浮力Ff的作用。平衡時(shí)有：思路：轉(zhuǎn)化測(cè)量法找到一個(gè)宏觀測(cè)量量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ρ，半徑為a，則油滴的質(zhì)量m為：重力及空氣浮力可表示為：同時(shí)，考慮到平行板未加電壓時(shí)，油滴在重力作用下著陸時(shí)，受到空氣對(duì)油滴的粘滯力作用。當(dāng)空氣的粘滯力、浮力和油滴的重力平衡時(shí)，油滴作勻速運(yùn)動(dòng)其中P229由此，對(duì)油滴所帶電荷量q的測(cè)量，最終通過力F這個(gè)物理量作為橋梁，轉(zhuǎn)化為對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)的位移l和所需時(shí)間tg的測(cè)量。當(dāng)平行板電壓為零時(shí)，油滴作勻速運(yùn)動(dòng)的速度有以上公式最終可得：2）對(duì)粘滯系數(shù)的修正起先計(jì)算所得的e值隨油滴的減小而增大，密立根認(rèn)為由于油滴甚小，其直徑可和空氣分子的平均自由程相比擬，所以不能再將空氣看成是連續(xù)介質(zhì)，油滴所受粘滯力必將減小，粘滯系數(shù)應(yīng)予以修正。密立根對(duì)試驗(yàn)的改進(jìn)最初，密立根用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，改用了揮發(fā)性小的油滴。1）用油滴替代水滴q基本電荷e的計(jì)算為了證明電荷的不連續(xù)性和全部電荷都是基本電荷e的整數(shù)倍，并得到基本電荷e值，我們可用“倒過來驗(yàn)證”的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即用公認(rèn)的電子電荷值e＝1.602×10-19C去除試驗(yàn)測(cè)得的電荷量q，得到一個(gè)接近與某一個(gè)整數(shù)的數(shù)值，這個(gè)整數(shù)就是油滴所帶的基本電荷的數(shù)目n，再用這個(gè)n去除試驗(yàn)測(cè)得的電荷量q，即得電子的電荷值e。四、實(shí)驗(yàn)儀器MOD-5型密立根油滴儀電壓顯示計(jì)時(shí)顯示油霧室平衡水泡CCD物距調(diào)節(jié)平衡電壓調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)電源開關(guān)計(jì)時(shí)鍵3.試驗(yàn)內(nèi)容五、試驗(yàn)內(nèi)容：用靜態(tài)（平衡）法測(cè)定電子的電荷1、 熟悉儀器的運(yùn)用 2、 調(diào)整儀器 3、 練習(xí)限制油滴 4、 練習(xí)選擇油滴 5、 對(duì)同一油滴進(jìn)行10—12次測(cè)量

1）調(diào)整儀器水平調(diào)整：調(diào)整水平螺絲，使水準(zhǔn)泡指示水平，極板處于水平位置，電場(chǎng)方向與重力平行。打開電源開關(guān)，使儀器予熱10分鐘

將專用油從噴霧口噴入（只噴一次少量即可），從監(jiān)視屏上可看到大量的油滴。2）限制油滴3）選擇合適的油滴測(cè)量?jī)蓚€(gè)量，平衡電壓U和油滴勻速下降距離l所須要的時(shí)間tg。1）測(cè)量平衡電壓必需經(jīng)過細(xì)致的調(diào)整，將油滴置于分劃板上某條橫線旁邊，推斷是否平衡。2）l一般取0.2cm比較合適。3）對(duì)同一顆油滴應(yīng)進(jìn)行10-12次測(cè)量，每次測(cè)量都要重新調(diào)整平衡電壓。4）測(cè)量六、數(shù)據(jù)處理與分析電荷序號(hào)平衡電壓下降時(shí)間q

nt1t2t3t4t5<tg>1

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用“倒證法”計(jì)算電荷電量實(shí)驗(yàn)值：相對(duì)誤差：

nqn1n2q1q2圖解法已知參數(shù)值

鐘油密度：空氣粘滯系數(shù)：重力加速度：修正常數(shù)：大氣壓強(qiáng)：平行極板間距：油滴運(yùn)動(dòng)的距離：七、留意事項(xiàng)（選做項(xiàng)目一）用動(dòng)態(tài)法測(cè)量油滴的電荷，求出電子電荷e。（選做項(xiàng)目二）用改變油滴所帶電荷的方法,測(cè)量油滴電荷的改變量,求電子電荷e.1）調(diào)整儀器時(shí)，假如打開有機(jī)玻璃油霧室，必需將平衡電壓反向開關(guān)置“0”。2）同一顆油滴反復(fù)多