用密立根油滴儀測量電子電量-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

用密立根油滴儀測量電子電量摘要：密立根油滴儀可以測定油滴的電量，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電荷的整數(shù)倍.密立根油滴儀的設(shè)計(jì)思想巧妙，其測量油滴電量的方法筒單，而結(jié)果卻具有不容置疑的說服力。密立根在這一實(shí)驗(yàn)工作上花費(fèi)了近10年的心血，從而取得了具有重大意義的結(jié)果，那就是(1)證明了電荷的不連續(xù)性(具有顆粒性)。(2)測量并得到了元電荷即為電子電荷，其值為e=1.602×10-19C。關(guān)鍵詞：油滴儀；電子電量；靜態(tài)平衡測量法；噴霧；中圖分類號(hào)：+O文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AUsingMillikanoildropinstrumentmeasuringofelectronicchargeAbstract:Millikanoildropinstrumentcanmeasuretheoildropletsoftheelectricity,andcanvalidatethechargequantization,namelyanybodychargedwithelectricityareintegermultiplesofthebasiccharge.Millikanoildropinstrumentoftheingeniousdesign,themeasurementofoildropletchargemethodandtheresultisasinglecylinder,allowalldoubtpersuasion.Millikaninthisexperimentalworkhasspentnearly10yearsofefforts,andachievedsignificantresults,itisprovedthatthecharge(1)discontinuity(havingaparticle).(2)Measurementandgettheelementarychargeisthechargeoftheelectron,itsvalueise=1.60×10-19C.Keyword:Oildropinstrument;Electroniccharge;Staticbalancemeasuringmethod;Spray;美國著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根花了七年功夫(1909~1917)所做的測量微小油滴上所帶電荷的工作在近代物理學(xué)發(fā)展中具有重要意義，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙，簡單方便地證明了所有電荷都是基本電荷的整數(shù)倍，明確了電荷的不連續(xù)性。現(xiàn)在公認(rèn)的基本電荷為e=（1.602±0.002）×10-19C.由于實(shí)驗(yàn)中噴出的油滴是非常微小的，難于捕捉、控制和測量，因此做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)操作，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理，才能得到比較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.領(lǐng)會(huì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。2.掌握密立根油滴儀的使用方法。3.運(yùn)用密立根油滴儀測定油滴的電量，并驗(yàn)證電荷的量子性。二、實(shí)驗(yàn)原理圖1帶電平行板間油滴的平衡qEmgV圖1帶電平行板間油滴的平衡qEmgVd當(dāng)平行板間加有電壓V，產(chǎn)生電場E，油滴受電場力作用。調(diào)整電壓的大小，使油滴所受的電場力與重力相等，油滴將靜止地懸浮在極板中間，見圖1。此時(shí)或(1)V、d是容易測量的物理量，如果進(jìn)一步測量出油滴的質(zhì)量m，就能得到油滴所帶的電量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油滴的電量是某最小恒量的整數(shù)倍，即q=ne，，，……。這樣就證明了電荷的不連續(xù)性，并存在著最小的電荷單位，即電子的電荷值。設(shè)油滴的密度為，油滴的質(zhì)量m可用下式表示：(2)為測量r，去掉平行板間電壓。油滴受重力而下降，同時(shí)受到空氣的粘滯性對(duì)油滴所產(chǎn)生的阻力。粘滯力與下降速度成正比，也就是服從斯托克斯定律： (3)（式中是空氣粘滯系數(shù)，r是油滴半徑，v是油滴下落速度）油滴受重力 (4)當(dāng)油滴在空氣中下降一段距離時(shí)，粘滯阻力增大，達(dá)到二力平衡，油滴開始勻速下降。(5)解出油滴半徑：(6)對(duì)于半徑小到m的油滴，空氣介質(zhì)不能認(rèn)為是均勻連續(xù)的，因而需將空氣的粘滯系數(shù)修正為：式中為一修正系數(shù)，為大氣壓強(qiáng)，于是可得：(7)821825.61825528.92823824.3922024.51919923.32923724.31022124.42019823.33023824.3表格1五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)公式(10)及(6)進(jìn)行計(jì)算油滴平均帶電量：已知：油的密度:空氣粘滯系數(shù):重力加速度:油滴勻速下降的距離取:修正常數(shù):b=6.17×10-6m·cm(Hg)大氣壓強(qiáng):p=76.0cmHg平行極板間距:d=5.00×10-3m將以上數(shù)據(jù)代入公式得: 由上式可得：油滴序數(shù)帶電荷值q（10-1919.8224.6433.1645.5354.42表格2可以看到，油滴所帶電荷量的取值不是雜亂的，而是大體集中在1.6×10-19C或其倍數(shù)附近。當(dāng)然此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，但作為一個(gè)簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一定程度上已能夠說明微小油滴上所帶電荷量是離散的，即電量具有量子化特征。2.基本電荷的測定：正如實(shí)驗(yàn)原理里所說，測量油滴上帶的電荷的目的是找出電荷的最小單位e。為此可以對(duì)不同的油滴，分別測出其所帶的電荷值q，它們應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，即油滴電荷量的最大公約數(shù)，或油滴帶電量之差的最大公約數(shù)，即為元電荷。對(duì)此，做出表格如下：油滴序數(shù)帶電荷值(10-19元電荷倍數(shù)取整倍數(shù)元電荷值（10-19C19.826.1461.5524.642.931.5733.161.9821.5845.533.462.51.5854.412.7631.57表格3由表計(jì)算元電荷：?=15×(1.53+1.57+1.57+1.57+1.57)×10-19而理論值為：1.6021.65×10-19（C），誤差六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次試驗(yàn)的重難點(diǎn)在于如何找到帶電量適中，大小適當(dāng)?shù)挠偷巫鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象。油滴過大過小都會(huì)產(chǎn)生較大誤差，油滴太大，自由降落太快，測量時(shí)速度尚未達(dá)到勻速，必然誤差大；油滴太小，又會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)和布朗運(yùn)動(dòng)，使測量時(shí)漲落太大。最后測得結(jié)果為1.572×10七、回答問題重力與電場力不平衡，會(huì)造成下落路線不垂直，導(dǎo)致測量時(shí)間偏大，誤差大。由于兩極板間有電容的存在,在通電之后電容充電,用兩根導(dǎo)線短路是為了電容放電,消除極板間的電場.若在向氣室噴霧時(shí),會(huì)由于電場的