密立根油滴實(shí)驗(yàn)近代物理實(shí)驗(yàn)論文

1、 近代物理實(shí)驗(yàn)論文 密立根油滴測(cè)電子電荷 學(xué)院：理學(xué)院 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)：密立根油滴測(cè)電子電荷摘要：密立根油滴實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量油滴的電量，并可驗(yàn)證電荷的量子性，即任何帶電體所帶的電量都是基本的整數(shù)倍。OM98型油滴儀將油滴噴入電容兩塊水平的平行電極板之間時(shí)，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場(chǎng)的情況下，小油滴受重力作用而下落，當(dāng)重力與空氣的浮力（或者阻力）和粘滯阻力平衡時(shí)，它便勻速下降，或者平衡在某一點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量下降一定高度的時(shí)間從而計(jì)算得出油滴的帶電量。本實(shí)驗(yàn)難度較大，且存在不可避免的誤差，測(cè)量物體帶電量還有其他方法這里不再贅述。關(guān)鍵字：密立根油滴實(shí)驗(yàn)、顯微攝像油滴儀（OM98型）、油滴

2、引言：密立根油滴實(shí)驗(yàn)，美國(guó)物理學(xué)家密立根所做的測(cè)定電子電荷的實(shí)驗(yàn)。1907-1913年密立根用在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數(shù)倍，該最小電荷值就是電子電荷。1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、利用電視顯微密立根油滴儀測(cè)量電子電荷。2、了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用，學(xué)習(xí)電視顯微測(cè)量方法。2、 實(shí)驗(yàn)背景 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測(cè)量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實(shí)了這個(gè)比值是唯一的。許多科學(xué)家為測(cè)量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國(guó)科學(xué)家密立根于1917年用實(shí)驗(yàn)測(cè)得

3、的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測(cè)量，他作了幾千次測(cè)量，一個(gè)油滴要盯住幾個(gè)小時(shí)，可見(jiàn)其艱苦的程度。密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)，精確地測(cè)定基本電荷量e的過(guò)程，是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，他創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測(cè)量和控制。開(kāi)始他是用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，不能得到滿意的結(jié)果，后來(lái)改用了揮發(fā)性小的油滴。最初，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算出的e值隨油滴的減小而增大，面對(duì)這一情況，密立根經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為導(dǎo)致這個(gè)謬誤的原因在于，實(shí)驗(yàn)中選用的油滴很小，對(duì)它來(lái)說(shuō)，空氣已不能看作連續(xù)媒質(zhì)，斯托克斯定律已不適用，因此他通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)斯托克斯

4、定律作了修正，得到了合理的結(jié)果。三、實(shí)驗(yàn)儀器OM98型油滴儀、顯微攝像油滴儀4、 實(shí)驗(yàn)原理與操作一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為的油滴處在二塊平行極板之間，在平行極板未加電壓時(shí)，油滴受重力作用而加速下降，由于空氣阻力的作用，下降一段距離后，油滴將作勻速運(yùn)動(dòng)，速度為Vg，這時(shí)重力與阻力平衡（空氣浮力忽略不計(jì)），如圖1所示。根據(jù)斯托克斯定律，粘滯阻力為 圖1 式中是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑，這時(shí)有 圖 2當(dāng)在平行極板上加電壓V時(shí)，油滴處在場(chǎng)強(qiáng)為的靜電場(chǎng)中，設(shè)電場(chǎng)力q與重力相反，如圖2所示，使油滴受電場(chǎng)力加速上升，由于空氣阻力作用，上升一段距離后，油滴所受的空氣阻力、重力與電場(chǎng)力達(dá)到平衡（空氣浮力忽略不計(jì)

5、），則油滴將以勻速上升，此時(shí)速度為，則有： 又因?yàn)?由上述（）、（）、（）式可解出 為測(cè)定油滴所帶電荷，除應(yīng)測(cè)出、和速度、外，還需知油滴質(zhì)量，由于空氣中懸浮和表面張力作用，可將油滴看作圓球，其質(zhì)量為 式中是油滴的密度。由（）和（）式，得油滴的半徑 考慮到油滴非常小，空氣已不能看成連續(xù)媒質(zhì)，空氣的粘滯系數(shù)應(yīng)修正為 式中為修正常數(shù)，為空氣壓強(qiáng)，為未經(jīng)修正過(guò)的油滴半徑，由于它在修正項(xiàng)中，不必計(jì)算得很精確，由（）式計(jì)算就夠了實(shí)驗(yàn)時(shí)取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，設(shè)都為l，測(cè)出油滴勻速下降的時(shí)間，勻速上升的時(shí)間e，則 將（）、（）、（）、（）式代入（），可得令得/V 此式是動(dòng)態(tài)（非平衡）法測(cè)油滴電荷

6、的公式。下面導(dǎo)出靜態(tài)（平衡）法測(cè)油滴電荷的公式。調(diào)節(jié)平行極板間的電壓，使油滴不動(dòng)，Ve=0，即，由上式可得或者 上式即為靜態(tài)法測(cè)油滴電荷的公式。為了求電子電荷，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)電荷求最大公約數(shù)，就是基本電荷的值，也就是電子電荷，也可以測(cè)得同一油滴所帶電荷的改變量（可以用紫外線或放射源照射油滴，使它所帶電荷改變），這時(shí)應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，此最小單位即為基本電荷。5、 實(shí)驗(yàn)步驟1、儀器調(diào)整調(diào)節(jié)儀器底座上的三只調(diào)平手輪，將水泡調(diào)平。由于底座空間較小,調(diào)手輪時(shí)如將手心向上,用中指和無(wú)名指夾住手輪調(diào)節(jié)較為方便。噴霧器內(nèi)的油不可裝得太滿，否則會(huì)噴出很多“油”而不是“油霧”，堵塞上電極的落油孔。每

7、次實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)及時(shí)揩擦上極板及油霧室內(nèi)的積油！噴油時(shí)噴霧器的噴頭不要深入噴油孔內(nèi)，防止大顆粒油滴堵塞落油孔。噴霧器的汽囊不耐油，實(shí)驗(yàn)后，將汽囊與金屬件分離保管較好，可延長(zhǎng)使用壽命。 如需打開(kāi)油滴儀檢查，一定要拔下電源插頭再進(jìn)行！2、測(cè)量練習(xí)練習(xí)是順利做好實(shí)驗(yàn)的重要一環(huán)，包括練習(xí)控制油滴運(yùn)動(dòng)，練習(xí)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)間和練習(xí)選擇合適的油滴。選擇一顆合適的油滴十分重要。大而亮的油滴必然質(zhì)量大，所帶電荷也多，而勻速下降時(shí)間則很短，增大了測(cè)量誤差和給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難。通常選擇平衡電壓為200300，勻速下落1.5mm的時(shí)間在8 - 20S左右的油滴較適宜。噴油后，置“平衡”檔,調(diào)W使極板電壓為200300，注

8、意幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)、較為清晰明亮的油滴。置“0V”檔時(shí)，觀察各顆油滴下落大概的速度，從中選一顆作為測(cè)量對(duì)象。對(duì)于英寸監(jiān)視器，目視油滴直徑在0.51mm左右的較適宜。過(guò)小的油滴觀察困難,布朗運(yùn)動(dòng)明顯，會(huì)引入較大的測(cè)量誤差。判斷油滴是否平衡要有足夠的耐性。用將油滴移至某條刻度線上，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，這樣反復(fù)操作幾次，經(jīng)一段時(shí)間觀察油滴確實(shí)不再移動(dòng)才認(rèn)為是平衡了。測(cè)準(zhǔn)油滴上升或下降某段距離所需的時(shí)間，一是要統(tǒng)一油滴到達(dá)刻度線什么位置才認(rèn)為油滴已踏線，二是眼睛要平視刻度線，不要有夾角。反復(fù)練習(xí)幾次，使測(cè)出的各次時(shí)間的離散性較小。3、正式測(cè)量用平衡測(cè)量法、動(dòng)態(tài)測(cè)量法和同一油滴改變電荷法（第三種方法所用的射線

9、源用戶自備）。如采用平衡法測(cè)量，可將已調(diào)平衡的油滴用控制移到“起跑”線上，按K3（計(jì)時(shí)停），讓計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，然后將撥向“0V”，油滴開(kāi)始勻速下降的同時(shí)，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。到“終點(diǎn)”時(shí)迅速將撥向“平衡”，油滴立即靜止，計(jì)時(shí)也立即停止。動(dòng)態(tài)法是分別測(cè)出加電壓時(shí)油滴上升的速度和不加電壓時(shí)油滴下落的速度，代入相應(yīng)公式，求出e值。油滴的運(yùn)動(dòng)距離一般取1mm1.5mm。對(duì)某顆油滴重復(fù)510次測(cè)量，選擇1020顆油滴，求得電子電荷的平均值。在每次測(cè)量時(shí)都要檢查和調(diào)整平衡電壓，以減小偶然誤差和因油滴揮發(fā)而使平衡電壓發(fā)生變化。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理=1.59=0.6%n112513.1213.0312.8413.05

10、13.0121.20141.51211915.0215.2614.7114.7314.9311.1671.59318122.5222.4922.7422.5722.586.4441.61419816.7616.5816.7716.8416.759.3861.56510018.1018.3118.2418.2718.2316.28101.63615713.6513.7613.8413.8313.7716.04101.60722124.4024.3624.3524.3724.374.6831.56811011.5411.5011.6211.5011.5430.10191.58910420.5820

11、.6120.6820.6520.6312.9181.611016520.7620.8320.8520.8420.828.0251.60實(shí)驗(yàn)條件： 油的密度 （20）重力加速度 空氣粘滯系數(shù) 油滴勻速下降距離 修正常數(shù) 大氣壓強(qiáng) 平行極板間距離 注： n第幾個(gè)油滴， t1-t4每個(gè)油滴測(cè)時(shí)間四次（s）， V平平衡電壓（伏），t1-t4的平均值（s）， N每個(gè)油滴帶幾個(gè)電子， 由第i個(gè)油滴算出的一個(gè)電子的電量， 由10個(gè)油滴算出的電子電量的平均值（1019c）七、誤差分析1 理論誤差 因?yàn)橛偷拿芏?、空氣的粘滯系?shù)都是溫度的函數(shù), 重力加速度g 和大氣壓強(qiáng)p 又隨實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)條件的變化而變化,但是

12、一般條件下,計(jì)算的誤差只有百分之一左右。因此式(10) 是可取的,它給實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算帶來(lái)了方便。2 測(cè)量誤差a、密立根油滴實(shí)驗(yàn)是一個(gè)操作技巧要求較高的實(shí)驗(yàn), 因此, 在實(shí)驗(yàn)儀器相同的情況下, 測(cè)量誤差除了由系統(tǒng)誤差引起的部分, 主要就是由測(cè)量人員的主觀素質(zhì)引起的偶然誤差形成的。b、選擇合適的油滴很重要,油滴的體積太大,大的油滴雖然容易觀察,但質(zhì)量大,必須帶很多電荷才能取得平衡,而且下落時(shí)間短,結(jié)果不易測(cè)準(zhǔn)。油滴的體積過(guò)小,容易產(chǎn)生漂移,也會(huì)增大測(cè)量誤差。選擇那些質(zhì)量適中而帶電量不太多的油滴才是可取的, 可根據(jù)平衡電壓的大小(約200V) 和油滴勻速下降的時(shí)間(約1535s) 來(lái)判斷油滴的大小和帶電量的多少。