密立根油滴實驗的操作改進

密立根油滴實驗的操作改進摘要:密立根油滴實驗是物理學的經(jīng)典實驗之一,至今仍是近代物理實驗中的必做實驗。本文針對密立根油滴法測量電荷電量的實驗中存在誤差過大導致實驗結(jié)果偏差過大的問題,提出一種輔助該實驗的軟件方案。該方案能夠避免過大的誤差,同時合理保留精度允許范圍的誤差量,較為真實可靠的還原整個實驗過程。將該軟件改進方案引入實驗教學,能夠在節(jié)約成本的同時改善教學效果、提高教學質(zhì)量。關鍵詞:密立根油滴法;實驗;電荷;改進方案引言19世紀末,隨著X射線的發(fā)現(xiàn)而迅速展開的物理學革命,揭開了現(xiàn)代物理學的序幕,人類從此打開了奇妙的微觀世界研究的大門。1897年J1J1Thomson在研究陰極射線的實驗中確認了電子的存在。于是,測定電子電荷e就成了當時物理學家面臨的重大課題。美國實驗物理學家密立根(R1A1Millikan)歷經(jīng)11年時間[1],首次精確地測出了基本電荷的數(shù)值為e=(1.5924±0.0017)×10-19C,因而獲得1923年的諾貝爾物理學獎[2]。密立根油滴實驗設計巧妙,方法簡便,設備簡單,結(jié)果準確,堪稱物理實驗之典范,尤其是它的設計思想更值得借鑒。近年來[3],根據(jù)該實驗的設計思想改進的用磁漂浮的方法測量分數(shù)電荷,以及用密立根油滴儀同時測量粉塵的粒徑和電荷量的實驗,引起了人們的普遍關注,說明該實驗至今仍富巨大的生命力。重做密立根油滴實驗[4],在不斷改進測量方法的同時,可以進一步體驗前輩物理學家深刻的物理思想和精巧的實驗設計。1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實了這個比值是唯一的。許多科學家為測量電子的電荷量進行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國科學家密立根于1917年用實驗測得的。密立根在前人工作的基礎上，進行基本電荷量e的測量，他作了幾千次測量，一個油滴要盯住幾個小時，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗，精確地測定基本電荷量e的過程，是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。為了實現(xiàn)精確測量，他創(chuàng)造了實驗所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測量和控制。開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，后來改用了揮發(fā)性小的油滴。最初，由實驗數(shù)據(jù)通過公式計算出的e值隨油滴的減小而增大，面對這一情況，密立根經(jīng)過分析后認為導致這個謬誤的原因在于，實驗中選用的油滴很小，對它來說，空氣已不能看作連續(xù)媒質(zhì)，斯托克斯定律已不適用，因此他通過分析和實驗對斯托克斯定律作了修正，得到了合理的結(jié)果。密立根的實驗裝置隨著技術(shù)的進步而得到了不斷的改進，但其實驗原理至今仍在當代物理科學研究的前沿發(fā)揮著作用，例如，科學家用類似的方法確定出基本粒子──夸克的電量。油滴實驗中將微觀量測量轉(zhuǎn)化為宏觀量測量的巧妙設想和精確構(gòu)思，以及用比較簡單的儀器，測得比較精確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有啟發(fā)性的。由于密立根油滴法的精妙設計和重大的意義,因此大學物理實驗課中,密立根油滴法測定電子電荷的實驗也是學生必做實驗之一。現(xiàn)在做密立根油滴法測定電子電荷實驗所用的儀器設備比起100年前的密立根所用設備有了非常大的改進。學生用專用實驗儀器在做該實驗時只需要找到合適的油滴,并進行簡單的按鍵操作就可以完成基本的測量。經(jīng)過測量,實驗儀器會自動給出油滴所帶的電荷數(shù)。然后,學生通過計算就可以測定電子所帶的電荷數(shù)。然而,由于實驗儀器本身的原因和學生的操作誤差,常常導致實驗結(jié)果測量到的電子電荷數(shù)和電子電荷理論值相距甚遠,大大超出可接受的范圍?；谶@種實驗課程中的實際情況,本文提出了一種對密立根油滴法測定電子電荷實驗的改進方案。一密立根油滴法實驗原理密立根油滴實驗有兩種基本的方法,即動態(tài)法和靜態(tài)平衡法。這兩種方法都是從觀察和測量帶電油滴在電場中的運動規(guī)律入手的,運動規(guī)律不同導致實驗方法有一定區(qū)別。為了獲得比較精確的測量結(jié)果,盡可能把油滴受到的各種作用和修正因素都考慮進去。1動態(tài)法當油滴受到的重力、電場力、浮力及粘滯阻力四個力的作用平衡時,作勻速的上升運動,就滿足了動態(tài)法的測量條件。(1)實驗原理當平行極板間未加電壓時,油滴受重力、浮力、粘滯阻力三個力作用,平衡時F重-F浮=F粘在平行極板間加電壓,油滴受重力、浮力、電場力及粘滯阻力四個力作用,平衡時。2靜態(tài)平衡法當油滴在重力、電場力、浮力三個力的作用下靜止時,就滿足了靜態(tài)平衡法的測量條件。(1)實驗原理當平行極板間未加電壓時,油滴的受力情況與311節(jié)(1)中未加電壓時相同。當給平行極板加上電壓時,調(diào)節(jié)電壓使油滴靜止,這時油滴同時受到重力、浮力、電場力三個力作用,其關系為：F重-F浮=F電在介紹改進方案之前,再介紹下密立根油滴法[5]。實驗中，用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為d的水平放置的平行極板之間，如圖3所示。油滴在噴射時由于摩擦，一般都會帶電。設油滴的質(zhì)量為m，所帶電量為q，加在兩平行極板之間的電壓為V，油滴在兩平行極板之間將受到兩個力的作用，一個是重力mg，一個是電場力mg=qV/d。通過調(diào)節(jié)加在兩極板之間的電壓V，可以使這兩個力大小相等、方向相反，從而使油滴達到平衡，懸浮在兩極板之間。此時有:mg=qV/d(1)為了測定油滴所帶的電量q，除了測定V和d外，還需要測定油滴的質(zhì)量m。但是，由于m很小，需要使用下面的特殊方法進行測定。因為在平行極板間未加電壓時，油滴受重力作用將加速下降，但是由于空氣的粘滯性會對油滴產(chǎn)生一個與其速度大小成正比的阻力，油滴下降一小段距離而達到某一速度v后，阻力與重力達到平衡（忽略空氣的浮力），油滴將以此速度勻速下降示。由斯托克斯定律可得:f=6παηv=mg(2)其中η是空氣的粘滯系數(shù)，α是油滴的半徑（由于表面張力的作用，小油滴總是呈球狀）。設油滴的密度為ρ，油滴的質(zhì)量m可用下式表示m=4πα3ρ/3(3)將（2）式和（3）式合并，可得油滴的半徑為:α=(9ηv/2ρg)1/2(4)由于斯托克斯定律對均勻介質(zhì)才是正確的，對于半徑小到10-6m的油滴小球，其大小接近空氣空隙的大小，空氣介質(zhì)對油滴小球不能再認為是均勻的了，因而斯托克斯定律應該修正為fr=6παηv/(1+b/αp)式中b為一修正常數(shù)，取b=6.17×10-6cmHg；P為大氣壓強，單位是cmHg。利用平衡條件p參考文獻:[1]熊俊.近代物理實驗[M].北京:北京師范大學出版社,2007:1-9.[2]李娟,李蜀晉,胡再國.密立根油滴實驗數(shù)據(jù)分析[J].物理實驗,2008,28(4):28-30.[3]潘人培.物理實驗[M].南京:南京工學院出版社,1986:267-276.[4]鄔鴻彥,朱明剛.近代物理實驗[M].北京:科學出版社,1998:41-51.[5]李明.大學物理實驗教程[M].浙江:浙江大學出版社,2007.[6]張?zhí)?董有爾.近代物理實驗[M].北京:科學出版社,2004:30-36.[7]譚浩強，周志德，北京：清華大學出版社，C++程序設計。電子工業(yè)出版社，2006.[8]陳杰.MATLAB寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.ComparisonofMethodsaboutMillikanOil-dropExperimentCAOLi-ping,DUXi-xia,ZHENGFei(DepartmentofPhysics,KashgarTeachersCollege,Kashgar844006,China)Abstract:Millikanoil-dropexperimentisoneofclassicalexperimentsinphysics,anditisstillessentialinmodernphysicsexperiments.Dynamicmethodandstaticequilibriummethodarethetwobasicmethodsoftheexperiment.Bycomparison,itcanbefoundt